高烈度地震區(qū)隧道結(jié)構(gòu)安全分析

李偉豪，羅立娜

(1.廣州華暉交通技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510335；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

在隧道建設(shè)快速發(fā)展的時(shí)期，人們充分利用隧道圍巖自穩(wěn)及能形成平衡拱的特性，快速、經(jīng)濟(jì)地修建隧道，而沒有足夠重視在地震等災(zāi)害情況下的安全儲(chǔ)備。四川汶川大地震讓人們認(rèn)識到隧道結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的脆弱，李天斌[1]在對四川汶川地震中受損的汶川公路隧道進(jìn)行調(diào)查研究后，認(rèn)為埋深較淺及軟弱圍巖中的襯砌結(jié)構(gòu)最容易遭受破壞，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對軟弱圍巖震害機(jī)制及抗震支護(hù)措施的研究。高波、王崢崢等[2]對都汶(都江堰—汶川)公路高速路段18座隧道進(jìn)行震害調(diào)查的基礎(chǔ)上也指出加強(qiáng)隧道洞口段的抗震構(gòu)造措施，提高洞口結(jié)構(gòu)的延性的重要性。

1 地震作用對隧道工程的影響機(jī)理

地震對隧道結(jié)構(gòu)的破壞主要分為圍巖失穩(wěn)引起的破壞和地震慣性力引起的破壞，另外，淺埋軟弱圍巖較深埋圍巖所承受的地震慣性力大得多，這是因?yàn)闇\埋軟弱圍巖對地下結(jié)構(gòu)變形的約束作用不明顯。故一般隧道抗震設(shè)計(jì)著重加強(qiáng)對洞口淺埋段或穿越破碎帶段落進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，并且需要在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下控制初支與二襯的剛度比[3，4]。

2 研究地下結(jié)構(gòu)抗震的難點(diǎn)

(1)由于地震源的不確定性，地震源與項(xiàng)目的距離、角度關(guān)系等均具有偶然性，故地震波入射方向也是隨機(jī)的，難以較大程度地還原地震作用。

(2)隧道圍巖由于存在節(jié)理、裂隙和斷層破碎帶等，理論上已不屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究范疇[4]。

所以《公路隧道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 2235—2019)中規(guī)定：抗震設(shè)防地震動(dòng)分檔0.30g以下地區(qū)且位于均質(zhì)地層中、結(jié)構(gòu)形式簡單的鉆爆隧道可采用修正靜力法模擬地震作用[5]。

3 隧道抗震設(shè)計(jì)的思路

(1)隧道結(jié)構(gòu)主要為初支(及經(jīng)過加固后的圍巖)、二襯、以及初支和二襯間的抗震或減震層。盲目加強(qiáng)對圍巖的加固或者加強(qiáng)加厚二襯都是不合理的：一是造成資源浪費(fèi)；二是起到反作用，不利于隧道的抗震。設(shè)計(jì)中應(yīng)重視初支、二襯的剛度比，根據(jù)不同圍巖采用不同的圍巖加固措施，并根據(jù)剛度比設(shè)置與之匹配的二襯。

建議先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)分別擬定幾組初支及二襯結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的組合，經(jīng)過比選后選取合理的圍巖加固措施和二襯結(jié)構(gòu)。

(2)一般認(rèn)為在滿足基本工程強(qiáng)度的范圍內(nèi)，襯砌越柔，越有利于抗震，這一點(diǎn)在鐵道部科學(xué)研究院關(guān)于強(qiáng)地震作用下鐵路隧道襯砌耐震性的試驗(yàn)研究中得到了充分的驗(yàn)證[3，6]。故設(shè)計(jì)中，偶然荷載組合得出的內(nèi)力并不一定是最不利的，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)各荷載組合的強(qiáng)度要求下，根據(jù)圍巖的剛度，選擇合適的圍巖加固手段，如打設(shè)鋼筋錨桿或注漿等。

(3)抗震設(shè)防的范圍一般為洞口段埋深小于50 m的范圍。

4 案例分析

依托廣東省沿海高烈度地震區(qū)某小凈距隧道，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊土建工程》(JTG 3370.1—2018)[7](下稱規(guī)范)、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)[8](下稱細(xì)則)、《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B05—2013)[9]，對該項(xiàng)目V級圍巖淺埋段進(jìn)行安全計(jì)算分析，為該隧道工程選定合適的襯砌參數(shù)提供參考，保證在地震工況下結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可作為廣東省內(nèi)Ⅷ度地震烈度區(qū)域山嶺隧道工程的參考。

4.1 隧道概況

隧道位于廣東省汕頭市Ⅷ度地震烈度區(qū)域。該隧道為上、下行分離隧道，全長640 m，最大埋深約110 m，單洞凈寬14.16 m，凈高9.79 m，隧道線間距按一倍洞徑控制，為小凈距中隧道。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道城市主干路，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h。

本次計(jì)算段落為隧道V級圍巖淺埋段，為保證洞口V級圍巖淺埋段施工期間的臨時(shí)穩(wěn)定，采用交叉中隔墻法(CRD法)施工。

4.2 地質(zhì)概況

隧道通過地段穿越的地層巖性有第四系松散殘坡積碎石土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖。洞口段主要為Ⅴ級圍巖，進(jìn)出口處主要覆蓋有第四系松散殘坡積碎石土，因風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎。地下水類型主要為塊狀巖類裂隙水，常見流量在0.01～0.06 L/s，地下徑流模數(shù)為0.9～2.5 L/s，主要受大氣降水控制。

4.3 地震及區(qū)域穩(wěn)定

項(xiàng)目區(qū)基本地震烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。隧址區(qū)未見活動(dòng)性斷裂，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好。

5 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及理論

規(guī)范中9.2.1規(guī)定：深埋隧道中的整體式襯砌、淺埋隧道中的整體式或復(fù)合式襯砌的二次襯砌及明洞襯砌等宜采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算。本次計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)法，并根據(jù)細(xì)則中對于初期支護(hù)及二次襯砌的荷載承擔(dān)比例建議值，對該隧道V級圍巖淺埋段的二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

5.2 淺埋段設(shè)計(jì)參數(shù)

圍巖按照V級圍巖進(jìn)行計(jì)算，土體重度取20 kN/m3，計(jì)算摩擦角40°，二次襯砌厚度擬定采用d為0.5、0.6、0.7 m代表不同二襯剛度，二次襯砌荷載分擔(dān)比為0.65。

5.3 襯砌荷載計(jì)算

根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到小凈距隧道的荷載等效高度為43.46 m，而該隧道V級圍巖淺埋段的最大埋深為35 m，故小凈距隧道V級圍巖淺埋段最大計(jì)算埋深按35 m控制。根據(jù)規(guī)范中靜力法的規(guī)定，得出隧道不同部位所承受的計(jì)算圍巖壓力如下：隧道頂部豎向壓力分別為q1=510.2 kPa、q2=536.4 kPa；隧道左側(cè)水平壓力分別為e1拱頂=144.3 kPa、e1拱腳=202.4 kPa；隧道右側(cè)壓力分別為e2拱頂=130.7 kPa、e2拱腳=180.8 kPa。計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 圍巖壓力示意圖

地震作用如下，根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合進(jìn)行使用階段承載力計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)取值為0.43，水平基本地震動(dòng)加速度峰值A(chǔ)=0.2，豎向地震系數(shù)Kv=0.5，場地影響系數(shù)Cz=1.0，洞頂土體產(chǎn)生的豎向地震作用Fiv=24.87 kPa；洞頂土體產(chǎn)生的水平地震作用Fih=49.75 kPa ；外側(cè)土體產(chǎn)生的水平地震作用Δe2=10.8 kPa；內(nèi)側(cè)土體產(chǎn)生的水平地震作用Δe1=30.68 kPa。計(jì)算圖示如圖2所示。

圖2 地震荷載示意圖

5.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

本次計(jì)算取二次襯砌承擔(dān)65%的圍巖松散壓力，并與自重、地震作用進(jìn)行荷載組合。利用有限元分析軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，得到小凈距隧道V級圍巖淺埋段在各荷載組合下的襯砌內(nèi)力，計(jì)算模型及結(jié)果如圖3～圖6(展示計(jì)算結(jié)果為二襯厚度d=60 cm時(shí)偶然荷載組合的內(nèi)力)。

圖3 計(jì)算模型示意圖

圖4 變形包絡(luò)圖(單位：m)

圖5 彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖6 軸力包絡(luò)圖(單位：kN)

不同二襯厚度下的最不利工況位移、內(nèi)力分析見圖7～9，從圖可知，二襯厚度對拱頂?shù)奈灰?、?nèi)力影響最大，拱腰次之，對拱腳的影響最??；在一定范圍內(nèi)，隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加，變形減小，軸力減少，彎矩則增大。

圖7 二襯各點(diǎn)位移隨二襯厚度變化曲線

圖8 二襯各點(diǎn)彎矩隨二襯厚度變化曲線

圖9 二襯各點(diǎn)軸力隨二襯厚度變化曲線

6 安全性分析

該隧道二次襯砌擬采用C35混凝土，鋼筋擬采用C28@200，根據(jù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力分布情況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，可以得到最不利組合作用下，該隧道特征部位的結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)以及正常使用狀態(tài)時(shí)裂縫寬度，具體數(shù)據(jù)整理如圖10、圖11所示。

圖10 正常使用狀態(tài)下二襯各點(diǎn)裂縫寬度隨二襯厚度變化曲線

圖11 最不利工況二襯各點(diǎn)安全系數(shù)隨二襯厚度變化曲線

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)規(guī)定裂縫寬度不大于0.2 mm及《隧道規(guī)范》要求結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于2.4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各方案對比如下。

表1 各方案計(jì)算結(jié)果對比表

對隧道二襯結(jié)構(gòu)拱頂、拱肩、拱腳3處特征點(diǎn)的變形及受力情況進(jìn)行分析后認(rèn)為該隧道二襯結(jié)構(gòu)采用60 cm厚二襯C35混凝土，鋼筋采用C28@200是比較合適的。

7 抗震設(shè)防措施

(1)充分考慮剛度比，選取合適的初支二襯組合。

因?yàn)槎纯诙味酁檐浫鯂鷰r，遭遇地震作用時(shí)變形較大，單純地提高結(jié)構(gòu)剛度抵抗變形，結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力則越大，不利于抗震[10，11]。應(yīng)該根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)擬定幾組初支及二襯結(jié)構(gòu)，在充分考慮初支、二襯剛度比的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合，選取出最佳的初支-二襯組合。軟弱圍巖中采取更強(qiáng)的圍巖加固措施是抗震設(shè)計(jì)更好的選擇。

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，采用更靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過計(jì)算分析后，認(rèn)為上述隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)、拱腳及拱肩安全系數(shù)仍有較多富余，而拱頂安全性則剛好滿足，可進(jìn)一步優(yōu)化二襯主筋的布置，如在拱頂安全性富余不多處局部增設(shè)鋼筋。另外考慮到圍巖情況的漸變性，該襯砌結(jié)構(gòu)向洞內(nèi)深埋段或圍巖情況較好的地段延伸10 m。隧道經(jīng)過斷層的位置還應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并往兩側(cè)延伸。

(3)通過變形縫適當(dāng)釋放應(yīng)力。

在破碎圍巖段、軟弱圍巖段適當(dāng)加密變形縫，在不同隧道襯砌類型間設(shè)置沉降縫，協(xié)調(diào)地震時(shí)的變形，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

(4)調(diào)整隧道輪廓。

當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合常規(guī)隧道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)本項(xiàng)目計(jì)算分析可知，拱頂為隧道二襯的最不利位置，可采用更合理的內(nèi)輪廓提高拱頂安全系數(shù)，使結(jié)構(gòu)受力更合理，但同時(shí)需考慮內(nèi)輪廓對工程造價(jià)的影響。

(5)初支、二襯間設(shè)置減震層、調(diào)整圍巖-二襯間的剛度比。

8 結(jié)束語

介紹地震作用對隧道工程的影響機(jī)理及計(jì)算難點(diǎn)，總結(jié)出隧道抗震的設(shè)計(jì)思路。并依托廣東省汕頭市某小凈距隧道，進(jìn)行抗震計(jì)算分析。

(1)通過幾種二襯厚度的計(jì)算分析可認(rèn)為：二襯厚度對拱頂?shù)奈灰?、?nèi)力影響最大，拱腰次之，對拱腳的影響最小；在一定范圍內(nèi)，隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加，變形減小，軸力減少，彎矩則增大，所以單純加厚二襯來提高結(jié)構(gòu)安全性是不可行的。

(2)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視初支后圍巖與二襯的剛度比，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，二襯建議采取較“柔”的結(jié)構(gòu)，有利于釋放地震時(shí)圍巖震動(dòng)引起的應(yīng)力，同理，適當(dāng)設(shè)置變形縫也是釋放地震應(yīng)力的重要措施。

(3)由于地震作用具有偶然性，實(shí)際分析中難以較大程度地還原地震作用，目前的抗震措施主要是預(yù)防性的，以降低地震作用對結(jié)構(gòu)的影響為目標(biāo)，難以百分百消除地震作用對結(jié)構(gòu)的危害。