強(qiáng)震區(qū)跨斷層隧道局部接觸注漿抗震效果研究

李鵬宇 崔光耀 王明勝

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 廣州 511458)

隨著我國(guó)西部交通建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，跨斷層隧道工程不斷涌現(xiàn)，而斷層破碎帶往往處于高烈度地區(qū)[1-2]。因此，為保證強(qiáng)震區(qū)跨斷層隧道的震時(shí)安全性和穩(wěn)定性，對(duì)跨斷層破碎帶隧道采取一定抗震設(shè)防措施是極為必要的[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)強(qiáng)震區(qū)跨斷層隧道的抗震技術(shù)進(jìn)行了部分研究，主要有強(qiáng)震區(qū)減震層隧道的力學(xué)行為研究[4-6]、隧道斷層注漿加固機(jī)制研究[7-8]、隧道不同圍巖加固范圍下減震作用研究[9-11]等。以上研究主要圍繞注漿加固機(jī)制及作用與隧道施設(shè)減震層的減震原理，但對(duì)于高烈度地震區(qū)跨斷層隧道圍巖范圍注漿抗震效果的研究相對(duì)較少。因此，本文依托麗香線中義隧道沖江河斷層段，利用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件，對(duì)采用區(qū)域注漿加固方式的抗震效果進(jìn)行研究。研究成果可為高烈度地震區(qū)跨斷層隧道抗震設(shè)防設(shè)計(jì)提供參考。

1 中義隧道沖江河斷層段概況

1.1 地質(zhì)條件

斷層位于麗香鐵路虎跳峽至新尚區(qū)間內(nèi)，逆斷層，為一區(qū)域性活動(dòng)大斷裂，位于龍?bào)?喬后斷裂西側(cè)，呈弧形，沿金沙江、沖江河分布，長(zhǎng)度大于50 km，走向N20°W～N20°E，傾向西，傾角77°。上盤和下盤分別為砂巖夾頁(yè)巖(T1l)、玄武巖(Pβ)和偏離化玄武巖夾砂質(zhì)板巖(Tβ)，砂巖(T1)均為Ⅳ級(jí)圍巖，破碎帶為Ⅴ級(jí)圍巖，材質(zhì)為灰?guī)r質(zhì)斷層角礫，密實(shí)～半膠結(jié)狀。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖江河斷層段隧道采用復(fù)合式襯砌，結(jié)構(gòu)型式為曲墻帶仰拱。初支采用C25噴射混凝土，厚度為25 cm，二次襯砌采用C25模注混凝土，厚度為45 cm。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以中義隧道沖江河斷層為研究背景，建立計(jì)算模型，采用摩爾-庫(kù)倫屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，本構(gòu)模型為彈塑性模型。隧道洞徑約為8 m，左右開(kāi)挖深度取5～8倍洞寬，約50 m，縱向開(kāi)挖深度為200 m，埋深50 m，斷層傾角77°，底部基巖厚20 m。計(jì)算模型的邊界條件為上邊界無(wú)約束，下邊界與四周邊界全約束。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)實(shí)際地勘資料，模型的計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

以常用注漿厚度3 m為例進(jìn)行研究，計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況表

2.4 動(dòng)力參數(shù)

計(jì)算模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型、自由場(chǎng)邊界和局部阻尼，局部阻尼系數(shù)為0.157 1。

地震波選取汶川地震臥龍測(cè)站所測(cè)的加速度波，按9度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)時(shí)間為15 s。利用濾波軟件進(jìn)行濾波和基線校正，經(jīng)過(guò)處理的地震波加速度時(shí)程曲線，如圖2所示。

圖2 加速度時(shí)程曲線圖

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

沿隧道斷層兩側(cè)上下盤每隔10 m設(shè)置一個(gè)檢測(cè)斷面，選取各斷面二襯結(jié)構(gòu)的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳、左拱肩、左邊墻、左拱腳、仰拱等8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 沖江河斷層段地震安全性評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)位移、主應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 工況1結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5 工況1結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

由圖4和圖5提取各監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，由公式(1)～(2)計(jì)算工況1的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，提取各監(jiān)測(cè)斷面(其中S5、S6為面破碎帶段內(nèi)斷面)的二襯最小安全系數(shù)[12]。

二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)：

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：N——軸力；

b——截面寬度，取1 m；

h——截面厚度；

R2——混凝土抗壓極限強(qiáng)度；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度；

K——安全系數(shù)；

φ——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；

α——軸向力偏心影響系數(shù)。

二襯結(jié)構(gòu)斷面最小安全系數(shù)如圖6所示。

圖6 二襯結(jié)構(gòu)斷面最小安全系數(shù)圖

由圖6可知，文獻(xiàn)[11]規(guī)定隧道結(jié)構(gòu)抗震最小安全系數(shù)為2.4，故取安全系數(shù)2.4以下區(qū)域?yàn)樽{范圍，其范圍為二襯縱向y軸距離90～110 m處，局部接觸注漿布置，如圖7所示。

圖7 注漿范圍示意圖

4 局部注漿抗震措施作用效果

4.1 結(jié)構(gòu)位移

提取工況2隧道跨斷層破碎帶段的位移云圖，如圖8所示。依據(jù)圖4和圖8，提取二襯拱頂?shù)奈灰谱畲笾担⒂晒?3)計(jì)算工況2的最大位移抗震效果(與工況1對(duì)比)，如表3所示。

圖8 工況2結(jié)構(gòu)位移云圖

最大位移抗震作用效果:

(3)

式中：ρD——最大位移抗震作用效果；

D前——加固前最大位移；

D后——加固后最大位移。

表3 二襯結(jié)構(gòu)的最大位移及控制效果表

由表3可知，采用范圍接觸注漿后，二襯橫向最大位移由9.87 mm降至9.71 mm，抗震效果為1.62%；二襯豎向最大位移由12.08 mm降至11.87 mm，抗震效果為1.74%。

4.2 主應(yīng)力

提取工況二斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力云圖，如圖9所示。依據(jù)圖5和圖9，提取二襯結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最大值與最小值，并由公式(4)計(jì)算工況2的主應(yīng)力極值抗震效果(與工況1對(duì)比)，如表4所示。

圖9 工況2結(jié)構(gòu)最大最小主應(yīng)力云圖

主應(yīng)力抗震作用效果:

(4)

式中：ρσ——主應(yīng)力極值抗震作用效果；

σ前——加固前主應(yīng)力極值；

σ后——加固后主應(yīng)力極值。

表4 最大最小主應(yīng)力極值及抗震作用效果表

由表4可知，采用范圍接觸注漿后，二襯最大主應(yīng)力極值由1.59 MPa降至1.35 MPa，抗震效果為15.09%；最小主應(yīng)力極值由-18.47 MPa增至-18.45 MPa，抗震效果為0.1%。范圍注漿對(duì)于控制最大主應(yīng)力效果明顯。

4.3 安全系數(shù)

提取各斷面(S5、S6斷面位于斷層破碎帶)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到工況2下各斷面二襯結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)，并結(jié)合工況1得出最小安全系數(shù)，如圖10所示。

圖10 最小安全系數(shù)圖

提取各工況二襯結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)，并計(jì)算其抗震效果(以工況1為對(duì)比)，如表5所示。

表5 工況最小安全系數(shù)及抗震效果

由圖10及表5可知，采用范圍接觸注漿后，隧道斷層處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)明顯提高，監(jiān)測(cè)斷面S5的最小安全系數(shù)由1.939提高至3.120，抗震效果達(dá)60.91%；監(jiān)測(cè)斷面S6的最小安全系數(shù)由1.868提高至2.807，抗震效果達(dá)50.27%。

5 結(jié)論

(1)七達(dá)里隧道中義斷層段強(qiáng)震影響范圍約為20 m。

(2)采取局部接觸注漿抗震措施后，二襯豎向最大位移抗震效果為1.74%，二襯橫向最大位移抗震效果為1.62%。

(3)采取局部間隔注漿抗震措施后，二襯最大主應(yīng)力極值抗震效果為15.09%，二襯最小主應(yīng)力減震效果不明顯，可通過(guò)施設(shè)抗震縫或減震層予以解決。

(4)采取局部接觸注漿抗震措施后，斷層破碎帶段監(jiān)測(cè)斷面處的最小安全系數(shù)明顯提高，監(jiān)測(cè)斷面S5最小安全系數(shù)抗震效果為60.91%，監(jiān)測(cè)斷面S6最小安全系數(shù)抗震效果為50.27%。