强震区隧道软硬围岩交接段纤维混凝土衬砌抗震性能研究

麻建飞 郭艳军 崔光耀

(1.北方工业大学， 北京 100144；2.四川电力设计咨询有限责任公司， 成都 610041)

高烈度地震作用下，隧道结构软硬围岩交接段容易发生衬砌掉块、渗水、剪切错位、开裂、仰供隆起和洞口边坡滑塌等震害[1]，严重影响隧道的正常使用和设计寿命。因此，对高烈度地震区隧道软硬围岩交接段的抗震性能进行研究是非常必要的。

高烈度地震区隧道软硬围岩交接段常用的抗震措施包括围岩加强和结构加强。纤维混凝土作为一种水泥基复合材料，其韧性、抗裂、抗剪等力学性能相比素混凝土都有明显提高，将纤维混凝土应用到隧道工程中，可提高衬砌结构的承载性能和抗震性能，且简单易行。因此，本文采用纤维混凝混凝土衬砌来实现结构加强的目的，进而提高隧道软硬围岩交接段的抗震性能[2]。

目前，学术界对隧道中纤维混凝土的研究主要集中在纤维混凝土结构的力学性能、承载性能、抗爆、抗渗及抗震性能[3-6]，复杂地质条件下隧道纤维混凝土的使用[7-8]，隧道中纤维混凝土的施工方法和纤维混凝土在地铁盾构管片上的应用技术等方面[9]。对于软硬围岩交接段隧道的研究主要集中于震害机理、地震响应及破坏机制、围岩注浆和减震层减震效果等方面[10-11]。但对于高烈度地震区隧道纤维混凝土抗震性能的研究较少，对强震作用下软硬围岩交接段隧道纤维混凝土抗震性能的研究更是鲜有报道。因此，本文以某铁路隧道软硬围岩交接段为研究背景，通过有限差分软件FLAC3D建立数学模型，分析高烈度地震作用下隧道软硬围岩交接段衬砌材料采用钢纤维混凝土和钢-玄武岩混杂纤维混凝土时结构的地震响应规律，并得到纤维混凝土衬砌在高烈度地震区隧道软硬围岩交接段的抗震性能。研究成果可为高烈度地震区隧道抗震设防提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

1.2 衬砌结构设计

隧道为三心圆马蹄形断面，跨度11.00 m，高度8.55 m，复合式衬砌，二次衬砌厚0.45 m，采用C25模筑混凝土，初期支护厚0.25 m，采用C20喷射混凝土。

2 研究情况

2.1 数值模型的建立

本文以某铁路隧道软硬围岩交接段为研究对象，采用有限差分软件FLAC3D建立弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。隧道埋深50 m，纵向开挖深度100 m，隧道左右两侧山体宽度各取4～5倍洞宽(约为50 m)。模型的软硬围岩交接面与水平面成65°夹角，上盘为软弱围岩(Ⅴ级)，下盘为坚硬围岩(Ⅲ级)。模型底部设置10 m厚的基岩，用来模拟的地震波传输过程中地下的刚性地基。

2.2 计算工况分组

计算模型中，纤维混凝土材料选用同纤维体积掺量CF25钢纤维混凝土和CF25钢-玄武岩混杂纤维混凝土，工况2中钢纤维掺量为42 kg/m3，工况3中钢纤维和钢-玄武岩混杂纤维掺量分别为30 kg/m3和3.3 kg/m3，对照组采用素混凝土，计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

2.3 物理参数

模型中用到的围岩物理参数由地勘资料得到，纤维混凝土物理参数由实验数据得到，如表2所示。

表2 模型物理参数表

2.4 动力参数

由于计算模型单元数量较多，因此在动力计算中，系统阻尼选用FLAC3D内置的局部阻尼，这样可大幅缩短动力计算的时长，阻尼系数取 0.157 1。计算采用汶川地震时卧龙站测得的15 s加速度波，用SeismoSignal软件对其进行滤波处理。为消除FLAC3D在计算完成后的残余速度和位移，再将地震波进行基线矫正，计算时，3个方向的地震波通过刚性地基(基岩)同时向上传播。地震波加速度时程曲线如图1所示(以X方向为例)，频谱曲线如图2所示。

图1 地震波加速度时程曲线图

图2 地震波频谱曲线图

2.5 监测面及测点布置

计算模型共设置7个监测面，在隧道纵向中心处设置监测断面S4，与软硬围岩交接面夹角为25°。软岩侧设置监测面S1、S2和S3，硬岩侧设置监测面S5、S6和S7。相邻监测面间距离为10 m，监测面布置图如图3所示。每个监测面上设置8个监测点，其分布如图4所示。

图3 监测断面布置图(m)

图4 测点布置图

3 纤维混凝土抗震效果分析

3.1 结构位移分析

3种工况下，提取监测面S3、S4、S5处的结构最大位移，如表3所示。

表3 结构最大位移表(mm)

由表3可知，强震作用后，隧道软硬围岩交接段软岩侧监测面S3二衬结构发生较大拱顶沉降，3种工况下沉降最大值分别为11.205 mm、11.161 mm和11.155 mm；强震作用后，软岩侧隧道边墙处发生较大横向位移，3种工况下位移最大值分别为 4.472 mm、4.334 mm和 4.455 mm。在3种工况下，隧道软硬围岩交接段衬砌结构的竖向位移和横向位移均沿隧道纵向由软岩段至硬岩段逐渐减小。

按式(1)计算隧道软硬围岩交接段纤维混凝土衬砌在位移方面的抗震效果，结果如表4所示。

(1)

式中：ρd——由位移计算得到的纤维混凝土的抗震效果；

Df——纤维混凝土衬砌横(竖)向位移；

Dp——素混凝土衬砌横(竖)向位移。

表4 二衬结构横、竖向位移抗震效果表

由表4可以看出，隧道软硬围岩交接段在经历强震作用后，相比于工况1(素混凝土衬砌)，工况2和工况3使用纤维混凝土对拱顶沉降和二衬结构的水平位移均有抑制作用。

由隧道衬砌的横向位移和竖向位移，计算得到钢纤维混凝土衬砌(工况2)在隧道软硬围岩交接段的抗震效果分别为2.50%～5.00%和0.32%～0.55%，钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌(工况3)在隧道软硬围岩交接段的抗震效果分别为0.32%～0.55%和0.14%～0.94%。在结构位移方面，隧道软硬围岩交接段结构采用钢纤维混凝土衬砌的抗震效果优于采用钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌的抗震效果。

3.2 水平边墙分析

强震作用后，提取3种工况隧道软硬围岩交接段二衬结构S1～S7监测面的水平(边墙)收敛值，并按式(2)计算由衬砌水平收敛值得到的隧道软硬围岩交接段纤维混凝土衬砌的抗震效果，结果如表5所示。

(2)

式中：ρc——由衬砌水平收敛计算得到的纤维混凝土的抗震效果；

cf——纤维混凝土衬砌各监测面的水平收敛值；

cp——素混凝土衬砌各监测面的水平收敛值。

表5 水平(边墙)收敛值表

由表5可知，强震作用下，工况2和工况3中，隧道软硬围岩交接段采用纤维混凝土衬砌时，各断面的边墙收敛值相较于工况1(素混凝衬砌)均有所减小。

由边墙收敛计算得到钢纤维混凝土衬砌(工况2)在隧道软硬围岩交接段的抗震效果为1.74%～6.57%，钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌(工况3)在隧道软硬围岩交接段的抗震效果为0.44%～70.04%。钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌在隧道软硬围岩交接段硬岩侧的抗震效果优于其在软岩侧的抗震效果。

3.3 结构内力分析

由模型中隧道二衬结构的内力数据，采用式(3)、式(4)计算结构在工况1～3下监测面S1～S7上各测点不同时步的安全系数[12]，取监测面上8个测点不同时步的安全系数的最小值来反映结构在该监测面处的安全程度，计算结果如图5所示。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式中：b——二次衬砌的截面宽度，取1 m；

h——二次衬砌的截面厚度；

Ra——混凝土抗压极限强度；

Rl——混凝土抗拉极限强度；

K——安全系数；

φ——衬砌纵向弯曲系数；

α——轴向力偏心影响系数。

图5 最小安全系数图

由图5可知，强震作用下隧道软硬围岩交接段各监测面的最小安全系数沿隧道纵向由软岩段至硬岩段逐渐增大，越靠近坚硬围岩，结构越安全。

采用式(5)计算由结构最小安全系数得到的隧道软硬围岩交接段各监测面纤维混凝土衬砌的抗震效果，结果如表6所示。

(5)

式中：ρi——由结构最小安全系数计算得到的纤维混凝土的抗震效果；

If——纤维混凝土衬砌最小安全系数；

Ip——素混凝土衬砌最小安全系数。

表6 最小安全系数抗震效果表

由表6可知，在强震作用下，衬砌材料采用纤维混凝土可使隧道软硬围岩交接段的最小安全系数有不同程度的提高，使隧道结构在强震作用下相对安全。工况2中钢纤维混凝土衬砌在隧道软硬围岩交接段中的抗震效果为5.84%～41.30%，工况3中钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌在隧道软硬围岩交接段中的抗震效果为12.68%～45.81%。在监测面S1～S7上，钢-玄武岩混杂纤维混凝土衬砌在隧道结构软硬围岩交接段的抗震效果均优于钢纤维混凝土衬砌在隧道结构软硬围岩交接段的抗震效果。

4 结论

本文依托某铁路隧道，利用有限差分软件对隧道软硬围岩交接段纤维混凝土衬砌的地震响应规律进行了研究，主要结论如下：

(1)软硬围岩交接段隧道衬砌采用钢纤维混凝土后，横向位移、竖向位移的抗震效果分别为2.50%～5.00%和0.32%～0.55%，边墙收敛抗震效果为1.74%～6.57%，最小安全系数抗震效果为5.84%～41.30%。

(2)软硬围岩交接段隧道衬砌采用钢-玄武岩混杂纤维混凝土后，横、竖向位移的抗震效果分别为0.32%～0.55%和0.14%～0.94%，边墙收敛抗震效果为0.44%～70.04%，安全系数抗震效果为12.68%～45.81%。

(3)综合位移、内力等指标的抗震效果，同纤维体积掺量条件下，软硬围岩交接段隧道衬砌采用钢-玄武岩混杂纤维混凝土的抗震效果优于钢纤维混凝土衬砌，推荐该铁路隧道软硬围岩交接段采用钢-玄武岩混杂纤维混凝土进行抗震设防设计。