高地震烈度区隧道衬砌结构优化设计研究分析

王志强

摘要： 西南地区高山峡谷地形居多，衬砌结构在高地震烈度区开挖山岭隧道时具有广泛的应用前景。西南山岭地区普遍存在软弱围岩且围岩性质差，面临着断裂构造、滑坡、泥石流等地质灾害的威胁，给隧道安全运营带来极大的隐患。本文对高地震烈度地区的隧道衬砌结构进行优化设计，应用Midas/GTS进行数值模拟分析，为实际工程提供参考建议。

Abstract： There are many high mountain and canyon terrains in the southwest area， and lining structure has a wide application prospect in mountain tunnel excavation in high earthquake intensity area. In the southwest mountain area， due to the surrounding soft rock with poor properties， it is facing geological hazards such as fault structure， landslide， debris flow， bringing great risks to the safe operation of the tunnel. This paper optimizes the design of tunnel lining structure in high seismic intensity area， uses the Midas/GTS to take a numerical simulation analysis， in order to provide reference for practical engineering.

關键词： 高地震烈度；隧道开挖；Midas/GTS；衬砌优化

Key words： high seismic intensity；tunnel excavation；Midas/GTS；lining optimization

中图分类号：P539.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0089-03

0 引言

随着我国西南地区交通运输网的快速发展，隧道建设已进入高地震烈度地区[1-3]。殷允腾[4]等研究分析了地震作用下轨道结构在土岩软硬结合部位的破坏机理及相关安全措施，张金柱[5]等以极限平衡理论为基础采用条分法对隧道洞口仰坡进行稳定性验算，并进行了优化设计，杨修[6]总结和归纳了位移判别法、强度准则法、极限应变法、塑性区尺寸判别法四种层状岩体中适用的失稳判别依据；Wang.Y，Yin.J.M[7]等对层状岩体的各向异性特性运用FLAC3D软件用于分析的变形，得出当岩层的倾向保持不变，随岩层倾角的增大，隧道周边位移是有减少的趋势的结论。所以对高地震烈度地区隧道衬砌结构优化设计进行研究具有十分重要的理论与工程意义。

1 工程概况

国家高速公路网G5613保山至泸水高速公路，主线为南北走向。路线起于K52+860（石头寨互通终点），向北沿怒江西岸布线，接已建的六库至跃进桥二级公路。主线桩号范围K52+860～K77+148.833，路线全长24.289公里。根据《建筑抗震设计规范》（GB5001 1—2001），本标段主线及六库连接线地震动峰值加速度系数为0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度；芒宽连接线地震动峰值加速度系数为0.20g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。项目区位于东经98°50′～99°15′，北纬25°00′～25°50′之间，属亚热带高原季风型气候区，气候温和湿润，无明显四季之分，年降雨量500～1400毫米，年平均气温12～20摄氏度，干、雨季分明，雨季5～10月份，降雨量占全年的70%。由于地形高差悬殊，气温垂直分带明显，3000m以上高山冬季有积雪，其余地区有霜冻。

2 工程地质及水文条件

2.1 工程地质条件

工程地处滇西横断山脉中段，澜沧江与怒江之间，地势基本呈北高南低，多属中山构造侵蚀剥蚀地貌。线路穿越区出露从古生界至新生界诸多地层，地质时代跨度大，岩石种类多，岩相复杂，沉积岩、变质岩、岩浆岩三大岩均有不同程度的出露，工程区地貌与典型地层如图1。位于青、藏、滇、缅、印度尼西亚巨型“歹”字犁构造体系的东支中段与经向构造体系复合部位，其中北西向崇山构造带占主导，同时受经向构造体系的控制。工程区内断裂构造走向以北西向为主，伴生小型断裂的产生，使测区的岩层被切割，呈方格状、菱形状，导致岩体破碎。项目区域距怒江大断裂较近，受构造影响强烈，地层破碎比较严重，导致边坡松散，存在不稳定性边坡。

2.2 水文地质条件

工程区内地形地貌除受构造影响强烈外，河流也对地形地貌的改造有着较大影响。区内水系极为发育，东西两侧分属澜沧江和怒江水系，主要河流有怒江、澜沧江等，山间尚有漕涧河、孙足河等河流发育，河流切割作用显著，河谷较为狭窄陡峭，除怒江河谷较为开阔外，其余河流下切作用均明显强于侧蚀作用。河流或沿构造形迹切割，或溯源侵蚀横切山脉，形成了区内现在较为复杂的地形地貌。工程区位于东经98°50′～99°15′，北纬25°00′～25°50′之间，属亚热带高原季风型气候区，气候温和湿润，无明显四季之分，年降雨量500～1400mm，干、雨季分明，雨季5～10月份，降雨量占全年的70%。由于地形高差悬殊，气温垂直分带明显，3000m以上高山冬季有积雪，其余地区有霜冻。

3 隧道衬砌优化设计与数值模拟分析

根据隧址区的工程地质、地形情况和路线总体走势，隧道平面布置采用分离式隧道形式，隧道间距根据围岩情况确定，一般情况下左、右线隧道净距按25～40m控制。对于隧道群段的路线平纵设计，不应根据单独的隧道来考虑，将整个隧道群作为一座隧道来进行整体設计，隧道建筑限界净宽为10.00m，其组成：行车道宽度为3.5×2m，左侧路缘带宽度为0.5m，右侧路缘带宽度为0.5m，左侧检修道宽1.00m，右侧检修道宽1.00m；隧道建筑限界净高为5.0m。隧道明洞采用整体式C25钢筋混凝土衬砌，暗洞衬砌结构均采用新奥法复合式衬砌，隧道支护参数选择以工程类比为主。

本文除对小净距隧道段衬砌结构设计的初期支护和二次衬砌进行适当加强外，还通过施做预应力锚杆加固中间岩柱。当左右线两洞净距小于6m时，采用水平对穿预应力锚杆加固中间岩体；左右线两洞净距大于6m时，采用低预应力锚杆加固中间岩体。当中间岩体破碎时，视具体情况采取必要的注浆加固措施，增强中间岩体强度。通过Midas/GTS进行数值模拟分析分析进行校核，将荷载结构法与地层结构法结合使用，在计算中根据实际情况选取参数与设定边界条件，并考虑了地下水压力的影响。隧道衬砌计算模型与围岩压力荷载分布如图2。经优化后，模型计算得衬砌水平方向与竖直方向位移如图3，二次衬砌混凝土弯矩与应力图如图4。

由图3所示，通过优化设计处理，该隧道区段在自重应力状态下，受围岩压应力的作用向隧道内侧偏移，水平方向位移最大值出现在衬砌结构的中下部，左壁中部为0.037m，右壁中部为0.047m，即该区域所产生的水平方向变形相对其他部位更显著，容易失稳，对隧道的安全性与稳定性造成影响。衬砌顶部与底部受围岩压应力的竖向作用向隧道内侧弯曲，产生较大的竖向位移，竖直方向位移最大值出现在衬砌结构的顶底部，其中顶部位移数值相对较小，底部位移较大，是由于顶部接近地面，受围岩压力相对较小。由图4可二次衬砌后衬砌结构所受的弯矩与应力总体呈均匀分布，说明隧道结构面设计平滑过渡，使得衬砌结构受力均匀，避免了应力集中，增强了隧道稳定性。

4 结论

本文依托国家高速公路网G5613保山至泸水高速公路隧道路段的具体工程，从实际工程地质情况出发，对高烈度地震区隧道衬砌结构进行了优化设计，研究分析了高围岩压力下衬砌结构的优化对隧道稳定性与局部受力特征的影响，并进行了精细数值模拟分析，得出通过对隧道衬砌结构的优化设计可以提高隧道的稳定性与安全性，使衬砌结构更大限度地发挥支撑作用，减少了高围岩压力作用下隧道中下部水平位移与衬砌顶底部变形，提高了工程结构的耐久性，行驶的安全性，养护维修的可行性，防灾的有效性，为以后的隧道工程建设提供技术参考。

参考文献：

[1]朱正国，余剑涛.高烈度活断层地区隧道结构抗震的综合措施[J].中国铁科学2014，35（6）：55-62.

[2]崔光耀，倪嵩陡.高烈度地区黏滑断层隧道减震模型试验研究[J].岩土工程学报，2016，30（5）：46-50.

[3]耿亚帅.高烈度地震区隧道衬砌背后空洞危害及加固方案优化研究[D].石家庄铁道大学，2015：3-22.

[4]刘学增，林亮伦.75°倾角逆断层粘滑错动对公路隧道影响的模型实验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（12）：2523-2530.

[5]刘红兵.岩层倾角对层状岩体隧道稳定性影响分析[J].公路工程，2013（8）：167-169.

[6]杨修.深埋水平岩层隧道开挖围岩稳定性分析[D].北京交通大学，2012.

[7]Wang. Y， Yin. J. M， Xiao. G. Q. Three-dimensional stability analysis of stratified rock mass tunnel based on anisotropic theory.[C]. Rock Stress and Earthquakes - Proceedings of the 5th International Symposium on In-Situ Rock Stress，2010：617-621.