強震區(qū)跨斷層隧道剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)

石文昊 邱楓博 謝 優(yōu) 崔光耀

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

0 引言

在我國新時代推進西部大開發(fā)的大背景下，進行交通建設(shè)將不可避免地需要穿越山嶺地區(qū)，而山嶺地區(qū)以斷層破碎帶尤為常見。由于斷層破碎帶往往出現(xiàn)在高烈度地震山區(qū)，在發(fā)生地震時，跨斷層隧道的整體結(jié)構(gòu)將會受到巨大破壞，嚴重影響過往車輛的安全。因此，對強震區(qū)跨斷層隧道的抗震技術(shù)進行研究是極其必要的。

目前在實際工程中，隧道主要采用抗震和減震2種措施進行安全性設(shè)計。其中抗震措施主要分為結(jié)構(gòu)加強和圍巖加強2類[1]；減震措施主要通過在隧道施工過程中施作減震縫和減震層來實現(xiàn)[2-3]。如何根據(jù)實際情況合理選擇抗減震措施，是目前保證強震區(qū)跨斷層隧道結(jié)構(gòu)整體安全性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，國內(nèi)外相關(guān)專家、學(xué)者對強震區(qū)跨斷層隧道的抗減震技術(shù)進行了研究，其中主要有對強震區(qū)跨斷層隧道的震害機理的深入探討，利用數(shù)值模擬或?qū)嶒炁_對強震區(qū)跨斷層隧道的最優(yōu)抗震措施的計算分析等。但是，對于強震區(qū)跨斷層隧道同時施作圍巖注漿加固和減震層加固的抗震效果分析方面研究較少。因此，本文以達州―萬州高速公路天坪寨隧道F1斷層段為背景，利用有限差分數(shù)值軟件FLAC3D對強震區(qū)跨斷層隧道剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)進行了研究，研究成果可為強震區(qū)跨斷層隧道抗震設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

該隧道段位于四川盆地東部邊緣構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，屬新華夏系四川沉降帶的川東褶皺帶。擬建隧道圍巖主要為軟質(zhì)巖的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、長石石英砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖等組成的Ⅳ級圍巖，底部基巖為Ⅱ級圍巖。隧址區(qū)內(nèi)F1斷層傾角70°～80°，破碎帶寬10～25 m，主要由斷層角礫和斷層泥組成，為Ⅴ級圍巖。

1.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用新奧法對該隧道段進行設(shè)計施工，襯砌采用曲墻式襯砌(帶仰拱)型式，襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護設(shè)計厚度0.25 m，采用C20噴射混凝土；二次襯砌設(shè)計厚度0.45 m，采用C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計算模型

為研究剛?cè)岵胧┑目拐鹦阅埽赃_州―萬州高速公路天坪寨隧道F1斷層段為研究背景，建立有限差分計算模型，計算模型屬于彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫倫準則。隧道埋深40 m，縱向開挖深度取100 m，模型寬度90 m，基巖厚度取模型底部向上20 m。斷層傾角約80°，與隧道相正交，斷層破碎帶寬度約10 m，位于模型中部左右各5 m。模型邊界條件為靜力分析時四周及下部全約束，上部無約束；動力分析時四周為自由場邊界，下部為靜態(tài)邊界。計算模型以采用剛?cè)岵胧槔?，如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 計算參數(shù)

以實際地質(zhì)勘察資料為依據(jù)，隧道的詳細計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.3 動力參數(shù)

模型采用自由場邊界條件進行模擬計算，力學(xué)阻尼選用局部阻尼，局部阻尼系數(shù)0.157 1。為模擬實際地震情況，使用地下工程常用地震波輸入方式[4-10]，同時將地震波3個方向(x,y,z)從模型底部向模型上部傳遞，加載方式為常規(guī)動力加載。該隧道抗震設(shè)防烈度為9度，地震動峰值加速度值為0.20 g，地震波選用臥龍測站所測的汶川地震加速度波進行計算，按照9度地震烈度標準化，持續(xù)時間為15 s。對地震波使用濾波軟件進行濾波和基線校正，處理后所得3個方向的地震波加速度時程曲線，x方向的加速度時程曲線如圖2所示。

圖2 x方向地震波加速度時程曲線

2.4 計算工況

為研究強震區(qū)跨斷層隧道同時施設(shè)圍巖全環(huán)接觸注漿加固和減震層加固的抗震效果，隧道的圍巖注漿材料選用普通水泥，注漿厚度3 m；減震層材料選用海綿橡膠板，減震層厚度0.1 m，具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

2.5 測點布置

本次模擬計算共取7個監(jiān)測斷面，沿隧道縱向平均分布，每個監(jiān)測斷面間隔12.5 m，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測斷面布置(單位：m)

由于位于破碎帶段的隧道段可能遭受更大破壞，因此在Ⅴ級圍巖破碎帶中心處取S4斷面進行監(jiān)測；破碎帶左右Ⅳ級圍巖各取3個監(jiān)測斷面，對破碎帶兩側(cè)隧道段進行監(jiān)測。在各個監(jiān)測斷面分別對襯砌的拱頂、左拱肩、左邊墻、左拱腳、右拱肩、右邊墻、右拱腳、仰拱8個位置布置測點進行監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 測點布置

3 抗震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

根據(jù)位移最大值計算工況2的抗震效果，計算結(jié)果如表3所示。

表3 二襯結(jié)構(gòu)橫、豎向最大位移及抗震效果

由計算結(jié)果可知，二襯結(jié)構(gòu)的橫向最大位移主要出現(xiàn)在左拱肩處，而豎向位移主要出現(xiàn)在拱頂處。由表3可知，工況1的橫向位移最大值為5.71 mm，工況2的橫向位移最大值為5.19 mm，相比于工況1有所減小，其抗震效果為9.11%。

工況1的豎向位移最大值為6.09 mm，工況2的豎向位移最大值為5.57 mm，相比于工況1有所減小，其抗震效果為8.54%。由此可知，在控制橫向及豎向位移方面，剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)較為有效。

3.2 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析

根據(jù)主應(yīng)力值計算工況2的抗震效果，計算結(jié)果如表4所示。

表4 主應(yīng)力及抗震效果

由計算結(jié)果可知，二襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在左拱肩，而最小主應(yīng)力主要出現(xiàn)在仰拱處。由表4可知，工況1的最大主應(yīng)力最大值為1.76 MPa，工況2的最大主應(yīng)力最大值為0.86 MPa，相比于工況1有所減小，其抗震效果為51.14%。

工況1的最小主應(yīng)力最大值為-10.81 MPa，工況2的最小主應(yīng)力最大值為-10.45 MPa，相比于工況1有所減小，其抗震效果為3.33%。由此可知，在控制最大與最小主應(yīng)力方面，剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)較為有效。

3.3 最大剪應(yīng)力分析

根據(jù)最大剪應(yīng)力值計算工況2的抗震效果，計算結(jié)果如表5所示。

表5 最大剪應(yīng)力及抗震效果

由計算結(jié)果可知，二襯結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在左拱腳與右拱腳處。由表5可知，工況1的最大剪應(yīng)力最大值為5.14 MPa，工況2的最大剪應(yīng)力最大值為4.39 MPa，相比于工況1有所減小，其抗震效果為14.59%。由此可知，在控制最大剪應(yīng)力方面，剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)較為有效。

3.4 安全系數(shù)分析

提取各個監(jiān)測斷面的內(nèi)力數(shù)據(jù)，利用式(1)式(2)計算各監(jiān)測點處二襯結(jié)構(gòu)所受軸力及彎矩，最終利用式(3)式(4)對工況1～工況4各個監(jiān)測斷面在不同時步下各個測點的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進行計算，并取各個監(jiān)測斷面的最小安全系數(shù)值進行分析。

測點處軸力

(1)

測點處彎矩計算公式

(2)

式(1)和式(2)中：N為軸力；M為彎矩；E為彈性模量；εn，εw分別為結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變；b為截面寬度，取b=1 m；h為截面厚度。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)和式(4)中，K為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土的抗壓極限強度；Rl為混凝土的抗拉極限強度；e0為截面偏心距。

二襯結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)圖如圖5所示。

圖5 各監(jiān)測斷面的二襯結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

從圖5各監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)最小值來看，工況1和工況2的二襯結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在斷層破碎帶處即S4斷面，工況1的最小安全系數(shù)最小值為1.98，工況2的最小安全系數(shù)最小值為2.85，與工況1相比抗震效果提升了30.53%；從各監(jiān)測斷面整體來看，工況1的最小安全系數(shù)值為1.98～2.91，工況2的最小安全系數(shù)值為2.85～4.00，工況2的各監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)值均大于工況1，且與工況1相比抗震效果提升了21.14%～48.25%，由此可知剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)能夠提升隧道的結(jié)構(gòu)整體安全性。

最小安全系數(shù)計算結(jié)果如表6所示。

表6 最小安全系數(shù)及抗震效果

4 結(jié)論

本文利用有限差分數(shù)值軟件對強震區(qū)跨斷層隧道施設(shè)剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)的抗震效果進行了計算研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)采用剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)后，隧道結(jié)構(gòu)橫向位移抗震效果為9.11%，豎向位移抗震效果為8.54%。

(2)采用剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)后，隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力抗震效果為51.14%，最小主應(yīng)力抗震效果為3.33%，最大剪應(yīng)力抗震效果為14.59%；隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)抗震效果為21.14%～48.25%。

(3)由結(jié)構(gòu)位移、主應(yīng)力、剪應(yīng)力及安全系數(shù)分析可知，采用剛?cè)岵拐鸺夹g(shù)能夠有效提升強震區(qū)跨斷層隧道的抗震性能。