襯砌背后空洞對隧道抗震性能影響分析

襯砌背后空洞對隧道抗震性能影響分析

聶子云1， 張春雷1， 李鳳翔2

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100020)

摘要：目前關于隧道震害問題的研究主要集中于隧道洞門和洞口段，實際上仍有不少洞身襯砌在地震中產生嚴重震害，其中一個重要原因便是襯砌背后存在空洞或者回填不密實。通過大型有限元軟件ABAQUS，采用無限元邊界解決地震波的反射震蕩問題，研究襯砌背后空洞對隧道的地震動力響應的影響。通過分析得到：密實狀態下，即使在較大地震動力作用下，襯砌結構仍處于良好的受壓狀態；一旦襯砌背后存在空洞，地震作用下脫空區襯砌產生很大拉應力，可能導致襯砌開裂坍塌；同時，空洞處周邊圍巖產生塑性區，易引起巖體松弛掉落沖擊襯砌。

關鍵詞：隧道； 襯砌背后空洞； 地震； 主拉應力； 塑性區

收稿日期：*2014-08-20

作者簡介：聶子云(1987-)，男，江西九江人，助理工程師，碩士，主要從事隧道及地下工程方面設計研究工作.E-mia：nieziyun2011@163.com

中圖分類號:U452.2+8文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0138

EffectofVoidbehindLiningonSeismicPerformanceofTunnel

NIEZi-yun1， ZHANG Chun-lei1， LI Feng-xiang2

(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin300251，China；

2.China Railway Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing100020，China)

Abstract：At present，analyses of seismic damage to tunnels have focused on the tunnel portal and portal section.However，there are still many deeply-buried tunnels that have been badly damaged by earthquakes；an important reason for this is the existence of voids behind the lining or because the lining backfill is not dense.However，studies on the relationship between voids behind the lining and the dynamic characteristics of earthquakes are few.In this study，the seismic performance of a tunnel with voids behind the lining are studied using the finite element software ABAQUS.The analysis reveals the following：if the lining is tightly and firmly stuck to the surrounding rocks，even under larger seismic action，the lining remains in a good state of compression.Once voids are present behind the lining，the lining that does not have the support of the surrounding rock comes under great tensile stress，resulting in cracking of the lining，which causes tunnel collapse.In addition，during earthquakes, larger plastic deformation appears in the surrounding rock without lining support than in those with lining support，causing the rock to more easily relax and fall off.

Keywords：tunnel；voidbehindlining；earthquake；principaltensilestress；plasticzone

0引言

地下結構由于受到巖土(石)的約束作用，地震時受到的慣性力和位移都較少，因此一般認為其抗震性能要明顯優于地上結構(圖1)。盡管如此，不少地震還是對地下結構造成了不同程度的破壞，甚至有不少隧道產生嚴重震害。如1999年臺灣集集地震對臺灣57座隧道中的49座造成了不同程度的破壞[1]。2008年我國汶川大地震后，李天斌[2]和高波[3]分別對都汶公路上的11座和18座隧道進行了現場震害調研，其中5%的隧道出現輕度震害，22%為中度震害，73%為嚴重震害。

圖1　地震作用下地面結構和地下結構的行為差異示意圖 Fig.1　Difference of behavior between surface structures and underground structures during earthquake

隧道洞口段，由于埋深淺、圍巖風化嚴重，其抗震性能差，故在地震中洞門和洞口段襯砌破壞嚴重，是目前學者有關隧道抗震研究最多的課題，如周培德[4]、崔光耀[5]、曹小平[6]等都對強震作用下隧道洞口段的動力特性和震害機理進行了分析探討。但事實上有不少具有一定埋深的隧道襯砌在地震中也會發生嚴重破壞，甚至坍塌。圖2為2004年日本新瀉地震中受損嚴重的Uonuma隧道[7]，可以看到巨大的混凝土襯砌(約5t)從拱部坍塌掉落在鋼軌上，這是日本新干線運營后發生最嚴重的隧道破壞事故，花了近兩個月才恢復通行。圖3為2008年汶川地震中龍溪隧道距離洞口200m左右處塌方情況，從圖中可以看出雖然塌方段圍巖條件較好，但是拱頂出現很大塌腔。

圖2　Uonuma隧道塌方 Fig.2　Collopse of the Uonuma tunnel

圖3　龍溪隧道塌方 Fig.3　Collapse of the Longxi tunnel

不少深埋隧道在地震中出現嚴重破壞，筆者認為其中一個很重要的原因是襯砌背后空洞的存在。日本Uonuma隧道塌方事故發生后，調查組對該隧道進行了專項地質調查及襯砌背后檢測，發現襯砌背后存在較大空洞。高峰[8]根據對已有震害的調查及資料分析，發現施工質量未能保證、回填不密實的隧道容易遭受地震破壞。分析可知，空洞的存在去除了圍巖對相應襯砌的約束作用，脫空區襯砌表現出與地面結構類似的動力反應特征，更容易遭到破壞。因此，針對目前運營隧道普遍存在襯砌背后空洞這一現象展開抗震性能的影響研究是十分有必要的，特別是由于施工工藝限制，管理能力不足等原因，拱頂位置往往是空洞病害的重災區，本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS研究分析了拱頂背后空洞對隧道抗震性能的影響。

1計算模型

1.1積分算法

與地上結構不同，地下洞室結構由于賦存于巖土介質之中，受到周圍巖土體的約束作用顯著，致使地其動力反應一般不明顯表現出自振特性，特別是低階模態的影響[9]。因此對地下洞室進行自振特性求解和反應譜計算的意義相對不大，較為合理的分析方法是采用動力非線性時程計算求解方法[10]。

ABAQUS提供了兩種動力非線性方程的求解方法：Standard隱式積分算法和Explicit顯式積分算法。鑒于Standard隱式模塊很適合模擬巖土地應力平衡及開挖問題，且把其結果導入Explicit比較麻煩，而顯式和隱式在地震動力分析中獲得的解答相差很小，為此。本文采用Standard隱式算法。

1.2無限元邊界

采用固定邊界時由于向外傳播的地震波在邊界處又會反射回模型，位移波動隨時間增長出現反復振蕩，而實際地震波向遠場傳播時能量是逐漸逸散的，因此固定邊界給出的結果并不合理。為保證任何入射情況下均無反射波，引入了無限元人工邊界。無限元單元本身包含阻尼系數[11-12]，相當于施加了一種黏性邊界，能夠很好地體現能量逸散的效果，體現地層輻射阻尼效應，從而給出合理的結果。

無限元人工邊界的應力為：

式中：d為無限元阻尼系數；V為介質粒子的振動速度。

由式(1)可以看到，無限元人工邊界的應力僅與該無限元內結點該時刻的振動速度反應值相關，物理上相當于在邊界結點每個方向施加一個一端固定的單向阻尼元件。

1.3數值模型

假設某隧道埋深為30m，拱頂存在30°范圍空洞，模型尺寸如圖4所示。地震動從隧道底部60m有限元-無限元交界處輸入。空洞的存在可以通過挖除空洞處土體實現，如圖4(b)，但是考慮到本文不討論空洞深度的影響，而且往往回填不密實也會起到和空洞同樣的脫空效果，同時總的土體體積并不一定減少，故本文通過解除脫空襯砌和圍巖的接觸屬性來實現襯砌背后空洞的存在。

1.4材料參數

有限元圍巖采用摩爾-庫倫塑性本構模型，無限域圍巖及襯砌結構采用線彈性本構模型。無限域圍巖彈性參數與有限域彈性參數相同，靜力開挖與地震動力分析中材料的計算參數均相同。動力計算中以Reyleigh阻尼形式定義材料的阻尼，由于地震作用下結構的剛度阻尼占主導作用，為此所有介質阻尼只考慮剛度阻尼。本文材料阻尼參照[7]選取，圍巖及襯砌的物理力學參數見表1。

1.5地震動荷載

地震動荷載選取經典的印度Koyna大壩地震加速度時程(圖5)。該地震動最大水平加速度幅值為0.474g(t=3.13s)，最大豎向加速度幅值為0.312g(t=3.8s)，其中g=9.8m·s-2，時程采樣間隔0.02s，地震加載時間取10s。本文考慮地震烈度為Ⅷ度，對應水平加速度峰值為0.2g，豎向加速度峰值取為水平加速度峰值的2/3，對Koyna地震波進行調整后輸入。

圖4　數值模型 Fig.4　Numerical model

材料類型重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比ν剛度阻尼β黏聚力c/kPa內摩擦角?/(°)V級圍巖有限域2010.350.001710027V級圍巖無限域2010.350.0017--C25襯砌25280.20.003--

圖5　Koyna地震水平和豎直加速度時程曲線 Fig.5　Horizontal and vertical acceleration time-history curves under koyna earthquake

圖6　各工況下襯砌主應力云圖 Fig.6　Principal stress contour of the lining under different working conditions

2計算結果分析

建立4種計算工況模型進行對比分析：(1)襯砌處于密實狀態下，不受地震作用；(2)襯砌處于密實狀態下，受到地震作用；(3)襯砌背后存在空洞，不受地震作用；(4)襯砌背后存在空洞，受到地震作用。經過計算可以得到各工況下襯砌主應力云圖，如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，密實狀態下襯砌只產生壓應力，最大壓應力位于墻角處(為9.6MPa)，遠小于襯砌極限壓應力，可見襯砌處于良好的受壓狀態。圖6(b)顯示，密實狀態在地震動荷載下，襯砌仍只受壓應力，最大壓應力位于墻角處(為13.2MPa)，較密實狀態下增大30%左右，仍遠小于襯砌極限壓應力。可見如果襯砌處于密實狀態，即使在較大地震作用下，襯砌仍處于良好的受力狀態。圖6(c)為拱頂存在30°范圍空洞時襯砌的受力狀態，從圖中可以看出，襯砌仍以壓應力為主，最大壓應力為9.6MPa，但在襯砌脫空區外側中心(A)和脫空區內側邊緣(B′、C′)產生拉應力，由于空洞較小，最大拉應力僅為0.7MPa，襯砌最大拉、壓應力仍遠小于襯砌極限拉、壓應力，襯砌處于安全狀態。圖6(d)為拱頂存在30°范圍空洞時并在地震作用下襯砌的受力狀態，從圖中可以看出，襯砌脫空區外側中心(A＇)和脫空區內側邊緣(B＇、C＇)產生較大拉應力，最大值為2.0MPa，已經接近混凝土極限抗拉強度。由此可見，如果襯砌背后存在空洞，即使空洞范圍較小，也將極大地降低隧道的抗震性能。這就不難解釋日本Uonuma隧道在地震中的災難性坍塌事故。

從分析中可知襯砌拉應力為控制應力，為更直觀地反映空洞和地震耦合作用對襯砌拉應力的影響，建立以襯砌仰拱中心為起終點的環向路徑，如圖6(d)箭頭所示，可以得到襯砌內、外側主拉應力沿該路徑的曲線圖(圖7)。

從圖7中可以看出：當襯砌處于密實狀態時，有地震和無地震狀況下的襯砌拉應力曲線圖吻合很好，且幾乎不產生拉應力，說明地震對密實狀態下的襯砌影響不大。當襯砌背后存在空洞時，除了襯砌脫空區內側邊緣和脫空區外側中心主拉應力出現較小波動外，其他部位與密實狀態下襯砌受力狀態吻合得很好，說明較小空洞對襯砌結構的受力狀態影響不大；如果存在地震作用，脫空襯砌內外側會出現應力集中現象，產生很大拉應力，說明地震會很大程度地放大襯砌背后空洞破壞效應，或者說襯砌背后空洞會很大程度地放大地震的破壞效應，足見兩者耦合作用對襯砌的破壞是不容小覷的。

上文主要討論地震對隧道襯砌的影響，事實上地震還會對圍巖的受力狀態產生較大影響。經過計算發現密實和空洞靜力狀態下，初砌周邊圍巖不產生明顯的塑性區，而地震作用下則正好相反，如圖8所示。

圖7　襯砌主拉應力沿襯砌內、外側分布曲線圖 Fig.7　Principle tensile stress distribution inside and outside of the lining

圖8　地震作用下襯砌周邊圍巖塑性區 Fig.8　Plastic zone in surrounding rock of the lining during earthquake

從圖8(a)可以看出，當襯砌和圍巖接觸密實時，在地震作用下墻角和右拱肩處圍巖產生明顯的塑性區，最大等效塑形應變為0.008，位于墻角處。圖8(b)表明，拱頂背后存在空洞時，地震作用下圍巖主要塑性區分布位置與密實狀態下基本一致，且最大塑性值出現在空洞與襯砌交界處，為0.01，并有貫通趨勢，如果空洞周邊圍巖塑性區貫通，空洞處圍巖將發生松動坍塌，對襯砌產生沖擊作用。

綜上所述，襯砌背后空洞極大地降低隧道的抗震性能，主要體現為兩個方面：(1)地震作用下脫空襯砌內側邊緣和外側中心產生較大拉應力，極易產生拉裂破壞；(2)地震作用下空洞與襯砌交界處圍巖產生較大塑性應變，空洞圍巖容易松弛坍塌，沖擊襯砌。

4結論

通過分析襯砌背后空洞對隧道的地震動力響應的影響，得到以下主要結論：

(1) 密實狀態下，襯砌結構只產生壓應力，最大壓應力遠小于混凝土極限抗拉強度，襯砌處于良好的受力狀態。

(2) 密實狀態，在地震動力作用下，襯砌結構較靜力狀態下襯砌壓應力有所增大，但是增長幅度有限，不會導致襯砌破壞，襯砌仍處于良好的受壓狀態。

(3) 如果襯砌背后存在空洞，空洞范圍有限，脫空區襯砌內外側將產生較小拉應力，對襯砌的整體受力狀態存在一定不利影響，但是不至于導致襯砌破壞。

(4) 如果襯砌背后存在空洞，即使空洞范圍有限，在地震動力作用下脫空襯砌內外側也將產生很大拉應力，可能導致脫空襯砌拉裂破壞；再者，地震作用會導致空洞周邊圍巖產生較大塑性區，空洞處圍巖易松弛坍塌，對襯砌存在潛在沖擊威脅。

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