穿越洞口軟硬巖偏壓隧道減震縫間距研究

唐浪洲

(中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣東廣州 510600)

近年來，中國交通隧道事業呈現井噴式發展，不斷向山區邁進。但對于我國西南山區的隧道工程，由于該區域地質條件情況極為復雜，常出現隧道洞口既存在偏壓，又穿越堆積體與基巖形成的軟硬巖交界面的情況，且往往穿越地震帶。當地震來臨時，在該情況下的洞口段隧道結構發生破壞的概率和嚴重程度均會更大[1-3]。因此偏壓隧道洞口軟硬巖交界段的震害問題應引起高度重視。

目前國內外學者已對強震區洞口段和偏壓段隧道的結構地震響應展開了大量研究。孫緯宇等[4]以某隧道洞口段工程為依托，研究了地震波分別從X、Y、Z三個方向入射時襯砌結構的動力響應，得出地震動沿橫向傳播時襯砌變形和加速度最大。黃俊[5]對不同洞門高度的高邊坡黃土隧道洞口段進行了數值模擬和振動試驗的研究，得出隧道結構隨著洞門高度的增大襯砌朝洞口的移動越明顯。侯森等[6]依托某隧道洞口工程以理論推導和模型試驗為手段，對襯砌沿縱向的位位移變化響應規律展開了探究，研究發現襯砌在施工縫處容易造成錯臺震害。陳江等[7]進行了偏壓隧道振動臺試驗，得到了襯砌加速度隨地震波加載形式和強度的變化規律。Feifei W等[8]基于相似理論，設計了小凈距偏壓隧道試驗模型并進行振動臺試驗，研究了地震波形式、方向和加速度峰值對隧道動力響應特性的影響。Xueliang J等[9]基于振動臺模型試驗獲得了小凈距偏壓隧道的地震剪應力響應規律，即襯砌剪應力隨地震峰值的增大而逐漸增大且隧道拱肩和拱腳處剪應力響應最強。

可以看出，國內外對洞口段偏壓隧道動力響應研究較多，而對偏壓隧道洞口段穿越軟硬巖交界面時隧道的動力特性的研究較少。因此，有必要對穿越偏壓洞口軟硬巖交界面隧道的防震技術進行探究。本文依托飛仙關隧道穿越偏壓洞口軟硬巖交界面工程，針對隧道設置減震縫的減震技術，展開深入研究。由于隧道結構減震縫間距是目前對減震縫研究的主要方向之一[10]，故對比3種不同減震縫間距，討論地震作用下減震縫間距設置對襯砌應力的影響。論文的結論可為穿越偏壓洞口軟硬巖交界面隧道減震設計提供一定參考。

1 工程概況

飛仙關公路隧道位于國道318線雅安至二郎山隧道段災后恢復重建工程A1標段，全長1 608 m，其中雅安方向洞口為單壓式明洞，樁號為K31+550～K31+579，長29 m。進口段斜坡覆蓋層為新生界第四系全新統殘坡積層(Q4el+dl)，主要由稍密狀塊石土組成，斜坡坡度為14～18 °。隧道進口段圍巖基本為IV級和V級，縱斷面如圖 1所示。

本文以進口段K31+580～ K31+640為研究標段如圖 1所示，該標段內隧道橫斷面開挖高度為10 m，寬度為12.7 m，初期支護采用C20混凝土濕噴，厚度為24 cm，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土施作，厚度為60 cm，錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿，長350 cm，環、縱間距均為1.0 m，如圖2所示。

圖1 飛仙關隧道進口段地質縱斷面(單位：m)

圖2 飛仙關隧道結構橫斷面(單位：cm)

2 隧道計算模型及力學參數

2.1 隧道計算模型及參數

根據飛仙關隧道進口段K31+580～ K31+640區間的地形和地質條件，隧道最大和最小埋深分別取15.4 m和5.4 m，隧道仰坡傾角取14 °，側邊坡傾角在22～30 °范圍內變化，又考慮到方便網格劃分和減小動力計算邊界效應，計算模型水平范圍沿隧道中線兩側各擴展60 m，共120 m；模型高度取65 m；縱向從軟硬巖交界面向洞口方向取40 m的長度，從軟硬巖交界面向進洞方向取20 m的長度，共60 m；軟硬巖交界面與隧道縱向的傾角簡化為90 °。隧道結構參照圖2建模，其中初期支護(殼單元模擬)和二次襯砌(實體單元模擬)均采用彈性本構計算。而圍巖則采用Mohr-coulomb本構計算，選用實體單元模擬。隧道整體計算模型圖 3所示。

本文計算工況見表 1，其中隧道減震縫間距分別設置為5 m、10 m、20 m，縫寬均為0.2 m，采用實體單元模擬并滿足彈性本構準則，如圖 4所示。根據飛仙關隧道現場資料，本文選用的模型計算參數如表 2所示。

圖3 隧道計算模型網格

圖4 不同減震縫間距設置示意

表1 減震縫間距研究工況設置一覽

表2 模型計算參數一覽

2.2 地震波的選擇

本文計算所選取的地震波見圖 5所示，并將地震波轉化為應力形式從模型最底部輸入垂直于隧道軸向的剪切波，其中：力學阻尼選用局部阻尼進行計算，根據工程經驗臨界阻尼比取5 %；模型底面設置黏彈性邊界(也稱“靜態邊界”)，側邊界設置自由場邊界。

圖5 15s地震加速度波時程曲線(峰值0.4g)

2.3 監測點布置

在每個監測斷面選取8個監測點，分別在每個監測面的拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、仰拱底設置，如圖 6所示。從距洞口4 m處開始每隔4 m設置一個監測斷面，總計14個監測斷面，如圖 7所示。

圖6 隧道橫斷面監測點設置

圖7 隧道監測斷面縱向分布

3 計算結果分析

由于襯砌在交界面區是抗震薄弱區間，因此將各工況下交界面區(Y=25～55 m)襯砌不同部位的應力峰值及相對無措施的變化率列于表 3～表 5中，其中各位置上應力峰值的代表值取在交界面區間上最大的應力峰值。

表3 交界面區隧道最大剪應力峰值 MPa

表4 交界面區隧道最大主應力峰值 MPa

由表 3～表 5可知：

(1)對于交界面區的最大剪應力，在工況3的左拱腰處減小率最大，為-18 %，但在最大剪應力峰值最大的拱頂處，在工況2下減小率最大，為-5 %。整體來看，工況2對最大剪應力峰值的減小效果最好。

表5 交界面區隧道最小主應力峰值 MPa

(2)對于交界面區的最大主應力，應力峰值削弱最大位置在工況1的右拱腰處，其值為-29 %，在最大主應力峰值最大的右拱肩處，也是在工況1下減小率最大，為-13 %。同時總體來看，工況1也對最大主應力峰值的削弱效果最好。

(3)對于交界面區的最小主應力，在工況1的左拱腳和左拱腰處應力峰值削弱幅度最大，均為-32 %，在最小主應力峰值最大的左拱肩處，同樣在工況1下減小率最大，為-25 %。從整體來看，也是工況1對最小主應力峰值的削弱效果最佳。

綜合以上分析可知，工況1，即減震縫間距5 m時，對襯砌受力的減震效果最佳，而工況2，即減震縫間距10 m時，次之。但工況1～工況3之間襯砌應力峰值差距很小，說明在減震縫間距在20 m以下時，隨著減震縫間距減小，襯砌結構受力的減小幅度十分有限。同時還可得到，在飛仙關隧道穿越洞口偏壓軟硬巖交界段，設置減震縫對隧道拱腰部位的剪切破壞、隧道覆土較厚一側上部的張拉破壞和隧道覆土較淺一側下部的擠壓破壞的減震效果最為顯著。

4 結論

本文依托飛仙關隧道進口穿越偏壓軟硬巖交界段工程，通過數值計算，對減震縫間距設置進行了研究，得到如下結論：

(1)對于最大剪應力，在減震縫間距10 m工況下應力減小效果最優；對于最大、最小主應力，在減震縫間距5 m工況下應力減小效果最優。綜合來看，對于設置減震縫工況，減震縫間距為5 m時最優，減震縫間距為10 m時次之。

(2)設置減震縫對隧道拱腰部位襯砌的剪切破壞、隧道覆土較厚一側上部襯砌的張拉破壞和隧道覆土較淺一側下部襯砌的擠壓破壞的減震效果最為顯著。

當隧道穿越偏壓洞口軟硬巖段時，建議采用設置減震縫方案，并可通過適當縮短減震縫間距來增強減震效果。