强震区穿越软硬交界面铁路隧道结构抗震技术研究

申玉生,唐浪洲,周鹏发,杨佳奇,资晓鱼

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

1 概述

在高烈度地震区交通工程建设过程中，隧道工程方案被认为具有良好的抗震性能而被选择[1-5]。但近年来，许多隧道工程的震害实例表明，在强震作用下不良地质地段隧道结构同样会遭受严重破坏。从隧道震害调研中发现，在隧道洞口段围岩地质条件较差，多为强风化的堆积体，且与基岩地质条件差别较大。在地震发生时，山体容易产生滑动和坍塌掩埋隧道洞口，另一方面基覆交界面处隧道衬砌在剪切波和面波的作用下极易产生剪张性环向破裂，需要引起高度重视，应加强洞口段基覆交界面隧道结构的抗震设防设计[6]。

国内许多学者已经对强震区不良地质段隧道结构的地震动力响应展开了一系列研究。高峰[7]基于Newmark隐式积分分析比较了隧道洞口处抗震设防长度，发现该区间衬砌受力和变形受临空面的影响较小，设防长度与周边岩体物理力学性质有关，松软、破碎的岩体越长，隧道抗震设防长度就越大，其断面形状与抗震设防范围之间几乎没有关系。张维庆[8]对穿越断层隧道震害机理进行研究，认为穿越断层区隧道结构为震害设防的重点。汤建良[9]对浅埋公路隧道的抗减震措施进行分析，减震层的厚度对结构减震效果有一定的影响，减震层厚度越大，其减震效果越好。信春雷[10]针对跨断层隧道抗减震措施开展振动台模型试验研究，认为跨断层隧道结构需要设置抗减震措施，并且指出了拱肩、拱脚和仰拱是隧道结构抗震加固的重点部位。唐锞[11]分析了山岭隧道洞口段地震动力响应机理，得出了隧道洞口段的抗震性能与洞口边坡、洞门、明暗交界面和深浅埋分界等位置的衬砌安全性有很大关系，需提出有针对性的抗减震措施。高烈度地震区山岭隧道工程穿越软硬岩交界面时，在地震动作用下衬砌结构受不同围岩介质的强制位移影响，易遭受严重的震害[12]。

目前，国内外对穿越断层破碎带或软弱围岩隧道结构动力响应研究较多，而对洞口段穿越软硬交界面时隧道结构的动力响应特性的研究较少[13]。因此，有必要对洞口段穿越软硬交界面隧道抗减震技术进行探究。本文依托成兰铁路跃龙门隧道工程，对穿越软硬交界面双线铁路隧道结构抗震技术进行深入研究。对比分析隧道减震层和渐进式注浆两种抗减震技术措施，分别讨论设置减震层和渐进式注浆措施对衬砌应力和变形的影响。

2 依托隧道工程概况

以成兰铁路跃龙门隧道工程为研究对象，隧道双洞分修，左、右线线间距为30～63 m。隧道进口紧邻高川双线大桥，高川车站分别伸入左、右线隧道；隧道出口接羊记沟左右线大桥，线路设计为单面上坡，最大埋深1 445 m。隧址区位于松潘甘孜褶皱断裂带与四川盆地交接带之间。区域新构造运动强烈，岩浆岩、沉积岩和变质岩出露。隧道洞门段基覆层为第四系全新滑坡堆积层，厚12～27 m。下伏基岩为千枚岩，碳质千枚岩夹灰岩，裂隙节理发育，岩体破碎。隧道洞口段基覆交界面两侧围岩是由Ⅳ级向Ⅲ级过渡，如图1所示。

图1 跃龙门隧道出口段地质纵断面

隧道洞口段开挖采用全断面法施工，最大开挖宽度为9.5 m，高度为10.7 m，隧道衬砌为C35钢筋混凝土(厚度50 cm)，初期支护为C30混凝土(厚度25 cm)，如图2所示。

图2 跃龙门隧道衬砌横断面(单位：cm)

3 隧道计算模型及力学参数

3.1 隧道计算模型建立

为了保证隧道数值计算结果的可靠性，尽量消除边界效应的影响，双线隧道计算模型水平方向长度取139 m，沿隧道纵向取87 m，模型高度为91 m，软硬交界面距隧道洞口56.5 m，将软硬交界面倾角简化设为90°(图3)。隧道二次衬砌厚度为50 cm，初期支护厚度为25 cm。隧道围岩、二次衬砌采用实体单元模拟，初期支护采用壳单元模拟，软硬交界面采用interface单元模拟，其中围岩采用摩尔-库伦模型，二次衬砌则采用弹性本构模型计算。

图3 隧道计算模型(单位：m)

3.2 地震波的选择

有关研究[14]表明横向剪切波对隧道结构破坏作用大于其他方向的地震波作用，所以，本文采用垂直于隧道纵向的剪切波来模拟洞口段隧道的动力响应。

隧址区离卧龙镇地震波记录站较近，故选取汶川特大地震中记录的卧龙波进行地震动力计算。原始卧龙波加速度时长约180 s，加速度最大峰值发生在33.01 s时刻，为9.58 m/s2。由于计算容量有限，对原始卧龙波进行基线校正和滤波后，选取地震波能量最集中的24～34 s时间段作为地震动输入，加速度曲线见图4。根据跃龙门隧道工程地震场地实际条件，在最终输入应力波时乘以0.3的系数进行折减。

图4 地震波加速度时程曲线

采用FLAC3D软件来求解围岩与隧道衬砌结构的动力力学作用关系。计算时选用的阻尼模块为局部阻尼，临界阻尼比按工程经验取5%，即局部阻尼系数为0.157。模型底部使用黏性边界，将速度时程以应力形式从底部输入，侧边界为自由场边界。

3.3 隧道结构抗减震措施设计及计算工况

针对铁路隧道开挖断面小，有利于提高隧道结构的抗震性能，但同时需要加强隧道结构或围岩注浆加固措施。因为对强震作用下基覆交界面隧道衬砌的破坏，主要是由于衬砌、软岩、硬岩之间的刚度不匹配而造成较大的相对错动，进而导致隧道结构的破坏[15]。因此，针对铁路隧道马蹄形断面特点，提出高烈度地震区基覆交界面隧道结构的抗减震技术措施，即隧道围岩渐进式注浆措施和初期支护与二衬之间设置减震层，如图5、图6所示。隧道围岩采用渐进式注浆方式来使衬砌、软岩、硬岩之间的刚度匹配间接削弱对衬砌的破坏力，另一方面采用初期支护与二衬之间设置减震层的措施减弱地震动响应。

图5 隧道围岩渐进式注浆示意

图6 隧道结构设置减震层示意

本文采用无措施、渐近式注浆和设置减震层3种工况进行对比分析，各工况具体设置形式见表1(表中代表注浆区和减震层的长度、厚度的字母符号参照图5、图6所示)。

表1 隧道计算模型工况

注：各工况中的注浆区和减震层采用实体单元模拟，并按摩尔-库伦模型计算。

根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)[16]，并根据跃龙门隧道现场实际情况进行相应调整，隧道围岩与支护力学参数如表2所示，软硬交界面力学参数如表3所示。

表2 隧道围岩与结构物理力学参数指标

表3 软硬交界面物理力学参数

3.4 隧道衬砌横向相对位移分析方法

在地震作用下，隧道结构随围岩同步震动，绝对位移很难反应隧道结构的变形和破坏情况，则相对位移更具有说服力。本论文主要采取相对位移的分析方法，即同一断面地震动中相同时刻各质点的位移差值。在结构动力响应分析中，主要参考指标为监测点的相对位移峰值。在本次数值模拟中，监测隧道断面对角线方向位移以及仰拱与拱顶之间的横向水平相对位移。故需在每个监测断面设置8个测点，3条测线。隧道断面的测点布置和横向位移如图7所示。D点沿DH测线方向的位移为

ΔD=μDcosα+νDsinα

(1)

H点沿DH测线方向的位移为

ΔH=μHcosα+νHsinα

(2)

式中，μ为水平位移；ν为竖向位移，其下标代表测点编号。

所以，D、H测点沿DH测线方向的相对位移为

ΔDH=ΔH-ΔD

(3)

A、E测点沿垂直AE测线方向的水平相对位移为

ΔAE=μA-μE

(4)

隧道结构纵向监测断面布置如图8所示，在交界面左右18 m和48 m范围内依次设置。

图7 隧道结构测线分布

图8 隧道纵向监测断面分布(单位：m)

4 隧道结构动力响应规律研究

4.1 隧道结构纵向变形规律

限于篇幅，本文主要选取AE测线水平方向、DH测线方向及BF测线方向的相对位移峰值沿纵向的变化对无措施、减震层和渐进式注浆3种工况进行对比分析，见图9～图14。

图9 左线隧道AE测线水平方向相对位移沿纵向变化

图10 左线隧道DH方向相对位移纵向变化

从图9可以看出，对于左线隧道，AE方向水平相对位移峰值沿纵向变化较为平稳，并在软岩段距软硬交界面24 m处的无措施工况和硬岩段距软硬交界面2 m处的无措施工况达到最大和最小值，分别为3.99 mm和1.90 mm。AE方向水平相对位移表现为无措施>减震层>渐进式注浆。

如图10所示，左线隧道对角线DH方向相对位移峰值，在硬岩段是先减小后缓慢增大，进入软岩区之后渐进式注浆工况变化平稳，其他两种工况慢慢减小，在软岩区距交界面30～40 m区间，3种工况由负转正，转正后再逐渐增大。DH方向相对位移峰值的最大值和最小值出现在硬岩段的无措施工况和渐进式注浆工况，分别为6.03 mm和1.19 mm。DH测线相对位移表现为：无措施>减震层>渐进式注浆。

图11 左线隧道BF方向相对位移纵向变化

从图11可以看出，左线隧道BF测线相对位移峰值在软岩段距交界面30 m之前沿纵向变化较缓，而在软岩段距交界面30 m以后，渐进式注浆工况变为正，并逐渐增大，其他两种工况变化依旧较小。BF测线相对位移峰值的最小和最大值出现在软岩段中部的渐进式注浆工况和减震层工况，达到最小和最大值，分别为0.30 mm和3.29 mm。整体来看BF方向相对位移为：减震层>无措施>渐进式注浆。

图12 右线隧道AE测线水平方向相对位移沿纵向变化

在图12中可以观察到，对于右线隧道，AE方向水平相对位移峰值在软岩段距交界面15 m之前沿纵向变化平稳，而在软岩段距交界面15 m之后逐渐增大，增大至距交界面42 m以后保持稳定。其相对位移峰值在软岩区距软硬交界面42 m处的无措施工况和交界面附近的渐进式注浆工况达到最大和最小值，分别为4.49 mm和1.16 mm。AE方向水平相对位移表现为：无措施>减震层>渐进式注浆。

图13 右线隧道DH方向相对位移纵向变化

从图13可以看出，右线隧道对角线DH方向相对位移峰值在硬岩区沿纵向变化较小，进入软岩区之后渐进式注浆工况变化平稳，其他两种工况逐渐减小，在软岩区距交界面30 m以后，3种工况由负转正且缓慢增大。其相对位移峰值在软硬交界面附近软岩侧的渐进式注浆工况和硬岩区的无措施工况达到最小和最大值，分别为1.56 mm和6.36 mm。DH方向相对位移表现为：无措施>减震层>渐进式注浆。

图14 右线隧道BF方向相对位移纵向变化

在图14右线隧道对角线BF方向相对位移变化中可以观察到，BF测线相对位移峰值在硬岩区沿纵向变化较小，进入软岩段后，减震层工况缓慢减小随后趋于平稳，渐进式注浆工况变化平稳而在靠近洞口端迅速增大，无措施工况在软岩区距交界面40 m之前变化不大，而在距交界面40 m以后由正变负随后保持稳定。BF方向相对位移峰值的最小值和最大值发生在硬岩区的渐进式注浆和减震层工况，分别为0.81 mm和4.55 mm。BF方向相对位移表现为：减震层>无措施>渐进式注浆。

综上所述，设置减震层方案对隧道衬砌的横向相对位移有所减小，但减小效果均不及渐进式注浆。总体上，渐进式注浆方案对隧道衬砌中上述3条测线的相对位移减小效果明显，并在左线隧道软岩段中部和右线隧道硬岩段的BF方向相对位移峰值最小，分别为0.30 m m和0.81 mm，此时，相较无措施工况分别减小89.1%和68.4%。

4.2 隧道结构受力分析

由于隧道衬砌结构为弹性材料，所以本文采用第三强度理论，所分析的应力均为第三强度理论的相当应力(注：第三强度理论的相当应力=最大主应力-最小主应力，这里监测的最大主应力和最小主应力分别为监测点所在网格单元的最大主应力和最小主应力)。首先分析在无措施情况下软硬交界面处隧道结构各测点的应力时程变化，见图15和图16(注：拱肩、拱腰和拱脚的应力值取左右侧较大者)。

图15 软硬岩交界面左线隧道结构应力时程曲线

图16 软硬岩交界面右线隧道结构应力时程曲线

从图15和图16可以看出，初始应力并不为零，主要是动力计算开始前的初始地应力平衡过程所致。从图中可以得出，在地震动前4 s时左右线隧道衬砌各测点应力变化较小，而在5.5～9.5 s时段各测点应力变化较大，其中应力峰值集中在9～9.5 s时段。对于左右线隧道软硬交界面处，应力峰值的最大值均发生在拱腰处，分别为4.06 MPa和4.92 MPa。

由于篇幅有限，本文对隧道衬砌应力纵向分析时，仅分析左线隧道拱腰的应力峰值和右线隧道拱腰的应力峰值。在无措施、设置减震层和渐进式注浆3种工况下，左线隧道拱腰的应力峰值和右线隧道拱腰的应力峰值沿隧道纵向分布如图17和图18所示。

图17 左线隧道拱腰应力纵向分布

图18 右线隧道拱腰应力纵向分布

由图17和图18可知，对于左线隧道拱腰与右线隧道拱腰，其应力纵向分布规律基本相同，即在硬岩段至软岩区距软硬交界面24 m处应力峰值呈上下波动变化。所不同之处在于距离交界面24 m以后，左线隧道拱腰应力先降低再增加最后小幅减小，而右线隧道拱腰应力则是先保持稳定最后逐渐降低。在软岩区靠近基覆交界面段，渐进式注浆工况对于应力峰值的削弱大于减震层工况，且在距软硬交界面12 m处减小量最大，其中左线隧道拱腰应力峰值减小量为20.1%，右线隧道拱腰应力峰值减小量为29.0%。而在隧道普通段，渐进式注浆工况对应力峰值的削弱较减震层工况并不明显。

左右隧道各测点在软硬交界面处应力峰值情况见表4和表5，其中拱肩、拱腰和拱脚的应力值取隧道结构左右侧较大者。

表4 软硬交界面左线隧道各测点应力峰值

注：1.最大主应力单位为MPa；

2.百分数表示当前工况相对无措施工况的变化，正值表示增加，负值表示减小。

从表4可知，在左线隧道交界面处，采用渐进式注浆措施除了对衬砌拱肩的应力峰值有所增大外，对于其余位置的应力峰值皆有较大的减小，其中对仰拱处减小量最大，为30.4%。在采用减震层工况时衬砌整体受力有所减小，但在拱肩处受力有所增大，并且除拱顶与拱肩外其他位置的应力峰值减小量均大大小于渐进式注浆情况。

表5 软硬交界面右线隧道各测点应力峰值

注：1.表中最大主应力单位为MPa；

2.表中的百分数表示当前工况相对无措施工况的变化，正值表示增加，负值表示减小。

从表5可知，在右线隧道交界面处，采用渐进式注浆措施对除拱肩外的衬砌其他位置的受力有明显的减小，其中在拱顶处减小量最大，为29.7%，而在拱肩处的应力有所增大。采用减震层工况对衬砌受力也有所减小，但除拱肩外其余位置处的应力峰值减小量皆明显小于渐进式注浆工况。

经过分析得知，左右线隧道在软硬交界面处，采用渐进式注浆措施对衬砌受力峰值有明显的削弱，而设置减震层措施对衬砌受力峰值也有所削弱，但削弱效果不如前者。

5 结论

通过对穿越软硬交界面双线铁路隧道的抗减震措施进行了研究，得到如下结论。

(1)采用渐进式注浆措施能有效减小穿越软硬交界面双线隧道的横向变形，其中左线隧道软岩段中部和右线隧道硬岩段的BF方向相对位移峰值最小，其减小量分别为89.1%和68.4%。而设置减震层措施对双线隧道的横向变形的减小效果不如前者。

(2)左右线隧道在软硬交界面处应力最大值发生在拱腰位置，因此，需加强该处隧道结构抗震加固措施。

(3)在软岩区靠近基覆交界面段，渐进式注浆措施对衬砌受力的削减明显优于设置减震层措施，其中在软硬交界面上渐进式注浆对左线隧道结构仰拱处和右线隧道结构拱顶处的应力峰值削弱效果最佳，其削弱量分别为30.4%和28.6%。

当双线隧道穿越洞口段软硬交界面时，建议采用渐进式注浆的抗减震技术进行围岩加固，无论是在隧道结构的变形还是在隧道结构的受力方面，都可以得到十分良好的抗减震效果。