罕遇地震隧道動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋技術

崔光耀，趙瑞華，劉維東，王明年，林國進

（1.北方工業大學建筑工程學院，北京 100144；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；3.四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院，成都 610041）

罕遇地震隧道動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋技術

崔光耀1，趙瑞華1，劉維東1，王明年2，林國進3

（1.北方工業大學建筑工程學院，北京 100144；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；3.四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院，成都 610041）

為改變隧道洞口段抗震“大震偏弱”的現狀，引入了二襯防垮塌單層配筋抗震技術，與傳統的雙層配筋抗震技術相配合，共同進行隧道動力學洞口段的抗震設防設計。根據公路和鐵路隧道現行抗震規范規定，提出了隧道動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋準則，并利用有限差分數值模擬技術研究了防垮塌抗震配筋適用范圍，研究結果表明：設防烈度7度情況下，洞口淺埋段采用單層配筋抗震技術，洞口影響過渡段不需采取抗震設防措施；設防烈度8度情況下，洞口淺埋段采用雙層配筋抗震技術，洞口影響過渡段采用單層配筋抗震技術；設防烈度9度況下，洞口淺埋段和洞口影響過渡段均采用雙層配筋抗震技術進行抗震設防。研究成果對隧道動力學洞口段抗震技術的發展具有重要的意義。

罕遇地震；動力學洞口段；防垮塌；單層配筋；雙層配筋

我國隧道大量修建在20世紀90年代以后，2008年5月12日前尚未經受過破壞性地震的考驗。我國公路和鐵路隧道抗震設防現行規范是《公路工程抗震設計規范》（JTJ 004－89）和《鐵路工程抗震設計規范》（GB50111－2006）隧道部分，兩規范中均規定隧道洞口淺埋段為抗震設防地段，通常采用二襯雙層配筋進行抗震設防［1－2］。

汶川地震前，多遇地震或設防地震情況下隧道震害表明：洞口淺埋段（抗震設防段）隧道結構無震害或可維修輕微震害，無襯砌垮塌或圍巖垮塌等嚴重震害；普通段隧道基本無震害［3－4］。

動力學隧道洞口段包括洞口淺埋段（靜力學洞口段）和洞口影響過渡段［5－6］。

5.12汶川地震對我國隧道進行了一次實實在在的檢驗，在這次地震中首次出現了隧道受到嚴重破壞的情況，如龍溪隧道F8斷層段出現了圍巖垮塌的嚴重震害，堵塞了隧道。汶川地震隧道震害表明：罕遇地震情況下，隧道洞口淺埋段由于采取了抗震設防措施（雙層配筋），二襯僅出現開裂、滲水，混凝土剝落、掉塊，施工縫開裂等震害，未出現二襯垮塌、圍巖垮塌等嚴重的震害類型；隧道洞口影響過渡段出現了二襯垮塌的嚴重震害類型，如龍溪隧道洞口影響過渡段二襯垮塌嚴重（圖1）［5－8］。

圖1 龍溪隧道洞口影響過渡段二次襯砌垮塌Fig.1 Secondary lining collapse of Longxi tunnel portal transition section

綜上所述，多遇地震或設防地震情況下，現行隧道抗震設防規范是偏于安全的。罕遇地震情況下，隧道洞口淺埋段出現了較嚴重的震害，但未出現二襯垮塌等危害洞內人員和車輛安全的嚴重震害；隧道洞口影響過渡段出現了二襯垮塌等危害行車安全的嚴重震害。也即現行隧道動力學洞口段抗震處于“大震偏弱”的狀態，未滿足“大震不垮”的設防目標。為解決這一難點，引入單層配筋抗震技術，與雙層配筋抗震技術相配合，共同進行抗震設防設計。

單層配筋指僅在二襯臨空面側布置鋼筋，其作用主要是環箍和拉扯震時碎裂的混凝土塊，盡可能減小震時二襯垮塌的范圍和程度，保護洞內人員和車輛的安全。單層配筋與雙層配筋的區別：單層配筋是構造配筋；雙層配筋是受力配筋。單層配筋構造示意如圖2所示。

目前，隧道抗震措施主要是加強配筋、提高襯砌混凝土標號及采用新的襯砌材料（如鋼纖維混凝土襯砌）等。國內外有關專家、學者［6，9－15］對隧道抗震技術的研究，主要集中在設防地震情況下隧道結構的抗震技術，而對罕遇地震情況下隧道結構抗震技術研究很少。本文以汶川地震隧道震害為研究背景，采用雙層配筋和單層配筋相配合的抗震配筋技術，對罕遇地震情況下隧道動力學洞口段二襯結構防垮塌抗震配筋技術進行研究，這對隧道動力學洞口段抗震技術的發展具有重要的意義。

圖2 二襯單層配筋示意圖Fig.2 Sketch of second liner monolayer reinforcement

1 防垮塌抗震配筋準則

我國公路和鐵路隧道抗震設防現行規范對二襯結構強度驗算要求是一致的，見表1［1－2］。

表1 結構強度安全系數Tab.1 Safety factor of structural strength

由表1可知，當二襯結構安全系數小于鋼筋混凝土襯砌規定值時，需要對二襯進行雙層配筋設計，以達到設防地震烈度（設防烈度）情況下震時結構安全的設防目的；當二襯結構安全系數介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結構安全系數規定值之間時，采用橫向單層配筋結合現行拱部縱向構造配筋方式，確保設防烈度條件下震時結構安全的設防目的，并起到在罕遇地震烈度（罕遇烈度）條件下，防止二襯垮塌，危害震時洞內人員和車輛安全的目的；當二襯結構安全系數大于素混凝土襯砌結構安全系數規定值時，不需采取抗震措施進行抗震設防。故動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋準則見表2。

表2 二襯防垮塌抗震配筋準則Tab.2 Aseism ic reinforcement criterion of second liner collapse control

2 工程案例分析

2.1 計算模型

為了分析隧道動力學洞口段二襯結構防垮塌抗震配筋（雙層配筋和單層配筋）適用范圍，利用有限差分數值計算方法進行三維動力學數值分析。計算模型以龍溪隧道汶川端為背景進行建模，長為250m，高為160 m，縱向長度為100 m。初支為C20噴射混凝土，厚20 cm；二襯為C25模注混凝土，厚40 cm。如圖3～4所示［5］。

計算模型洞口段坡度為35°，覆蓋層厚30 m，Ⅴ級圍巖。硬巖為IV級圍巖，基巖為Ⅱ級圍巖。計算模型物理力學參數見表3。

表3 計算模型物理力學參數Tab.3 Physico-mechanical parameters ofm odel

圖3 計算模型示意圖（單位：m）Fig.3 Sketch of calculationmodel（unit：m）

圖4 計算模型Fig.4 Computation model

2.2 動力邊界及阻尼

計算模型采用理想彈塑性本構模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb強度準則，動力邊界采用自由場邊界。阻尼采用Rayleigh阻尼，Rayleigh阻尼主要包括體系的基頻ωmin和臨界阻尼比ξmin。由模態分析計算可知，基頻ωmin為6.4 Hz；根據工程經驗，臨界阻尼比ξmin取為0.05。

2.3 計算工況及地震動參數

多遇地震烈度（多遇烈度）為建筑所在地區在設計基準期內出現頻度最高的烈度，超越概率為63.2%，為抗震設防第一水準烈度，也稱小震烈度，重現期為50年。設防烈度在設計基準期內超越概率約10%，為抗震設防第二水準烈度，也稱中震烈度，重現期為475年。罕遇烈度在設計基準期內超越概率為2%～3%，為抗震設防第三水準烈度，也稱為大震烈度，重現期約為2000年。根據概率分布分析，設防烈度比多遇烈度大1.55度，罕遇烈度比設防烈度大1度［6，10］。

研究隧道動力學洞口段二襯結構防垮塌抗震配筋適用范圍的計算工況可見表4。

表4 計算工況Tab.4 Calculation condition

地震動參數選用5.12汶川8.0級地震臥龍測站地震波，時間間隔為0.005 s，計算選用地震波持時為40 s（截取了能量占原始波90%以上的5～45 s原波）。按8、9、10度烈度標準化，并對地震波加速度時程進行基線校正，如圖5所示（以9度為例）。

圖5 加速度時程曲線Fig.5 Acceleration-time curve

2.4 監測斷面及監測點

計算模型由洞外向洞內布置了間隔距離為10 m的監測斷面，共20個監測斷面（圖6），每個監測斷面布置了8個監測點（圖7）。

圖6 監測斷面布置Fig.6 Arrangement of testing section

圖7 監測點示意圖Fig.7 Arrangement ofmeasuring point

3 防垮塌抗震配筋適用范圍

3.1 設防烈度7度

提取每個監測斷面各測點的軸力和彎矩時程曲線，計算出每個監測斷面各測點的最小安全系數時程曲線，挑選出每個監測斷面最小安全系數的最小值，繪制各監測斷面最小安全系數最小值沿隧道縱向分布圖，如圖8～9所示。

圖8 受拉控制（設防烈度7度）Fig.8 Tension control（7degree seismic intensity）

圖9 受壓控制（設防烈度7度）Fig.9 Compression control（7degree seismic intensity）

由圖8～9可知，設防烈度7度條件下，距離洞口約45m范圍內（1.125倍淺埋段長度）襯砌動力安全系數介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結構安全系數規定值之間，需使用單層配筋抗震措施。大于45 m，襯砌不需采取抗震設防措施。

3.2 設防烈度8度

設防烈度8度時，各監測斷面最小安全系數最小值沿隧道縱向分布，如圖10～11所示。

圖10 受拉控制（設防烈度8度）Fig.10 Tension control（8degree seismic intensity）

圖11 受壓控制（設防烈度8度）Fig.11 Compression control（8degree seismic intensity）

由圖10～11可知，設防烈度8度條件下，距洞口43m范圍內（1.075倍淺埋段長度）襯砌安全系數小于鋼筋混凝土襯砌結構安全系數規定值，需采用雙層配筋抗震措施；距洞口43m至118m范圍內（1.075～2.95倍淺埋段長度）襯砌動力安全系數介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結構安全系數規定值之間，需使用單層配筋抗震措施，這個范圍約等于1.875倍淺埋段長度，這與隧道洞口影響過渡段范圍基本一致（過渡段長度約為淺埋段長度的1～2倍）。大于118m，襯砌不需采取抗震設防措施。

3.3 設防烈度9度

設防烈度9度時，各監測斷面最小安全系數最小值沿隧道縱向分布，如圖12～13所示。

圖12 受拉控制（設防烈度9度）Fig.12 Tension control（9 degree seismic intensity）

圖13 受壓控制（設防烈度9度）Fig.13 Compression control（9 degree seismic intensity）

由圖12～13可知，設防烈度9度條件下，距洞口115m范圍內（2.875倍淺埋段長度）襯砌安全系數小于鋼筋混凝土襯砌結構安全系數規定值，需采用雙層配筋抗震措施，這個范圍基本包含了隧道洞口淺埋段和洞口影響過渡段。即設防烈度9度條件下，可對隧道動力學洞口段二襯采用雙層配筋抗震措施進行設防。

3.4 適用范圍

綜合考慮抗震設防的安全性及施工方便性，隧道動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋適用范圍見表5。

表5 二襯防垮塌抗震配筋適用范圍Tab.5 Aseism ic reinforcement scope of second liner collapse control

4 結 論

（1）首次提出了隧道二襯防垮塌單層配筋抗震技術。單層配筋屬構造配筋，主要作用是環箍和拉扯震時碎裂的混凝土塊，盡可能減小震時二襯垮塌的范圍和程度，保護洞內人員和車輛的安全。

（2）提出了隧道動力學洞口段二襯防垮塌抗震配筋準則并確定了適用范圍。設防烈度7度情況下，洞口淺埋段采用單層配筋抗震技術，洞口影響過渡段不需采取抗震設防措施；設防烈度8度情況下，洞口淺埋段采用雙層配筋抗震技術，洞口影響過渡段采用單層配筋抗震技術；設防烈度9度情況下，洞口淺埋段和洞口影響過渡段均采用雙層配筋抗震技術進行抗震設防。

（3）通過采用雙層配筋和單層配筋相配合的抗震配筋技術，彌補了現行隧道動力學洞口段抗震“大震偏弱”的缺點，實現了“小震不壞，中震可修，大震不垮”的設防目標。

致謝 研究成果已應用于廣甘高速杜家山隧道洞口試驗段，成果應用過程中得到了四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院隧道處的大力支持，在此表示衷心的感謝！

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Aseism ic reinforcement technology for a dynamic portal section under rare earthquake

CUIGuang-yao1，ZHAO Rui-hua1，LIUWei-dong1，WANGMing-nian2，LIN Guo-jin3
（1.College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China；
2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；
3.Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Sichuan Provincial Communications Department，Chengdu 610041，China）

In order to improve weaker aseismic behavior of a tunnel structure’s fault rupture zone under large earthquakes，the monolayer reinforcement aseismic technology for the second liner collapse control was proposed cooperating with the traditional double reinforcement aseismatic technology.The aseismic design of a tunnel dynamic portal section was performed.According to the regulations of highway and railway tunnel current aseismic code，the rules of tunnel portal section second liner collapse control aseismic reinforcement were presented，and the finite difference numerical simulation technologywasused to study the application scope of collapse prevention aseismic reinforcement.The results showed that themonolayer reinforcement aseismic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，the tunnel portal effect transition section needs not to take the aseismic fortification measures under 7 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，and themonolayer reinforcement aseismatic technology is taken on the tunnel portal effect transition section under 8 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section and the tunnel portal effect transition section under 9 degree earthquake intensity.These resultswere significant for the development of dynamic portal section aseismatic technology.

rare earthquake；dynamic portal section；collapse control；monolayer reinforcement；double-layer reinforcement

U45；TU47

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.034

國家自然科學基金（51408008）；西部交通建設科技項目（200831800026）；西部交通建設科技項目（200831800098）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（SWJTU10XS05）

2013－08－07 修改稿收到日期：2013－11－21

崔光耀男，博士，講師，1983年生