強震區隧道洞口段剛柔并濟抗震技術研究

蔣夢新 邱楓博 劉久明 崔光耀

(北方工業大學，北京 100144)

隨著我國隧道建設的快速發展，隧道修建時所面臨的埋深大、縱深長、地質條件復雜、修建難度大的情況隨之增多[1]。在5.12汶川大地震中，與隧道其它部分相比，隧道洞口段，特別是淺埋洞口段，結構破壞更為嚴重[2]。因此，有必要對強震區隧道洞口段的抗震技術進行研究。

目前，國內外隧道抗震、減震措施研究主要有：通過對兩種工況“圍巖-初支-減震層-二襯”、“圍巖-減震層-初支-二襯”的減震效果進行對比分析，發現“圍巖-初支-減震層-二襯”的隧道結構在新奧法施工方面更具優勢[3]；通過建立試驗模型，分析隧道減震層的減震機理與減震機制，發現隧道設置減震層可有效降低裂縫數量與尺寸[4]；通過現場調查，結合室內試驗與理論推導，對隧道減震層的減震原理進行分析[5]；通過室內模型試驗和數值模擬，進行鋼纖維混凝土襯砌模型承載能力和受力特性研究，發現隧道結構采用單層鋼纖維混凝土二次襯砌后，隧道各項受力特性均有所改善[6-7]；以實際工程為背景，利用數值分析軟件，對高烈度地震區隧道結構的抗震、減震綜合措施進行研究，發現針對不同實際工程對抗震、減震措施進行不同組合時，隧道工程可以更加經濟、安全[8-10]。綜上可知，目前研究多集中于分別對隧道設置減震層、圍巖注漿與采用鋼纖維混凝土作為襯砌材料時的抗震、減震效果進行研究，對于強震區隧道洞口段同時采用抗震、減震措施的研究較少。

本文以樊家寨隧道芒市進口段為研究背景，利用ABAQUS進行工程模擬，與無措施(素混凝土二襯)隧道模型計算工況對比，對隧道洞口段使用“圍巖-初支-減震層-鋼纖維混凝土二襯”結構時的剛柔并濟抗震技術進行研究。研究結果可為強震區隧道洞口段采用抗震、減震綜合措施的類似工程提供參考。

1 研究概況

1.1 工程地質概況

由地質勘探資料可知，隧址區所經過的梁河、盈江、戶撒、隴川盆地為“歹”字型構造所控制，并由大盈江斷裂、殿廣～平山斷裂、瓦得龍斷裂沉陷而成，堆積了第四系地層，基底為元古代黑云母花崗巖，周邊為構造剝蝕中山區。根據地質調查，隧址區未見有泥石流、滑坡、崩塌等不良地質作用發育，場地較穩定，不易富集形成穩定的地下水位，不存在土壤污染，適宜進行隧道建設。

1.2 計算模型

以樊家寨隧道芒市進口段為依托，利用ABAQUS軟件建立有限元計算模型。模型圍巖遵從摩爾-庫倫強度準則，由上至下依次為粉質粘土、Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級圍巖，模型橫向長約39 m，縱向長約10 m，豎向長約80.05 m，底部為20 m厚Ⅱ級基巖。模型初支厚度為25 mm，減震層厚度為10 mm，二次襯砌厚度為50 mm。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

1.3 模型參數

計算模型以C25噴射混凝土作為初支材料、泡沫橡膠板作為減震層材料、CF25鋼纖維混凝土(鋼纖維摻量為42 kg/m3， 以下簡稱SFRC)與C25素混凝土作為二襯結構材料。模型材料參數如表1所示。

表1 模型材料參數表

1.4 計算工況

為進行強震區隧道洞口段剛柔并濟抗震技術研究，選取“C25素混凝土二襯”(工況Ⅰ)與“CF25鋼纖維混凝土二襯+初支與二襯之間設置10 cm厚減震層”(工況Ⅱ)計算工況，從隧道模型計算結果中提取位移、應力等相關數據，對采取剛柔并濟抗震技術后的抗震效果進行分析。

1.5 監測點布置

為方便對不同工況下襯砌結構安全性進行評價分析，在隧道襯砌結構縱向計算深度中間部位取一監測面，監測面上各監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置圖

1.6 動力荷載

計算模型動力荷載采用汶川(臥龍測站)8度地震波，經過濾波軟件矯正后的加速度時程曲線(以Z向為例)，如圖3所示。

圖3 Z向加速度圖

2 計算結果及分析

2.1 結構應力分析

提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結構最大、最小主應力及剪應力云圖，如圖4～圖6所示。

圖4 最大主應力云圖

圖5 最小主應力云圖

圖6 剪應力云圖

由圖4～圖6可知，工況Ⅰ(素混凝土二襯)襯砌結構最大、最小主應力極值與剪應力極值均出現在左拱腳附近；工況Ⅱ(SFRC二襯+10 cm厚減震層)最大、最小主應力極值出現在右拱腳附近，剪應力極值出現在左拱腳附近。

從圖4～圖6中提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結構最大、最小主應力極值與剪應力極值，與工況Ⅰ對比，分析工況Ⅱ的抗震效果，結果如表2所示。

表2 應力極值及抗震效果表

由表2可知，與無措施(工況Ⅰ)相比，采取措施后(SFRC 二襯+10 cm厚減震層)，二襯結構最大、最小主應力極值與剪應力極值有明顯降低。其中，最大主應力極值由1.603 MPa降低到1.267 MPa，抗震效果為20.96%；二襯結構最小主應力極值由-5.925 MPa降低到-5.189 MPa，抗震效果為12.42%；二襯結構剪應力極值由5.744 MPa降低到5.065 MPa，抗震效果為11.82%。

2.2 結構位移分析

提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結構X，Y，Z共3個方向位移的合位移云圖，如圖7所示。

圖7 合位移云圖

從圖7中提取二襯結構合位移最大值，分析工況Ⅱ相對于工況Ⅰ的抗震效果，合位移最大值及抗震效果如表3所示。

表3 合位移及抗震效果表

由表3可知，與工況Ⅰ相比，采取措施(SFRC 二襯+10 cm厚減震層)后，二襯結構合位移最大值大幅度減少，由18.69 mm減少至10.42 mm，抗震效果為44.25%。

2.3 結構安全性評價

為分析二襯結構安全性，從隧道洞口段模型計算結果中提取出相關數據，得出各監測點最小安全系數，如圖8所示。與工況Ⅰ(素混凝土二襯)為對比，由 式(1)分析工況Ⅱ(SFRC二襯+10 cm厚減震層)的抗震效果，分析結果如表4所示。

表4 安全系數及抗震效果表

圖8 監測點最小安全系數圖

二襯結構安全系數抗震效果:

(1)

式中：ρk——安全系數抗震效果；

K1——監測點最小安全系數(工況Ⅱ)；

K0——監測點最小安全系數(工況Ⅱ)。

由表4可知，二襯結構各監測點最小安全系數系數最小值出現在左拱腳處，遠遠低于隧道結構安全性要求。無措施(工況Ⅱ)時，二襯結構監測面各監測點最小安全系數最小值為0.756，采取措施(工況Ⅱ)后，二襯結構監測面各監測點最小安全系數最小值為2.214，抗震效果為192.86%。

3 結論

本文以樊家寨隧道芒市進口段為依托工程，利用ABAQUS軟件建立模型分析，開展強震區隧道洞口段剛柔并濟抗震技術研究，得出主要結論如下：

(1)二襯結構應力方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛柔并濟抗震措施后，二襯結構的最大、最小主應力與剪應力極值均有不同程度的降低，其中，最大主應力極值減少0.336 MPa，抗震效果為20.96%，最小主應力極值減少0.736 MPa，抗震效果為12.42%，剪應力極值減少0.679 MPa，抗震效果為11.82%。

(2)二襯結構位移方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛柔并濟抗震措施后，二襯結構合位移最大值有明顯減小，減小8.27 mm，抗震效果為44.25%。

(3)二襯結構安全性方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛柔并濟抗震措施后，二襯結構監測面各監測點最小安全系數均有明顯的增加。其中，監測面各監測點最小安全系數最小值由0.756增加至2.214，抗震效果為192.86%。