強(qiáng)震區(qū)隧道軟弱圍巖洞口段注漿加固抗震效果分析

崔光耀,韋宜霏,王明勝,王天群

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144;2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000;3.北京市政路橋股份有限公司,北京 100045)

隧道是交通發(fā)展的一個重要組成部分,具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)效應(yīng),對于交通的發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。近年來,我國地下工程的建設(shè)取得很大的成就,技術(shù)有了飛速的發(fā)展。隨著時代的變化,交通發(fā)展愈加便利,隧道也愈發(fā)重要。

洞口段作為隧道的進(jìn)口,是隧道的重要組成部分,隧道洞口段作為隧道的暴露部分,是受損最嚴(yán)重的部位,因此國內(nèi)外不少學(xué)者把研究的重點放在了洞口段的抗震問題上,同時關(guān)注隧道洞口段的穩(wěn)定性[1]。根據(jù)地震災(zāi)害研究調(diào)查,隧道的洞口段災(zāi)害嚴(yán)重,并且根據(jù)汶川地震、日本阪神地震等災(zāi)后隧道洞口結(jié)構(gòu)分析,隧道硬巖洞口段基本都無震害,而軟巖洞口段出現(xiàn)襯砌錯臺、垮塌等嚴(yán)重的震害[2-4]。在發(fā)生地震時,隧道洞口段覆蓋層為軟巖,軟硬交界面會導(dǎo)致覆蓋層內(nèi)的縱向位移發(fā)生突變,這種強(qiáng)制位移和地震慣性力會對洞口段隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,而覆蓋層為硬巖時,結(jié)構(gòu)受慣性力和強(qiáng)制位移影響均較小[5-8]。因此對于洞口段為軟弱圍巖的隧道的抗震設(shè)計尤為重要。目前,國內(nèi)外專家學(xué)者對此方面的相關(guān)研究有:依托雅安至瀘沽高速公路某隧道工程為研究對象,采用全環(huán)間隔注漿預(yù)加固方案進(jìn)行動力響應(yīng)分析,起到抗震的作用[9];根據(jù)宋家山隧道洞口段圍巖的實際情況,討論了注漿加固洞口段圍巖的抗震性能[10];依托川藏鐵路拉林段藏噶隧道為研究對象,采用全斷面帷幕注漿預(yù)加固方案可有效控制圍巖破裂面與松動區(qū)的發(fā)育[11];通過對雅瀘高速某山嶺隧道進(jìn)行研究,利用大型振動臺,對隧道洞口段采用大阻尼結(jié)構(gòu)減震層,有很好的抗、減震效果[12];通過進(jìn)行大型振動臺模型試驗,對隧道洞口段加強(qiáng)襯砌仰拱、拱腳等下部結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計,能提高抗震性能[13]。綜上,有關(guān)洞口段的抗震設(shè)計已經(jīng)有了比較深入的研究,但對于隧道洞口段軟弱圍巖的有關(guān)抗震設(shè)計研究相對較少。因此本文以葫蘆絲隧道洞口段為研究對象,利用FLAC3D計算軟件對洞口段采取全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿兩種抗震措施,對隧道抗震性能進(jìn)行分析研究,研究結(jié)果可以為類似的洞口段軟弱圍巖抗震設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

葫蘆絲隧道全長為5280m,隧道洞口段埋深10～50m,圍巖為全、強(qiáng)、中風(fēng)化混合花崗巖,巖體呈礫砂狀散體結(jié)構(gòu),風(fēng)化裂隙發(fā)育,顆粒間結(jié)合差,為Ⅴ級圍巖。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)

葫蘆絲隧道選用復(fù)合式襯砌作為洞口段支護(hù)結(jié)構(gòu),初期支護(hù)的厚度為0.27m,二次襯砌的厚度為0.5m。初支噴射C20素混凝土,二襯結(jié)構(gòu)選取C25鋼筋混凝土。

2 計算情況

2.1 計算模型

以葫蘆絲隧道洞口段為研究背景,建立計算模型。隧道洞寬11m,隧道洞口至左、右側(cè)邊界均為40m,埋深至上邊界垂直距離25m,隧道底部的基巖厚度為30m。模型的邊界條件為:上邊界無約束,四周和下邊界全約束。計算模型如圖1所示。

圖1 葫蘆絲隧道洞口段計算模型圖

2.2 計算參數(shù)

模型的計算參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)措施

2.3 動力參數(shù)

此模型選用四周自由場邊界條件進(jìn)行模擬計算,局部阻尼作為計算參數(shù),系數(shù)為0.1571。選用常規(guī)動力加載方式,按9度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化,試驗過程中采用的地震波為在汶川地震中臥龍站測量的三向加速度波,該地震波按照X軸Y軸以及Z軸三個方向在模型結(jié)構(gòu)中由下向上傳遞,持續(xù)時間15秒[14]。為了獲得質(zhì)量更好的加速度時程曲線,通常需要利用特定軟件對曲線進(jìn)行濾波和基線校正處理。圖2為處理后地震波加速度隨時間變化曲線。

(a)X方向

(a)工況一

2.4 計算工況

為了對不同措施的抗震效果進(jìn)行分析,現(xiàn)設(shè)置3種計算工況,工況一為無措施,工況二為全環(huán)接觸注漿,工況三為全環(huán)間隔注漿。計算工況見表2所示,計算工況示意如圖2所示。

表2 計算工況統(tǒng)計表

2.5 測點布置

將監(jiān)測點布置在隧道洞口段中部,取洞口段二次襯砌的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳、仰拱、左拱腳、左邊墻、左拱肩8個測點進(jìn)行監(jiān)測,測點的布置如圖4所示。

圖4 二襯結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置圖

3 抗震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

通過FLAC3D對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算,提取各個工況隧道洞口段的位移云圖(以Z軸方向為例),如圖5所示。

(a)工況一

整理各工況位移情況,提取二襯結(jié)構(gòu)的位移最大值,并計算兩種抗震措施作用下的抗震效果,具體參數(shù)見表3。

表3 二襯結(jié)構(gòu)的最大位移及控制效果

由圖5以及表3可知,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿兩種抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)三個方向的最大位移值均有下降。在工況二中,橫向最大位移減少0.09mm,抗震效果提高10.98%,縱向最大位移下降0.23mm,抗震效果提高了63.89%,豎向最大位移下降1.48mm,抗震效果提高了36.10%;采用全環(huán)間隔注漿措施后,橫向最大位移減少了0.04mm,抗震效果提高了4.88%,縱向最大位移下降了0.11mm,抗震效果提高了30.56%,豎向最大位移下降了0.89mm,抗震效果提高了21.71%。綜上所述,采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)的橫向、縱向以及豎向最大位移均有減小,通過對比最大位移的減小百分比,使用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.2 邊墻收斂

分析二襯結(jié)構(gòu)邊墻收斂值,提取三個工況邊墻最大收斂值,并分析抗震效果,數(shù)值及計算結(jié)果見表4。

表4 最大邊墻收斂及抗震效果

由表4可知,采用工況二和工況三兩種抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)的邊墻最大收斂值均有下降。在采用全環(huán)接觸注漿措施后,最大收斂值減少了0.48mm,抗震效果提高了19.12%;在采用全環(huán)接觸注漿后,最大收斂值減少了0.27mm,抗震效果提高了10.76%。綜上所述,采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,二次襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻收斂降低,通過分析對比,洞口段采用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.3 內(nèi)力分析

提取二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點內(nèi)外單元應(yīng)變值,根據(jù)下述材料力學(xué)公式(1)(2)計算二次襯砌各測點位置處的軸力及彎矩值。

(1)

(2)

式(1)、式(2)中,N—軸力;M—彎矩;E—彈性模量;ε內(nèi)、ε外—結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變;b—截面寬度,取1m;h—截面厚度取0.45m。

各測點軸力及彎矩時程曲線如圖6所示(以工況二仰拱的監(jiān)測點為例)。

(a)軸力

選取三個工況各測點軸力和彎矩絕對值的最大值,如圖7所示。

(a)軸力

整理各工況內(nèi)力數(shù)值,以工況一為對照,根據(jù)內(nèi)力情況比較兩種抗震措施的抗震效果,計算結(jié)果見表5、表6所示。

表5 各工況下最大軸力及抗震分析

表6 各工況下最大彎矩及抗震分析

由上述計算結(jié)果可知,采用全環(huán)接觸注漿時,各個測點的軸力、彎矩值均有下降,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了34.91%,對于彎矩,抗震效果提高了56.86%;采用全環(huán)間隔注漿時,雖然左邊墻、右邊墻處軸力略微增大,但整體抗震效果提升明顯,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了11.79%,對于彎矩,抗震效果提高了32.14%。綜上所述,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿后,均有較好的抗震效果,并且相比于全環(huán)間隔注漿,采用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好一些。

3.4 安全系數(shù)分析

根據(jù)下述公式(3)(4)計算各測點的安全系數(shù)[15]。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)、式(4)中,K—結(jié)構(gòu)安全系數(shù);φ—構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù);α—軸向力的偏心影響系數(shù);Ra—混凝土的抗壓極限強(qiáng)度;Rl—混凝土的抗拉極限強(qiáng)度;e0—截面偏心距。監(jiān)測點的安全系數(shù)如圖8所示(以工況二仰拱為例)。

圖8 仰拱處安全系數(shù)時程曲線

統(tǒng)計并記錄各監(jiān)測點最小安全系數(shù),如圖9所示。

圖9 各工況測點最小安全系數(shù)對比

整理各工況最小安全系數(shù),分析比較兩種抗震措施的抗震效果,計算結(jié)果見表7所示。

表7 各工況下最小安全系數(shù)及抗震分析

由表7可知,三種工況的最小安全系數(shù)依次為2.29、5.13、4.19,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,安全系數(shù)均有明顯的提高,并且在采用接觸注漿的抗震措施后,平均全系數(shù)提高了44.73%,略高于安全系數(shù)提高了28.01%的間隔注漿抗震措施。

4 結(jié)論

(1)由結(jié)構(gòu)位移分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了10.98%、63.89%,、36.10%;采用全環(huán)間隔注漿措施后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了4.88%、30.56%、21.71%。

(2)由邊墻收斂分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,抗震效果提高了19.12%;采用全環(huán)間隔注漿后,抗震效果提高了10.76%。

(3)由內(nèi)力分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了34.91%、56.86%;采用全環(huán)間隔注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了11.79%、32.14%。

(4)由安全系數(shù)分析可得,采用接觸注漿,安全系數(shù)提高了44.73%,采用間隔注漿,安全系數(shù)提高了28.01%。綜上,接觸注漿抗震措施對結(jié)構(gòu)的位移控制的更好,同時在控制邊墻收斂方面更優(yōu)。因此,相比于全環(huán)間隔注漿的抗震措施,采用全環(huán)接觸注漿的抗震措施更好一些。