地震對淺埋偏壓隧道破壞特點及動力響應研究

摘要 在地震作用下，坍塌失穩(wěn)是淺埋偏壓隧道最常見的病害之一，該文從洞口破壞和襯砌破壞兩方面分析了淺埋偏壓隧道的震害特點，并以某高速公路的淺埋偏壓隧道為依托，闡述地震波的選取和校正，基于FLAC3D構建三維隧道模型，探討淺埋偏壓隧道結構各個測點在不同地震工況下的主應力、加速度等，研究結論可為類似淺埋偏壓隧道項目建設提供指導。

關鍵詞 淺埋偏壓隧道；震害特性；FLAC3D；地震響應；減隔震

中圖分類號 U452 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0055-03

0 引言

由于我國處于地震多發(fā)帶，淺埋偏壓隧道在地震作用下容易出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌，影響行車安全，甚至造成嚴重的安全事故。諸多學者和工程技術人員也研究了地震對淺埋偏壓隧道的影響，崔光耀等[1]統(tǒng)計了汶川地區(qū)的震害，發(fā)現(xiàn)6度區(qū)的隧道基本無震害，當烈度超過8度時，震害明顯增加，同時，圍巖性能越差，尤其是V級、VI級的軟弱圍巖，淺埋偏壓隧道越容易破壞；喻雷[2]研究了隧道的地震動力響應和減震層參數(shù)對其應力的影響，進一步分析地震對淺埋偏壓隧道破壞特點及動力響應是技術人員需解決的重要問題。

1 淺埋偏壓隧道震害特點

由《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1 —2018）可知，當隧道埋深小于淺埋隧道分界高度Hp時，隧道為淺埋隧道。同時，修建在斜坡地形上的偏壓隧道，其結構受到的側向巖土壓力不均勻，受力和變形也不對稱。

在地震作用下，淺埋偏壓隧道更容易被破壞，該文統(tǒng)計了不同地區(qū)的淺埋偏壓隧道震害特征，將其劃分為洞口破壞和襯砌破壞兩類，具體特征闡述如下：

（1）洞口仰坡破壞。由于洞口裸露在隧道外，當仰坡覆蓋層較薄、地質條件較差時（比如松散堆積體或強風化巖石），其受到地震作用后，地震加速度有明顯的放大效應，仰坡巖土體容易崩塌、滑坡。

（2）洞門破壞。當隧道洞門覆蓋層較薄、圍巖較松散時，其受到地震作用后端墻容易開裂。在地震烈度較強時，洞門還會出現(xiàn)端墻斷裂、拱圈破壞等問題。

（3）襯砌開裂。洞口段襯砌開裂是淺埋偏壓隧道最常見地震害之一，開裂類型有環(huán)向裂縫、縱向裂縫、斜向開裂。襯砌開裂主要是因為隧道兩側巖體的相對運動，多發(fā)生于軟硬巖石交接位置、斷層破碎帶等圍巖質量較差的路段。

（4）襯砌掉塊、坍塌。當襯砌開裂較輕時，襯砌不會出現(xiàn)掉塊、坍塌，當襯砌受到地震力的循環(huán)作用時，裂縫長度和寬度不斷擴展，當襯砌裂縫尺寸擴展至某一臨界值時，襯砌混凝土就會開始掉塊、坍塌。

2 工程概況

該文以某高速公路上的淺埋偏壓隧道為研究對象，借助軟件FLAC3D建立計算模型，在模型中輸入地震波，模擬隧道在地震作用下的動力響應，為分析隧道破壞提供依據(jù)。

（1）隧道設計參數(shù)

該高速公路隧道的設計速度為120 km/h，雙向分離式4車道，全長350 m，最大埋深為60.5 m。隧道內(nèi)輪廓為三心圓斷面，隧道支護采用“初期支護+二次襯砌”，其中鋼拱架為工字鋼，間距55 cm；錨桿為直徑25 mm的注漿錨桿，長度為3.5 m；噴射混凝土采用C25混凝土，厚28 cm；二襯混凝土采用C35鋼筋混凝土，厚55 cm。

（2）地貌地質條件

經(jīng)勘察，隧道圍巖以強風化泥砂巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育、完整性較差、承載力較低，均劃定為V級圍巖，圍巖計算參數(shù)如下：重度為21.0 kN/m3、黏聚力為

22.5 kPa、內(nèi)摩擦角為26.0°，抗壓強度為33.2 MPa，泊松比為0.25。同時，隧道周邊的地表水體不發(fā)育，平均年降水量約1 000 mm左右，且雨季水量較大，會補給河流，并沿著圍巖裂隙滲入。

（3）地震參數(shù)

隧道所在地區(qū)的基本地震烈度為7度，但是高速公路隧道屬于重點設防工程，建議其抗震設防烈度提高至8度，動峰值加速度值取0.15 g（g取10 m/s2）。

3 淺埋偏壓隧道動力響應分析

3.1 地震波選取

（1）地震波輸入方式

在地震分析時，可將隧道結構視作多自由度彈性體系，對其開展時程分析時，需輸入地震加速度時程，其輸入方式有3種：一是直接輸入過去發(fā)生的地震波，比如EI波；二是收集實測地震記錄，結合隧道所在場地條件來調整加速度參數(shù)、修正頻率；三是將多個實際發(fā)生的典型視作相位角不同、頻率不同的三角函數(shù)進行迭代累加，并通過傅里葉變換法人工合成地震波。經(jīng)對比，輸入人工合成地震波能更全面地分析淺埋偏壓隧道的破壞特性，應優(yōu)先選擇。

（2）地震波濾波和校正

濾波可使用FLAC3D軟件中內(nèi)置的三角級數(shù)法（FFT.fis）來過濾掉地震波中的高頻分量，以增大模型計算所需的最小網(wǎng)格尺寸，減少單元劃分數(shù)量，提高計算效率；同時，加速度時程曲線會隨時間增加而振動，逐漸偏移基線，即基線漂移，影響計算結果。鑒于此，可采用最小二乘法對時程曲線的基線進行校正。

3.2 計算模型建立

（1）幾何模型

為了提高FLAC3D軟件的建模效率，可先在ANSYS建立幾何模型，再將模型的單元信息、節(jié)點信息通過“ANSYS To FLAC3D”轉換接口導入到FLAC3D軟件中，如圖1所示。隨后，約束模型底邊界的位移，約束模型前、后、左、右邊界的側向位移，模型頂面為自由邊界，位移無約束[3]。

（2）網(wǎng)格尺寸

在隧道抗震計算時，模型網(wǎng)格尺寸越小，計算結果越準確，但網(wǎng)格尺寸過小，可能導致軟件計算長時間不收斂，模型的網(wǎng)格尺寸可根據(jù)地震波的頻率和波長確定，見公式（1）：

（1）

式中：Δl——網(wǎng)格尺寸（m）；λ——地震波最高頻率對應的波長（m）。

經(jīng)計算，該隧道最大網(wǎng)格尺寸為1.5 m。圖1中的網(wǎng)格尺寸均＜1.5 m，建模精確度可滿足抗震計算要求[4]。

（3）強度準則

在計算時假設隧道圍巖是均勻、連續(xù)、各向同性的巖體，可用實體單元模擬，其應力狀態(tài)可用Hoke-Brown強度準則來計算，見公式（2）。為便于分析淺埋偏壓隧道的動力響應，按圖2布置應力監(jiān)測點，注意大主應力為“+”，小主應力為“－”。

（2）

式中：σ1、σ3——巖體大主應力、小主應力（MPa）；m、s——計算系數(shù)；σci——巖體單軸抗壓強度（MPa）。

3.3 地震作用下隧道動力響應結果

（1）應力響應

利用FLAC3D軟件計算了淺埋偏壓隧道襯砌結構各個關鍵點的最大（?。┲鲬俺霈F(xiàn)時間，計算結果如表1所示。

由表1可知：在2.9 s時，隧道的A7監(jiān)測點（左拱腳）最早出現(xiàn)了最大主應力，經(jīng)過0.1 s后，A5監(jiān)測點（右拱腳）也出現(xiàn)了最大主應力。在后續(xù)7 s時間內(nèi)，A3監(jiān)測點、A6監(jiān)測點、A4監(jiān)測點、A1監(jiān)測點、A8監(jiān)測點、A2監(jiān)測點陸續(xù)達到了最大主應力，繼而出現(xiàn)了損傷開裂現(xiàn)象。在40 s左右地震停止，A1～A8監(jiān)測點的最大主應力均大幅降低，并穩(wěn)定在1.0 MPa左右，此外A1～A8監(jiān)測點的最小主應力均出現(xiàn)在5.5 s左右。在5.5 s后，各個監(jiān)測點的最小主應力略有波動，并趨于穩(wěn)定。

（2）加速度響應

以A1監(jiān)測點為例，利用FLAC3D軟件計算了其不同的震動峰值加速度值下的加速度，并計算了加速度方案系數(shù)，如表2所示。

由表2可知：隨著地震動峰值加速度的增加，淺埋偏壓隧道的A1監(jiān)測點加速度不斷增大，但放大系數(shù)呈“先增大后減小”的趨勢。當計算工況從0.05 g增加至5.0 g時，A1監(jiān)測點的加速度增加了5.48 m/s2。當計算工況＜0.3 g時，A1監(jiān)測點的加速度方案是增加的。在計算工況為0.3 g時，A1監(jiān)測點的加速度放大系數(shù)達到峰值1.43，此時淺埋偏壓隧道更容易損壞。

3.4 淺埋偏壓隧道減震結果

結合相關研究成果，地震波是優(yōu)先沿著剛度較大的介質進行傳播的，為防止淺埋偏壓隧道損傷破壞，可在襯砌與隧道圍巖間設置輕質、柔性的減震層。當?shù)卣饋砼R時，減震層可吸收地震波能量，以降低其對隧道的影響，減震層可采用橡膠材料，其與圍巖、襯砌之間的接觸面可用彈簧來模擬。以A1監(jiān)測點為例，利用FLAC3D軟件分析了淺埋偏壓隧道最大主應力在不同減震層厚度下的變化趨勢，計算結果如圖3所示。

由圖3可知：設置減震層后，A1監(jiān)測點的最大主應力不斷減小，但減小速率不均勻，當減震層厚度從0增加至20 cm時，最大主應力分別減小了0.22 MPa、0.21 MPa、

0.06 MPa、0.01 MPa，減小幅度分別為10.5%、10.0%、2.9%、0.5%。當減震層厚度超過15 cm時，最大主應力基本不再變化，說明減震層厚度并不是越大越好，在設計時盡量取15 cm左右。

4 結論

該文研究了淺埋偏壓隧道的震害特點，以某高速公路上的淺埋偏壓隧道為研究對象，分析了其在地震作用下的動力響應，得到以下結論：

（1）在地震作用下，淺埋偏壓隧道容易出現(xiàn)洞口仰坡破壞、洞門破壞、襯砌開裂、襯砌掉塊和坍塌等問題。

（2）地震波輸入可選擇人工合成波，并基于三角級數(shù)法、最小二乘法等對其開展濾波和基線校正。

（3）淺埋偏壓隧道的拱腳最先出現(xiàn)最大主應力，但各個監(jiān)測點的最小主應力出現(xiàn)時間基本在地震發(fā)生5.5 s左右。

（4）為了防止淺埋偏壓隧道出現(xiàn)損壞，可在襯砌與隧道圍巖間設置橡膠減震層，減震層厚度可取15 cm左右。

參考文獻

[1]崔光耀，伍修剛，王明年，等.汶川地震區(qū)跨斷層帶公路隧道震害形成機理分析[J].中國地質災害與防治學報， 2018（2）：108-114.

[2]喻雷.淺埋偏壓隧道不同減震措施的減震效果研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學， 2021.

[3]王維.地震作用下偏壓山嶺隧道洞口段襯砌結構動力響應特征及其減震技術研究[D].青島：山東科技大學， 2020.

[4]吳建翰.淺埋偏壓洞口段隧道襯砌地震損傷特性研究[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學， 2020.

[5]張治國，姜蘊娟，劉明，等.考慮黏聚力及地震力的淺埋偏壓隧道圍巖壓力[J].中國礦業(yè)大學學報， 2018（4）：780-790.

收稿日期：2024-06-07

作者簡介：胡俊偉（1992—），男，碩士研究生，工程師，從事隧道工程設計。