高烈度斷層破碎區公路隧道抗震措施探討

吳 行，張 銳，居 恒

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210019)

0 引言

隧道結構處于地下三軸受力狀態，長期以來，工程界普遍認為隧道為地下耐震結構，自身具有良好的抗震性能，對山嶺公路隧道的抗震性能及工程減震措施的系統研究較少。隨著西部大開發和一帶一路等國家重大戰略的實施，隧道將不可避免穿越高烈度、大斷裂、節理發育、圍巖破碎區，復雜的地質條件給隧道抗震帶來巨大挑戰。汶川地震后，不少公路隧道發生襯砌撕裂掉塊、接縫錯臺、仰拱隆起、底板開裂、局部垮塌等嚴重破壞，傳統的擬靜力法抗震理論和抗震減災措施已難以保障高烈度震區隧道結構長期服役的安全。因此開展高烈度震區山嶺公路隧道結構抗震減災技術的研究具有重要理論價值和工程意義[1-2]。

目前，國內外關于高烈度區隧道抗震的研究多集中在隧道洞口及淺埋段抗震，關于斷層破碎區抗震的研究較少，且多為理論研究，能結合工程設計提出具體應對措施的研究不多[3-7]。同時我國現行行業規范僅有(0.2～0.4)g地區斷層破碎帶宜結合變形縫綜合設置抗震縫，抗震縫縱向間距可取10～15m，抗震設防長度不小于25m的籠統表述，對減震措施也未做明確規定[8]，但不同場區高烈度斷層破碎參數差異大，傳統擬靜力法也難以真實地反映結構受力狀態，保障結構安全。

以昆明市尋甸縣功山至東川高速公路工程響水河隧道設計為依托，從工程實踐的角度，采用有限元數值仿真的方法，研究隧道在設置隔震層、變形縫、考慮設防長度等措施時的抗震機理及減震效果，并提出高烈度斷層破碎區減震設計思路和應對措施。

1 工程概況

擬建功山至東川高速公路響水河隧道為雙向四車道分離式隧道，最大跨度12.68m，最大高度10.22m。物探顯示隧道洞身有一斷層破碎帶，寬約20m，該段圍巖從上至下依次為角礫、強風化玄武巖、中風化玄武巖，圍巖節理、裂隙強發育，巖體極破碎，電阻率ρ≤56Ω·m，[BQ]值約111，自穩能力差，圍巖級別Ⅴ2級。該破碎帶處南北展布的小江斷裂及其支斷裂影響帶內，斷裂帶地震活動較為頻繁和強烈，區域穩定性差，構造活動強烈，對隧道影響較大。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)，隧址區地震動峰值加速度≥0.40g(對應地震基本烈度為9度)，地震動反應譜特征周期為0.45s，設計地震分組為第二組。

2 計算模型

2.1 模型建立

按工程實際情況，并考慮計算精度及動力邊界反射震蕩效應，采用大型有限元軟件ABAQUS進行建模，隧道橫斷面方向為X向，隧道軸線方向為Y向，重力方向為Z向，模型尺寸為135m(橫向)×160m(縱向)×120m(豎向)，斷層破碎帶寬20m，與隧道軸向正交，傾角75°。地層采用實體單元模擬，服從D-P彈塑性屈服準則，初期支護及減震材料采用實體單元模擬，二次襯砌采用殼單元模擬，其中結構單元服從線彈性本構，泡沫混凝土服從crushable-foam率相關本構[9]，橡膠材料服從hyperelastic本構。在模型前后、左右及底部施加粘彈性人工邊界條件，以提高三維模型求解精度。

2.2 地震波選取

根據隧址區地形、地質及工程設置條件，場區地震分組為第二組，地震動峰值加速度為0.40g，地震動反應譜特征周期為0.45s。由于EI-Centro波SN向地震特征周期與該場地地震動特征周期接近，且其烈度大，震級較高，故地震波采用EI波，地震波總歷時長為20s，時間間隔為0.02s，經過調幅整形后如圖2所示。

2.3 計算參數

根據物探勘察、鉆孔取樣及室內試驗匯總的成果，確定計算所用材料的物理力學參數如表1。

3 抗震措施及效果研究

3.1 減震層抗震效果研究

3.1.1減震材料研究

目前常用的減震材料有泡沫混凝土、橡膠材料。

表1 計算材料的物理力學指標

泡沫混凝土內部充填大量氣泡和孔隙，密度小、抗壓強度高、低彈模，對沖擊能量吸收和分散效果好；橡膠材料具有獨特的粘彈性能，彈性好，強度高，綜合性能優，具備良好的緩沖隔震性能。分別從無隔震層、設置泡沫混凝土、設置橡膠材料研究不同材料的抗震效果，襯砌各特征位置最不利結果如圖3。

由計算結果可知：

(1)在地震荷載作用下，隧道設減震層時，襯砌各特征位置內力和拉應力均較不設減震層有明顯減小，安全系數有明顯增大。各工況最不利位置均出現在仰拱和右墻腳。以仰拱和右墻腳為研究對象，隔震效果如表2所示。

由表2可知，設減震材料，隔震效果更顯著。

(2)設置泡沫混凝土與設置橡膠材料相比，襯砌各特征點的軸力、彎矩、拉應力、安全系數的總體變化趨勢及數值差異較小，且最小安全系數均能滿足規范[10]要求值2.4，但設置泡沫混凝土時，襯砌仰拱最大拉應力峰值為3.15MPa，超過C35混凝土抗拉極限強度值2.5MPa，強烈地震作用下，混凝土有開裂風險。

此外，過大振動荷載作用在泡沫混凝土孔隙骨架上，會造成其內部孔隙破裂，骨架失效，導致襯砌承載比增加，削弱隧道抗震性能，增加隧道運營風險。因此，推薦橡膠材料作為隧道減震層。

3.1.2減震層厚度及設置方式研究

隧道減震模式的通常做法是在初支與二襯之間設減震裝置，形成初支—隔震層—二襯系統。分析減震層布置范圍及設置厚度對隧道減震效果的影響，分別在拱墻(半包)、全環(全包)設減震層且將減震層厚度分別按5cm和10cm考慮。計算結果如圖4。

由圖4計算結果可知：

(1)從設置減震層各工況下襯砌特征位置的軸力、彎矩、拉應力、安全系數的變化趨勢看，仰拱和右墻腳均處于受力最不利狀態，最不利位置的最大拉應力均小于2.5MPa，最小安全系數均大于2.4，滿足規范[10]要求。

表2 設減震層與不設減震層的對比

(2)從減震材料在隧道環向設置范圍看，拱墻半包減震相比隧道全包減震，襯砌各特征位置軸力、彎矩、拉應力、最小安全系數的變化趨勢及數值差異均較小。對于緩解墻腳及仰拱受力狀態，全包減震略優于半包減震。

(3)從減震材料在隧道環向設置厚度看，減震層厚度10cm比厚度5cm更有利于改善襯砌結構最不利位置受力狀態，兩種工況下，襯砌最不利位置的最大拉應力及最小安全系數均在規范要求范圍內，但數值差異不明顯，減震層厚度10cm相比厚度5cm效果并不顯著。

3.2 結構變形縫抗震效果研究

高烈度區隧道抗震，設置變形縫可以有效緩解振動荷載的影響，改善結構受力狀態，但當前抗震規范對抗震縫設置條件及間距沒有明確的要求。本工程斷層破帶寬約20m，為便于工程實施，計算中變形縫間距分別按5m、10m(中間一處)、20m(不設抗震縫)考慮，襯砌采用混凝土損傷本構計算，根據上文，取受力薄弱位置仰拱為分析對象，計算結果如圖5、圖6。

由圖5～圖6計算結果可知：

(1)不設抗震縫時，仰拱最大拉應力可達5.4MPa，大于C35混凝土極限抗拉強度2.5MPa，最小安全系數為1.75，小于規范[10]要求值2.4，強震作用下，混凝土有開裂風險；變形縫間距為10m時，仰拱最大拉應力為2.12MPa，最小安全系數為2.93；變形縫間距為5m時，仰拱最大拉應力為1.91MPa，最小安全系數為2.99，仰拱受力狀態顯著改善。

(2)變形縫設置間距5m與10m相比，最大拉應力與最小安全系數變化趨勢及數值差異不顯著，均滿足規范要求。考慮隧道防水及施工便捷，10m間距變形縫更符合工程建設和結構安全要求。

(3)混凝土壓縮損傷主要發生在隧道與斷層破碎帶交界處的襯砌環上。無變形縫時，襯砌損傷較為集中，損傷范圍分布在破碎帶內的整環襯砌上；變形縫間距為5m時，襯砌損傷較為分散，損傷范圍僅為與破碎帶交界處的襯砌環上；變形縫間距為10m時，損傷范圍處于兩者之間。

3.3 斷層破碎帶設防距離研究

《公路工程抗震規范》(JTG B02-2013)中指出，雙車道隧道和基本地震動峰值加速度≥0.2g的地區，設防長度不宜小于25m，該規定僅指出設防低值，未對高烈度斷層破碎區給出明確設防長度。結合上文分析，以抗震薄弱位置仰拱為分析對象，抗震縫按10m間距設置，計算結果如圖7、圖8。

圖7～圖8計算結果表明：

(1)仰拱縱向最大拉應力大致以斷層破碎帶為中心呈“人”字形分布，峰值由中心向兩側逐步減小，左、右側分別從-45m、44m處開始變化趨于平緩，斷層破碎區對仰拱最大主應力的影響范圍為89m。

(2)仰拱縱向最小安全系數呈不對稱 “倒人”字形分布，峰值由斷層破碎帶中心向兩側逐步增大，并分別從-42.5m、40m處開始變化趨于平緩，斷層破碎區對仰拱最小安全系數的影響范圍為82.5m。

(3)從隧道總位移云圖的縱剖面看出，隧道變形由斷層破碎區中心向兩側翼緣逐步變小，影響范圍約85m。隧道受小江斷裂帶地震活動影響較大，且穿越斷層破碎帶圍巖極破碎、節理極發育，基于隧道安全因素考慮，設防范圍從斷層破碎帶翼緣向兩側各延伸35m，總設防長度不宜小于90m。

4 結論

(1)在高烈度斷層破碎區，設置減震層有利于改善襯砌受力狀態，效果顯著。

(2)泡沫混凝土與橡膠材料對于改善襯砌軸力、彎矩、拉應力及最小安全系數，總體差異不大，但泡沫混凝土會引起仰拱最大拉應力超標，造成混凝土開裂，強震作用下，泡沫混凝土內部孔隙會發生破裂，導致承載骨架失效，削弱隧道抗震性能，因此設計中選擇橡膠材料作為減震層。

(3)減震層拱墻半包設置(厚度5cm、10cm)、襯砌全環全包設置(厚度5cm、10cm)各工況下減震效果差異不顯著，從工程經濟的角度考慮，減震層拱墻半包、厚度5cm可滿足工程抗震需要。

(4)隧道設置抗震縫可以大大緩解強震峰值荷載的影響，變形縫間距5m相對于間距10m，對改善仰拱受力有一定優勢，強震作用下，兩者的強度指標均能滿足規范要求，從工程防水及施工便捷上考慮，變形縫間距10m可滿足工程要求。

(5)綜合分析仰拱縱向最大拉應力、最小安全系數及總位移影響范圍，結合隧址區小江活動斷裂帶的影響，將設防范圍從隧道與破碎帶交界處向破碎帶兩側各延伸35m，總設防長度建議不小于90m。