高地震區(qū)公路隧道抗震加固設(shè)計(jì)研究

摘要：地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及其安全性評(píng)價(jià)是隧道施工中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，加強(qiáng)這方面的研究具有非常重大的意義。目前我國有上千座鐵路、公路隧道都處在西部強(qiáng)震地帶，這一情況可以促進(jìn)隧道震害的研究工作，并且可以準(zhǔn)確地為抗震加固提供科學(xué)的數(shù)據(jù)資料。對于公路建設(shè)的選址和隧道設(shè)計(jì)、施工的開展都顯得特別重要，保證隧道工程抗震穩(wěn)定性，提高設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，既是對國家財(cái)政資金負(fù)責(zé)，也是對企業(yè)的市場信譽(yù)負(fù)責(zé)。

關(guān)鍵詞：隧道地震加固技術(shù)措施

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-198X(2012)03(c)-0000-00

隨著科技的飛速發(fā)展，以及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的基礎(chǔ)設(shè)施建投入的增加，地下空間開發(fā)和地下結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模正在日益擴(kuò)展，充分利用地下資源是未來城市及交通發(fā)展的趨勢。地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及其安全性評(píng)價(jià)是隧道施工中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，加強(qiáng)這方面的研究具有非常重大的意義。目前我國有上千座鐵路、公路隧道都處在西部強(qiáng)震地帶，這一情況可以促進(jìn)隧道震害的研究工作，并且可以準(zhǔn)確地為抗震加固提供科學(xué)的數(shù)據(jù)資料。對于公路建設(shè)的選址和隧道設(shè)計(jì)、施工的開展都顯得特別重要，保證隧道工程抗震穩(wěn)定性，提高設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，既是對國家財(cái)政資金負(fù)責(zé)，也是對企業(yè)的市場信譽(yù)負(fù)責(zé)。本文結(jié)合盾構(gòu)法施工原理，談?wù)劧軜?gòu)法在隧道設(shè)計(jì)建設(shè)中的應(yīng)用。

1盾構(gòu)隧道抗震計(jì)算方法

抗震設(shè)計(jì)是需要進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算。近年來，隧道的設(shè)計(jì)施工技術(shù)普遍應(yīng)用了復(fù)雜的橫截面和大尺寸橫截面的盾構(gòu)技術(shù)，要求在橫截面部位進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為慣例。但是在實(shí)際建設(shè)中，盾構(gòu)隧道和周邊土體之間的動(dòng)力相互作用是很復(fù)雜和不確定的，盾構(gòu)隧道橫向上抗震設(shè)計(jì)方法目前還沒有特別成熟的經(jīng)驗(yàn)，許多工程師和研究人員一直致力于此項(xiàng)技術(shù)的研究。由于分析結(jié)果復(fù)雜，成熟的、適用的抗震設(shè)計(jì)方法還沒有形成，處于研究階段。隧道的地震變形方法是一種靜力分析方法的體現(xiàn)。在靜力分析方法中，人們把自由土體反應(yīng)位移認(rèn)定為施加在隧道結(jié)構(gòu)上的地震荷載因素。最近一個(gè)時(shí)期，有人把此方法當(dāng)作盾構(gòu)隧道縱向抗震設(shè)計(jì)的適用方法。目前，我國在隧道縱向抗震分析中，設(shè)計(jì)使用方法一般有以下幾種：

(1)震度法。該種方法是將地震對隧道的影響看作隧道產(chǎn)生的慣性力，把這個(gè)慣性力作為外力增加為隧道的荷載，以靜力計(jì)算法獲取隧道的內(nèi)力、位移等響應(yīng)值，從而判斷其安全性；

(2)響應(yīng)位移法。響應(yīng)位移法認(rèn)為地震時(shí)，結(jié)構(gòu)的加速度及變形是因?yàn)橹車貙拥捻憫?yīng)而產(chǎn)生的，隧道作為一種結(jié)構(gòu)物與地層形成一個(gè)整體一起運(yùn)動(dòng)，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變，由于不同深度、位置處的地層位置，所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)與位移是不同的，使結(jié)構(gòu)物在相應(yīng)深度處被迫產(chǎn)生不同的位移和運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)物在此情況下承受由強(qiáng)制變形產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變 ；

(3)動(dòng)力反應(yīng)分析法，隧道作為一種地下結(jié)構(gòu)物，在其縱向分析中一般用的最多的是質(zhì)量彈簧模型法，其主要原理為：假定基巖上的表面地層作剪切振動(dòng)，我們把表面地層看做被分成多數(shù)垂直于隧道軸線的條帶分割，每個(gè)條帶用等效質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)(一個(gè)質(zhì)量、一個(gè)彈簧和一個(gè)把質(zhì)量與基巖相連的減振器組成)代表，再把相鄰的兩個(gè)質(zhì)量用彈簧和減振器連接后形成一個(gè)系統(tǒng)，建立該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程后，計(jì)算出每個(gè)質(zhì)量處的位移情況，然后按彈性地基梁理論計(jì)算隧道的位移和內(nèi)力的具體數(shù)據(jù) 。

上述三種方法中，都有各自的弊端，第一種方法就是普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震分析方法，這樣計(jì)算是不能反映出地下結(jié)構(gòu)本身所具有的特點(diǎn)，后面兩種方法是人們針對地下結(jié)構(gòu)本身固有的地震反應(yīng)特點(diǎn)而探索出來的，這兩種方法考慮了結(jié)構(gòu)與土層的相互作用問題，可對結(jié)構(gòu)本身反應(yīng)的計(jì)算方法仍然是利用靜力的彈性地基梁理論進(jìn)行的，所以對相互作用過程中的土的粘性阻尼的影響考慮顯得缺乏。

2盾構(gòu)隧道抗震措施的分析

采用盾構(gòu)法的隧道建設(shè)中，從目前業(yè)內(nèi)人士的研究狀況看所采用的抗震措施，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)對于襯砌位移的處理措施，襯砌最大位移差越大，則相對襯砌產(chǎn)生的應(yīng)力就越大。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意減小襯砌的最大位移差，這樣隧道襯砌承受的應(yīng)力會(huì)相應(yīng)的減小；

(2)減震的措施，隧道的減震設(shè)計(jì)中，減震層的彈性模量與圍巖彈性模量的差直接關(guān)系到減震效果，但在實(shí)際地下結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)師要考慮隧道在靜力作用下的荷載及變形情況，還要考慮減震層的剛度下限。對于軟質(zhì)圍巖，如果設(shè)置減震層，其效果不明顯，但是如果設(shè)置加固層的減震，那么所產(chǎn)生的效果就非常明顯了；在硬質(zhì)圍巖層面，設(shè)置減震層后，減震效果明顯提高，而設(shè)置加固層的減震效果有所減弱，施工時(shí)要保證注漿密實(shí)并且澆筑范圍要大些一些，其減震效果也就能夠非常好 。

3提高隧道抗震能力的措施

(1)選好地基

選擇一個(gè)最佳的建設(shè)位置，將隧道工程盡量建于均勻、穩(wěn)定的地基中，避開斷層，遠(yuǎn)離山坡坡面，繞開山坡不穩(wěn)定地段以及飽和砂土地基，以便能夠減少地震液化情況；

(2)勘測過程中盡量選取埋深較大的線形，使道路走向遠(yuǎn)離風(fēng)化巖層區(qū)；

(3)設(shè)計(jì)區(qū)間隧道轉(zhuǎn)角處的交角不可以太小，否則對抗震不利，應(yīng)加強(qiáng)隧道出入口處的抗震設(shè)計(jì)及施工；

(4)如果施工實(shí)際情況允許，施工過程中盡量采用暗挖法；

(5)施工中盡量減少土體不連續(xù)性對抗震能力的影響，如果施工區(qū)內(nèi)的土壤與巖石上或土體內(nèi)有巖石隆起部位，施工中應(yīng)在開挖范圍內(nèi)用土或集料進(jìn)行回填處理，以消除地基硬點(diǎn)的影響，避免或減少破壞發(fā)生率；

(6)設(shè)計(jì)采用抗震縫，也可以增加隧道管段間的柔性接頭等措施，從而實(shí)現(xiàn)降低隧道整體區(qū)間長度的目標(biāo)；

(7)提高施工質(zhì)量，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范施工，增加土體與隧道襯砌間的穩(wěn)定性和牢固性。

4盾構(gòu)隧道抗震加固措施

對于公路施工的線性，是人們無法控制的，尤其是不能因?yàn)榈卣饏^(qū)就不修路，所以加固隧道，保證公路的使用壽命，就要采取科學(xué)的措施。上文已經(jīng)對隧道的震害特點(diǎn)和抗震措施進(jìn)行了分析，具體可從以下幾方面實(shí)施：

(1)關(guān)于選擇隧道位置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇山坡穩(wěn)定、地質(zhì)條件較好的位置開挖，避免使隧道穿越不穩(wěn)定斷層地區(qū)。

(2)隧道的洞口必須避開容易發(fā)生滑坡、巖堆和泥石流的地段，這樣在一定程度上可以減少地震對公路的破壞。

(3)如果隧道經(jīng)過地帶是淺埋、偏壓以及破碎帶等不良地段時(shí)，設(shè)計(jì)施工方案可以在其襯砌背后進(jìn)行壓注水泥砂漿的辦法進(jìn)行加固處理。充分利用地下結(jié)構(gòu)比地面結(jié)構(gòu)抗震效果好的優(yōu)勢，借助先進(jìn)的技術(shù)，對公路隧道受地震嚴(yán)重破壞的預(yù)測要縝密，找出容易被破壞的原因，進(jìn)行有針對性的加固處理。

隧道是公路建設(shè)中一個(gè)重要的組成部分，既然避免不了就要保證設(shè)計(jì)的科學(xué)和施工質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)。雖然隧道的抗震效果比地面結(jié)構(gòu)要強(qiáng)，但是設(shè)計(jì)施工質(zhì)量也明顯低于地面工程。認(rèn)真應(yīng)對公路隧道受地震嚴(yán)重破壞的預(yù)期，制動(dòng)科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案，保證隧道抗震加固的效果。

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