強震區隧道軟硬圍巖交接段纖維混凝土襯砌抗震性能研究

麻建飛 郭艷軍 崔光耀

(1.北方工業大學， 北京 100144；2.四川電力設計咨詢有限責任公司， 成都 610041)

高烈度地震作用下，隧道結構軟硬圍巖交接段容易發生襯砌掉塊、滲水、剪切錯位、開裂、仰供隆起和洞口邊坡滑塌等震害[1]，嚴重影響隧道的正常使用和設計壽命。因此，對高烈度地震區隧道軟硬圍巖交接段的抗震性能進行研究是非常必要的。

高烈度地震區隧道軟硬圍巖交接段常用的抗震措施包括圍巖加強和結構加強。纖維混凝土作為一種水泥基復合材料，其韌性、抗裂、抗剪等力學性能相比素混凝土都有明顯提高，將纖維混凝土應用到隧道工程中，可提高襯砌結構的承載性能和抗震性能，且簡單易行。因此，本文采用纖維混凝混凝土襯砌來實現結構加強的目的，進而提高隧道軟硬圍巖交接段的抗震性能[2]。

目前，學術界對隧道中纖維混凝土的研究主要集中在纖維混凝土結構的力學性能、承載性能、抗爆、抗滲及抗震性能[3-6]，復雜地質條件下隧道纖維混凝土的使用[7-8]，隧道中纖維混凝土的施工方法和纖維混凝土在地鐵盾構管片上的應用技術等方面[9]。對于軟硬圍巖交接段隧道的研究主要集中于震害機理、地震響應及破壞機制、圍巖注漿和減震層減震效果等方面[10-11]。但對于高烈度地震區隧道纖維混凝土抗震性能的研究較少，對強震作用下軟硬圍巖交接段隧道纖維混凝土抗震性能的研究更是鮮有報道。因此，本文以某鐵路隧道軟硬圍巖交接段為研究背景，通過有限差分軟件FLAC3D建立數學模型，分析高烈度地震作用下隧道軟硬圍巖交接段襯砌材料采用鋼纖維混凝土和鋼-玄武巖混雜纖維混凝土時結構的地震響應規律，并得到纖維混凝土襯砌在高烈度地震區隧道軟硬圍巖交接段的抗震性能。研究成果可為高烈度地震區隧道抗震設防提供參考。

1 工程概況

1.1 地質條件

1.2 襯砌結構設計

隧道為三心圓馬蹄形斷面，跨度11.00 m，高度8.55 m，復合式襯砌，二次襯砌厚0.45 m，采用C25模筑混凝土，初期支護厚0.25 m，采用C20噴射混凝土。

2 研究情況

2.1 數值模型的建立

本文以某鐵路隧道軟硬圍巖交接段為研究對象，采用有限差分軟件FLAC3D建立彈塑性模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則。隧道埋深50 m，縱向開挖深度100 m，隧道左右兩側山體寬度各取4～5倍洞寬(約為50 m)。模型的軟硬圍巖交接面與水平面成65°夾角，上盤為軟弱圍巖(Ⅴ級)，下盤為堅硬圍巖(Ⅲ級)。模型底部設置10 m厚的基巖，用來模擬的地震波傳輸過程中地下的剛性地基。

2.2 計算工況分組

計算模型中，纖維混凝土材料選用同纖維體積摻量CF25鋼纖維混凝土和CF25鋼-玄武巖混雜纖維混凝土，工況2中鋼纖維摻量為42 kg/m3，工況3中鋼纖維和鋼-玄武巖混雜纖維摻量分別為30 kg/m3和3.3 kg/m3，對照組采用素混凝土，計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

2.3 物理參數

模型中用到的圍巖物理參數由地勘資料得到，纖維混凝土物理參數由實驗數據得到，如表2所示。

表2 模型物理參數表

2.4 動力參數

由于計算模型單元數量較多，因此在動力計算中，系統阻尼選用FLAC3D內置的局部阻尼，這樣可大幅縮短動力計算的時長，阻尼系數取 0.157 1。計算采用汶川地震時臥龍站測得的15 s加速度波，用SeismoSignal軟件對其進行濾波處理。為消除FLAC3D在計算完成后的殘余速度和位移，再將地震波進行基線矯正，計算時，3個方向的地震波通過剛性地基(基巖)同時向上傳播。地震波加速度時程曲線如圖1所示(以X方向為例)，頻譜曲線如圖2所示。

圖1 地震波加速度時程曲線圖

圖2 地震波頻譜曲線圖

2.5 監測面及測點布置

計算模型共設置7個監測面，在隧道縱向中心處設置監測斷面S4，與軟硬圍巖交接面夾角為25°。軟巖側設置監測面S1、S2和S3，硬巖側設置監測面S5、S6和S7。相鄰監測面間距離為10 m，監測面布置圖如圖3所示。每個監測面上設置8個監測點，其分布如圖4所示。

圖3 監測斷面布置圖(m)

圖4 測點布置圖

3 纖維混凝土抗震效果分析

3.1 結構位移分析

3種工況下，提取監測面S3、S4、S5處的結構最大位移，如表3所示。

表3 結構最大位移表(mm)

由表3可知，強震作用后，隧道軟硬圍巖交接段軟巖側監測面S3二襯結構發生較大拱頂沉降，3種工況下沉降最大值分別為11.205 mm、11.161 mm和11.155 mm；強震作用后，軟巖側隧道邊墻處發生較大橫向位移，3種工況下位移最大值分別為 4.472 mm、4.334 mm和 4.455 mm。在3種工況下，隧道軟硬圍巖交接段襯砌結構的豎向位移和橫向位移均沿隧道縱向由軟巖段至硬巖段逐漸減小。

按式(1)計算隧道軟硬圍巖交接段纖維混凝土襯砌在位移方面的抗震效果，結果如表4所示。

(1)

式中：ρd——由位移計算得到的纖維混凝土的抗震效果；

Df——纖維混凝土襯砌橫(豎)向位移；

Dp——素混凝土襯砌橫(豎)向位移。

表4 二襯結構橫、豎向位移抗震效果表

由表4可以看出，隧道軟硬圍巖交接段在經歷強震作用后，相比于工況1(素混凝土襯砌)，工況2和工況3使用纖維混凝土對拱頂沉降和二襯結構的水平位移均有抑制作用。

由隧道襯砌的橫向位移和豎向位移，計算得到鋼纖維混凝土襯砌(工況2)在隧道軟硬圍巖交接段的抗震效果分別為2.50%～5.00%和0.32%～0.55%，鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌(工況3)在隧道軟硬圍巖交接段的抗震效果分別為0.32%～0.55%和0.14%～0.94%。在結構位移方面，隧道軟硬圍巖交接段結構采用鋼纖維混凝土襯砌的抗震效果優于采用鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌的抗震效果。

3.2 水平邊墻分析

強震作用后，提取3種工況隧道軟硬圍巖交接段二襯結構S1～S7監測面的水平(邊墻)收斂值，并按式(2)計算由襯砌水平收斂值得到的隧道軟硬圍巖交接段纖維混凝土襯砌的抗震效果，結果如表5所示。

(2)

式中：ρc——由襯砌水平收斂計算得到的纖維混凝土的抗震效果；

cf——纖維混凝土襯砌各監測面的水平收斂值；

cp——素混凝土襯砌各監測面的水平收斂值。

表5 水平(邊墻)收斂值表

由表5可知，強震作用下，工況2和工況3中，隧道軟硬圍巖交接段采用纖維混凝土襯砌時，各斷面的邊墻收斂值相較于工況1(素混凝襯砌)均有所減小。

由邊墻收斂計算得到鋼纖維混凝土襯砌(工況2)在隧道軟硬圍巖交接段的抗震效果為1.74%～6.57%，鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌(工況3)在隧道軟硬圍巖交接段的抗震效果為0.44%～70.04%。鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌在隧道軟硬圍巖交接段硬巖側的抗震效果優于其在軟巖側的抗震效果。

3.3 結構內力分析

由模型中隧道二襯結構的內力數據，采用式(3)、式(4)計算結構在工況1～3下監測面S1～S7上各測點不同時步的安全系數[12]，取監測面上8個測點不同時步的安全系數的最小值來反映結構在該監測面處的安全程度，計算結果如圖5所示。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式中：b——二次襯砌的截面寬度，取1 m；

h——二次襯砌的截面厚度；

Ra——混凝土抗壓極限強度；

Rl——混凝土抗拉極限強度；

K——安全系數；

φ——襯砌縱向彎曲系數；

α——軸向力偏心影響系數。

圖5 最小安全系數圖

由圖5可知，強震作用下隧道軟硬圍巖交接段各監測面的最小安全系數沿隧道縱向由軟巖段至硬巖段逐漸增大，越靠近堅硬圍巖，結構越安全。

采用式(5)計算由結構最小安全系數得到的隧道軟硬圍巖交接段各監測面纖維混凝土襯砌的抗震效果，結果如表6所示。

(5)

式中：ρi——由結構最小安全系數計算得到的纖維混凝土的抗震效果；

If——纖維混凝土襯砌最小安全系數；

Ip——素混凝土襯砌最小安全系數。

表6 最小安全系數抗震效果表

由表6可知，在強震作用下，襯砌材料采用纖維混凝土可使隧道軟硬圍巖交接段的最小安全系數有不同程度的提高，使隧道結構在強震作用下相對安全。工況2中鋼纖維混凝土襯砌在隧道軟硬圍巖交接段中的抗震效果為5.84%～41.30%，工況3中鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌在隧道軟硬圍巖交接段中的抗震效果為12.68%～45.81%。在監測面S1～S7上，鋼-玄武巖混雜纖維混凝土襯砌在隧道結構軟硬圍巖交接段的抗震效果均優于鋼纖維混凝土襯砌在隧道結構軟硬圍巖交接段的抗震效果。

4 結論

本文依托某鐵路隧道，利用有限差分軟件對隧道軟硬圍巖交接段纖維混凝土襯砌的地震響應規律進行了研究，主要結論如下：

(1)軟硬圍巖交接段隧道襯砌采用鋼纖維混凝土后，橫向位移、豎向位移的抗震效果分別為2.50%～5.00%和0.32%～0.55%，邊墻收斂抗震效果為1.74%～6.57%，最小安全系數抗震效果為5.84%～41.30%。

(2)軟硬圍巖交接段隧道襯砌采用鋼-玄武巖混雜纖維混凝土后，橫、豎向位移的抗震效果分別為0.32%～0.55%和0.14%～0.94%，邊墻收斂抗震效果為0.44%～70.04%，安全系數抗震效果為12.68%～45.81%。

(3)綜合位移、內力等指標的抗震效果，同纖維體積摻量條件下，軟硬圍巖交接段隧道襯砌采用鋼-玄武巖混雜纖維混凝土的抗震效果優于鋼纖維混凝土襯砌，推薦該鐵路隧道軟硬圍巖交接段采用鋼-玄武巖混雜纖維混凝土進行抗震設防設計。