隧道软硬围岩交接面倾角对震时结构安全的影响

麻建飞 郭艳军 余君宇 葛 婧 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)

在我国西部地区大量的铁路隧道需穿越软硬围岩交接带，汶川地震的震害资料显示隧道软硬围岩交接带在强震中遭受了严重的震害，严重影响隧道结构的正常使用和灾后重建工作。因此，如何提高强震区隧道软硬围岩交接带的震时结构安全性是保证隧道安全运行的重要因素。

国内对于隧道软硬交接带的研究主要有：依托仁阁隧道等实际工程对隧道软硬围岩交接带施工技术的研究[1-2]；利用汶川地震的震害资料对隧道洞口软硬围岩交接带的破坏机理的研究[3-4]；采用数值模拟和大型振动台试验对隧道洞口软硬围岩交接带的地震响应的研究[5-6]；采用模型试验对隧道软硬围岩交接带中设置减震缝、减震层的减震效果的研究[7-8]；利用数值模拟对隧道软硬围岩交接带采用围岩注浆等抗震措施的抗震效果的研究[9-10]；利用数值模拟研究浅埋隧道跨越不同倾角的软硬围岩交接面的地震响应[11]等。以上对于隧道软硬围岩交接带的研究主要集中在施工技术、震害机理、地震动力响应和抗减震措施等方面，对软硬围岩交接面岩倾角的讨论也仅在浅埋隧道中稍有提及，对强震区山区隧道中软硬围岩交接面倾角与震时结构安全性关系的研究较少。

本文利用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型，对比分析强震作用下隧道跨越不同倾角软硬围岩交接面时结构的变形、主应力、剪应力及内力的变化规律，研究山区隧道在跨越不同倾角的软硬围岩交接面时结构震时安全性的差异问题。研究成果对提高强震区隧道软硬围岩交接带的震时结构安全性有着重要的意义。

1 研究情况

1.1 支护结构概况

选取三心圆马蹄形断面隧道为计算模型，高11 m，跨度为8.55 m，复合式衬砌结构，初期支护采用C25喷射混凝土，厚0.25 m，二衬采用C30模筑混凝土，厚0.45 m。

1.2 计算工况

选取4种软硬围岩交接面倾角进行分析，计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

1.3 数值模型的建立

利用有限差分软件FLAC3D模拟跨越不同倾角软硬围岩交接面隧道在地震荷载作用下的动力响应，数值模型的尺寸为100 m×120 m×90 m。隧道埋深50 m，纵向开挖深度120 m，隧道左右两侧取大于5倍隧道跨度(约45 m)。围岩上盘为Ⅴ级围岩(软弱围岩)，下盘为Ⅲ级围岩(坚硬围岩)，软硬围岩交接面与隧道纵向正交。支护结构和围岩采用实体单元模拟，支护结构的本构模型采用弹性模型，围岩遵从Mohr-Coulomb屈服准则。模型从最底部往上10 m范围内设置基岩层，模拟地震波在传输过程中的刚性地基。计算模型如图1所示。

图1 计算模型(以45°倾角为例)

1.4 物理参数

计算模型中材料的物理参数如表2所示。

表2 模型的物理参数表

1.5 动力计算

选取2008年汶川地震中卧龙站记录的三方向加速度波作为模型输入的地震波，加载时间为14.98 s。为减少干扰波的影响，借助SeismoSignal软件对地震波进行数字滤波处理。为消除动力计算后产生的残余位移，使用基线矫正软件对地震波进行基线矫正，矫正处理后地震波加速度时程曲线如图2所示。计算时地震加速度波通过模型底部基岩向上传播，模型底部采用静态边界，四周采用自由场边界。

图2 加速度时程曲线图(以X向为例)

1.6 监测面及测点布置

模型共设置9个监测面，监测面布置如图3所示。相邻监测面间距10 m，监测面S1～S9模型横截面中软岩范围逐渐减小，硬岩范围逐渐增加。每个监测面共设置8个测点，测点布置如图4所示。

图3 监测面布置图(m)

图4 测点布置图

2 计算结果分析

2.1 边墙收敛

震后各工况隧道结构的边墙收敛量，如图5所示。

图5 边墙收敛量图

由图5(a)可知，隧道软岩侧结构(监测面S1～S4)的边墙收敛量均远大于硬岩侧结构(监测面S6～S9)的边墙收敛量，监测面S1～S9结构边墙收敛量逐渐减小。由图5(b)可知，软岩侧结构边墙收敛量与结构距交界面的距离成正比，随着结构距交界面距离的增大，结构边墙收敛量逐渐增大。

软岩侧隧道结构交接面倾角为30°时各监测面的边墙收敛量最大，为3.08～6.94 mm；倾角为45°时软岩侧各监测面的边墙收敛最小，为2.71～6.23 mm。交接面倾角为60°和75°时软岩侧各监测面的边墙收敛量介于交接面倾角为30°和45°的工况之间，分别为3.00～6.34 mm和2.72～6.89 mm。交接面倾角为45°时，软岩侧结构的边墙收敛相较于倾角为30°、75°和60°的工况平均减小13.20%、8.21%和5.06%。

硬岩侧隧道结构在交接面倾角为45°时各监测面二衬的边墙收敛量最大，为0.82～1.06 mm，倾角为30°时硬岩侧各监测面二衬的边墙收敛量最小，为0.09～0.69 mm。交接面倾角为60°和75°时结构的边墙收敛量介于倾角为45°和30°的工况之间，分别为0.60～0.92 mm和0.41～0.54 mm。交接面倾角为30°时，硬岩侧隧道二衬的边墙收敛量相较于倾角为45°、60°和75°的工况平均减小75.21%、71.19%和52.96%。

2.2 最大主应力

震后隧道二衬的最大主应力云图，如图6所示。

图6 最大主应力图

由图6可知，4种工况下隧道结构的最大主应力峰值均在软硬围岩交接面拱顶处，极小值均在软岩侧洞口左、右拱脚处。软硬围岩交接面倾角为30°时，二衬的最大主应力峰值相较于倾角为45°、60°和75°的工况分别减小45.08%、38.17%和38.40%。

2.3 最大剪应力

震后隧道二衬的最大剪应力云图，如图7所示。

图7 最大剪应力图

由图7可知，4种工况下二衬的最大剪应力峰值均在软硬围岩交接面左、右拱肩处，极小值在隧道两侧洞口仰供处。软硬围岩交接面倾角为30°时，二衬的最大剪应力峰值相较于倾角为45°、60°和75°的工况分别减小26.13%、25.74%和19.05%。

2.4 结构内力

由式(1)、式(2)[11-12]计算各测点的安全系数时程曲线，如图8所示。取同一监测面上不同测点所有时步的结构安全系数的最小值进行分析，如图9所示。

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：b——二衬的截面宽度(m)；

h——二衬的截面厚度(m)；

Ra——混凝土抗压极限强度(MPa)；

Rl——混凝土抗拉极限强度(N)；

K——安全系数；

φ——衬砌纵向弯曲系数；

α——轴向力偏心影响系数；

e0——截面偏心距(m)。

图8 安全系数时程曲线图(工况4监测面S5拱顶测点)

图9 结构最小安全系数图

由图9(a)可知，4种工况下，监测面S1～S9的结构最小安全系数逐渐增大。鉴于隧道硬岩侧结构的最小安全系数均已大于TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》中的安全系数的允许值2.4，故本文对软岩侧隧道结构的最小安全系数进行重点分析。

由图9(b)可知，交接面倾角为30°时，结构各监测面的最小安全系数最小，为0.804～1.795，震时结构安全性最低。交接面倾角为60°时，各监测面的最小安全系数为1.055～1.923，震时结构安全性最高。交接面倾角为45°和75°时，各监测面最小安全系数介于交接面倾角为30°和60°的工况的值之间，分别为0.993～1.871和0.945～1.809。软硬围岩倾角为60°时，结构的最小安全系数相比于倾角为30°、45°和75°的工况平均增大20.90%、3.51%和9.18%。

3 结论

本文通过建立跨越不同交接面倾角隧道的有限元模型，对比分析跨越不同交接面倾角的隧道边墙的收敛、最大主应力、最大剪应力及内力的变化规律，得出以下主要结论：

(1)软岩侧隧道的边墙收敛量在软硬围岩交接面倾角为45°时最小，隧道二衬结构的最大主应力峰值和最大剪应力峰值在交接面倾角为30°时最小。隧道二衬的最小安全系数在交接面倾角为60°时最大。

(2)综合结构变形、应力和内力分析结果可知，跨越不同软硬围岩交接面倾角隧道的震时结构安全性，由高至低为：倾角60°>倾角45°>倾角75°>倾角30°。

(3)隧道软硬围岩交接带软岩侧结构震时安全性均低于硬岩侧，软岩侧应为隧道抗震设防的重点段落。交界面倾角为30°时结构安全性最低，建议采取“减震层+结构加强”的抗减震措施进行隧道的抗震设防。