上軟下硬地層小凈距雙線矩形隧道減震措施研究

崔光耀，熊 泳，郭艷軍

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.中國電建集團四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的交通基礎設施建設持續(xù)深入發(fā)展。隧道作為交通基礎設施的重要組成部分，其抗震性能將直接影響交通的正常運行[1]。因此，提高隧道的抗震性能變得尤為重要。

目前，國內(nèi)主要有兩種途徑來提高隧道的抗震性能，一是結構加固或圍巖加固[2]，二是施作減震層、減震縫[3]。兩種途徑各有利弊[4]，要保障強震區(qū)隧道的結構安全性，需要選擇合適的抗減震措施。

國內(nèi)外學者都對隧道減震層進行了諸多的研究，研究的主要方面有：通過數(shù)值模擬和振動臺試驗，對減震層的減震機制進行了研究[5]；通過振動臺試驗，研究了減震層對襯砌裂縫數(shù)量的影響，結果表明設置減震層能有效抑制襯砌開裂[6]；通過數(shù)值模擬，研究了減震層厚度對減震效果的影響[7]；通過振動臺試驗，研究了減震層對結構位移、應力、加速度響應的影響，結果表明減震層能有效改善結構的受力性能，協(xié)調(diào)隧道的整體變形，降低襯砌的內(nèi)力[8]；通過模型試驗，研究了不同減震層材料對減震效果的影響[9-10]；通過模型試驗，研究了斷層條件下減震層的減震效果[11-12]；通過數(shù)值模擬，研究了軟硬圍巖交界面的傾角對減震層減震效果的影響[13-14]。上述研究主要集中在減震層的減震原理、減震層的材料和厚度以及不良地質(zhì)條件下減震層的減震效果等方面，但是在雙線矩形隧道減震層的施設方式方面研究卻很少。

因此，本文依托某小凈距雙線矩形隧道工程，通過FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，研究了上軟下硬復合地層減震層的施設方式對減震效果的影響，研究結果可以為類似工程抗震設防設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

隧址區(qū)的地層主要分為兩層，上層是素填土和粉質(zhì)粘土，為Ⅴ級圍巖；下層是中風化的花崗巖，巖性較好，為Ⅱ級圍巖。

1.2 隧道結構

該隧道為小凈距雙線矩形隧道，單個矩形隧道寬度為12.6m，高度為7.65m，兩隧道凈距為6m。隧道襯砌采用C25混凝土澆筑，厚度為0.5m。

2 計算概況

2.1 計算模型

根據(jù)該工程資料建立計算模型，該隧道埋深5.5m，計算模型的橫向長度取90m，豎向長度取43.05m。五級圍巖與二級圍巖均為水平地層，層理面距地面9.3m。將減震層設置在圍巖與襯砌之間，厚度選用0.1m。

使用有限差分軟件FLAC3D進行建模，土體使用彈塑性模型，采用摩爾-庫倫屈服準則，隧道襯砌采用彈性模型。模型計算分兩部分進行，第一部分為靜力計算，此時四周與下邊界全約束，上邊界放松；第二部分為動力計算，此時模型四周采用自由場邊界，下邊界采用靜態(tài)邊界，動力阻尼為0.1571。動力計算時地震波從模型下邊界輸入。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 地震波參數(shù)

地震波選用8度汶川地震波，加載時間為14.98s，并對地震波進行濾波與基線矯正，得到的地震波的加速度時程曲線(以x方向為例)如圖2所示。

圖2 加速度時程曲線

2.3 計算參數(shù)

圍巖參數(shù)根據(jù)該工程地質(zhì)勘察資料確定，混凝土參數(shù)參考《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)[15]，減震層參數(shù)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測得。具體參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.4 計算工況

為研究復合地層中減震層的減震效果，分別在軟土層、襯砌底部、襯砌全環(huán)設置減震層。減震層為海綿橡膠板，厚度為10cm，計算工況詳情如表2、圖3所示。

表2 計算工況

(a)工況1(b)工況2(c)工況3(d)工況4圖3 工況設置圖(紅色為減震層)

2.5 測點設置

為反應矩形隧道的結構動力力學響應，在隧道的拱頂、仰拱、左拱肩、右拱肩、左邊墻、右邊墻、左拱底、右拱底位置設置監(jiān)測點，具體布置情況如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點布置圖

3 計算結果及分析

3.1 橫向位移分析

提取各工況襯砌橫向位移進行分析，結果如圖5所示。

(a)工況1

提取各工況的結構最大橫向位移，計算工況2-工況4橫向位移的減震效果(與工況1對比)，計算結果如表3所示。

表3 橫向位移及減震效果

由表3可知，與工況1相比，結構橫向位移在施加減震層后均有所減小，其中半包減震層可使橫向位移減小29.9%；墊層減震層可使橫向位移減小23.5%；全環(huán)減震層可使橫向位移減小19.5%。從橫向位移角度分析，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。

3.2 拱頂位移分析

拱頂位移是衡量結構變形的重要因素，提取各工況下結構的拱頂位移最大值，并計算工況2-工況4拱頂位移的減震效果(與工況1對比)，計算結果如表4所示。

表4 拱頂位移及減震效果

由表4可知，與工況1相比，拱頂位移在施加減震層后均有所減小，其中半包減震層可使拱頂位移減小22.9%；墊層減震層可使拱頂位移減小13.7%；全環(huán)減震層可使拱頂位移減小20.6%。從拱頂位移角度分析，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。

3.3 主應力分析

提取各工況最大與最小主應力進行分析，結果如圖6、圖7所示。其中主應力受拉為正，受壓為負。

(a)工況1(b)工況2(c)工況3(d)工況4圖6 最大主應力云圖

(a)工況1(b)工況2(c)工況3(d)工況4圖7 最小主應力云圖

提取各工況下襯砌的最小、最小主應力，并計算工況2-工況4主應力的減震效果(與工況1對比)，計算結果如表5所示。

表5 主應力及減震效果

由表5可知，與工況1相比，設置減震層可以減小襯砌的最大、最小主應力，其中半包減震層可以使最大、最小主應力降低26.1%和8%；墊層減震層可以使最大、最小主應力降低10.8%和1.3%，全環(huán)減震層可以使最大、最小主應力降低22.5%和4.7%。從最大、最小主應力方面分析，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。

3.4 最大剪應力分析

提取各工況最大剪應力，結果如圖8所示。

(a)工況1(b)工況2(c)工況3(d)工況4圖8 最大剪應力云圖

提取各工況下襯砌的最大剪應力，并計算工況2-工況4剪應力的減震效果(與工況1對比)，計算結果如表6所示。

表6 最大剪應力及減震效果

由表6可知，與工況1相比，設置減震層可以減小襯砌的最大剪應力，其中半包減震層可使最大剪應力降低8.1%，全環(huán)減震層可使最大剪應力降低1.4%，墊層減震層可使最大剪應力降低4.8%。從最大剪應力方面分析，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。

3.5 安全系數(shù)分析

按公路隧道設計規(guī)范[16]計算隧道襯砌結構安全系數(shù)，提取各工況隧道截面最小安全系數(shù)，并計算工況2-工況4最小安全系數(shù)的減震效果(與工況1對比)，計算結果如表7所示。

表7 最小安全系數(shù)及減震效果

由表7可知，與工況1相比，設置減震層可以提高襯砌的安全系數(shù)，其中半包減震層可以使最小安全系數(shù)提高44.2%，墊層減震層可以使最小安全系數(shù)提高5.0%，全環(huán)減震層可以使最小安全系數(shù)提高30.4%。安全系數(shù)可以直觀反映結構的安全程度，從安全系數(shù)方面分析，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。

4 結論

(1)從位移方面考慮，半包、墊層、全環(huán)減震層，分別可以使橫向位移減小29.9%、23.5%、19.5%；使拱頂位移減小22.9%、13.7%、20.6%。

(2)從應力方面考慮，半包、墊層、全環(huán)減震層分別可以使最大主應力降低26.1%、8.0%、8.1%；使最小主應力降低10.8%、1.3%、1.4%；使最大剪應力降低22.5%、4.7%、4.8%。

(3)從安全系數(shù)方面考慮，半包、墊層、全環(huán)減震層分別可以使安全系數(shù)提高44.2%、5.0%、30.4%。綜上，施設半包減震層的減震效果最優(yōu)。推薦該工程在軟土層位置設置減震層進行抗震設防。