强震区隧道洞口段刚柔并济抗震技术研究

蒋梦新 邱枫博 刘久明 崔光耀

(北方工业大学，北京 100144)

随着我国隧道建设的快速发展，隧道修建时所面临的埋深大、纵深长、地质条件复杂、修建难度大的情况随之增多[1]。在5.12汶川大地震中，与隧道其它部分相比，隧道洞口段，特别是浅埋洞口段，结构破坏更为严重[2]。因此，有必要对强震区隧道洞口段的抗震技术进行研究。

目前，国内外隧道抗震、减震措施研究主要有：通过对两种工况“围岩-初支-减震层-二衬”、“围岩-减震层-初支-二衬”的减震效果进行对比分析，发现“围岩-初支-减震层-二衬”的隧道结构在新奥法施工方面更具优势[3]；通过建立试验模型，分析隧道减震层的减震机理与减震机制，发现隧道设置减震层可有效降低裂缝数量与尺寸[4]；通过现场调查，结合室内试验与理论推导，对隧道减震层的减震原理进行分析[5]；通过室内模型试验和数值模拟，进行钢纤维混凝土衬砌模型承载能力和受力特性研究，发现隧道结构采用单层钢纤维混凝土二次衬砌后，隧道各项受力特性均有所改善[6-7]；以实际工程为背景，利用数值分析软件，对高烈度地震区隧道结构的抗震、减震综合措施进行研究，发现针对不同实际工程对抗震、减震措施进行不同组合时，隧道工程可以更加经济、安全[8-10]。综上可知，目前研究多集中于分别对隧道设置减震层、围岩注浆与采用钢纤维混凝土作为衬砌材料时的抗震、减震效果进行研究，对于强震区隧道洞口段同时采用抗震、减震措施的研究较少。

本文以樊家寨隧道芒市进口段为研究背景，利用ABAQUS进行工程模拟，与无措施(素混凝土二衬)隧道模型计算工况对比，对隧道洞口段使用“围岩-初支-减震层-钢纤维混凝土二衬”结构时的刚柔并济抗震技术进行研究。研究结果可为强震区隧道洞口段采用抗震、减震综合措施的类似工程提供参考。

1 研究概况

1.1 工程地质概况

由地质勘探资料可知，隧址区所经过的梁河、盈江、户撒、陇川盆地为“歹”字型构造所控制，并由大盈江断裂、殿广～平山断裂、瓦得龙断裂沉陷而成，堆积了第四系地层，基底为元古代黑云母花岗岩，周边为构造剥蚀中山区。根据地质调查，隧址区未见有泥石流、滑坡、崩塌等不良地质作用发育，场地较稳定，不易富集形成稳定的地下水位，不存在土壤污染，适宜进行隧道建设。

1.2 计算模型

以樊家寨隧道芒市进口段为依托，利用ABAQUS软件建立有限元计算模型。模型围岩遵从摩尔-库伦强度准则，由上至下依次为粉质粘土、Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级围岩，模型横向长约39 m，纵向长约10 m，竖向长约80.05 m，底部为20 m厚Ⅱ级基岩。模型初支厚度为25 mm，减震层厚度为10 mm，二次衬砌厚度为50 mm。计算模型如图1所示。

图1 计算模型图

1.3 模型参数

计算模型以C25喷射混凝土作为初支材料、泡沫橡胶板作为减震层材料、CF25钢纤维混凝土(钢纤维掺量为42 kg/m3， 以下简称SFRC)与C25素混凝土作为二衬结构材料。模型材料参数如表1所示。

表1 模型材料参数表

1.4 计算工况

为进行强震区隧道洞口段刚柔并济抗震技术研究，选取“C25素混凝土二衬”(工况Ⅰ)与“CF25钢纤维混凝土二衬+初支与二衬之间设置10 cm厚减震层”(工况Ⅱ)计算工况，从隧道模型计算结果中提取位移、应力等相关数据，对采取刚柔并济抗震技术后的抗震效果进行分析。

1.5 监测点布置

为方便对不同工况下衬砌结构安全性进行评价分析，在隧道衬砌结构纵向计算深度中间部位取一监测面，监测面上各监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置图

1.6 动力荷载

计算模型动力荷载采用汶川(卧龙测站)8度地震波，经过滤波软件矫正后的加速度时程曲线(以Z向为例)，如图3所示。

图3 Z向加速度图

2 计算结果及分析

2.1 结构应力分析

提取工况Ⅰ、工况Ⅱ二衬结构最大、最小主应力及剪应力云图，如图4～图6所示。

图4 最大主应力云图

图5 最小主应力云图

图6 剪应力云图

由图4～图6可知，工况Ⅰ(素混凝土二衬)衬砌结构最大、最小主应力极值与剪应力极值均出现在左拱脚附近；工况Ⅱ(SFRC二衬+10 cm厚减震层)最大、最小主应力极值出现在右拱脚附近，剪应力极值出现在左拱脚附近。

从图4～图6中提取工况Ⅰ、工况Ⅱ二衬结构最大、最小主应力极值与剪应力极值，与工况Ⅰ对比，分析工况Ⅱ的抗震效果，结果如表2所示。

表2 应力极值及抗震效果表

由表2可知，与无措施(工况Ⅰ)相比，采取措施后(SFRC 二衬+10 cm厚减震层)，二衬结构最大、最小主应力极值与剪应力极值有明显降低。其中，最大主应力极值由1.603 MPa降低到1.267 MPa，抗震效果为20.96%；二衬结构最小主应力极值由-5.925 MPa降低到-5.189 MPa，抗震效果为12.42%；二衬结构剪应力极值由5.744 MPa降低到5.065 MPa，抗震效果为11.82%。

2.2 结构位移分析

提取工况Ⅰ、工况Ⅱ二衬结构X，Y，Z共3个方向位移的合位移云图，如图7所示。

图7 合位移云图

从图7中提取二衬结构合位移最大值，分析工况Ⅱ相对于工况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，与工况Ⅰ相比，采取措施(SFRC 二衬+10 cm厚减震层)后，二衬结构合位移最大值大幅度减少，由18.69 mm减少至10.42 mm，抗震效果为44.25%。

2.3 结构安全性评价

为分析二衬结构安全性，从隧道洞口段模型计算结果中提取出相关数据，得出各监测点最小安全系数，如图8所示。与工况Ⅰ(素混凝土二衬)为对比，由 式(1)分析工况Ⅱ(SFRC二衬+10 cm厚减震层)的抗震效果，分析结果如表4所示。

表4 安全系数及抗震效果表

图8 监测点最小安全系数图

二衬结构安全系数抗震效果:

(1)

式中：ρk——安全系数抗震效果；

K1——监测点最小安全系数(工况Ⅱ)；

K0——监测点最小安全系数(工况Ⅱ)。

由表4可知，二衬结构各监测点最小安全系数系数最小值出现在左拱脚处，远远低于隧道结构安全性要求。无措施(工况Ⅱ)时，二衬结构监测面各监测点最小安全系数最小值为0.756，采取措施(工况Ⅱ)后，二衬结构监测面各监测点最小安全系数最小值为2.214，抗震效果为192.86%。

3 结论

本文以樊家寨隧道芒市进口段为依托工程，利用ABAQUS软件建立模型分析，开展强震区隧道洞口段刚柔并济抗震技术研究，得出主要结论如下：

(1)二衬结构应力方面，与“素混凝土二衬”相比，采取“SFRC 二衬+10 cm厚减震层”的刚柔并济抗震措施后，二衬结构的最大、最小主应力与剪应力极值均有不同程度的降低，其中，最大主应力极值减少0.336 MPa，抗震效果为20.96%，最小主应力极值减少0.736 MPa，抗震效果为12.42%，剪应力极值减少0.679 MPa，抗震效果为11.82%。

(2)二衬结构位移方面，与“素混凝土二衬”相比，采取“SFRC 二衬+10 cm厚减震层”的刚柔并济抗震措施后，二衬结构合位移最大值有明显减小，减小8.27 mm，抗震效果为44.25%。

(3)二衬结构安全性方面，与“素混凝土二衬”相比，采取“SFRC 二衬+10 cm厚减震层”的刚柔并济抗震措施后，二衬结构监测面各监测点最小安全系数均有明显的增加。其中，监测面各监测点最小安全系数最小值由0.756增加至2.214，抗震效果为192.86%。