蘇 惠,賈 良,嚴(yán)松宏,張巧慧

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系,陜西 渭南714000;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730070)

隧道的進(jìn)出口是隧道唯一的暴露部分,是整個隧道抗震設(shè)防的薄弱環(huán)節(jié)。隧道洞口所處的地質(zhì)條件,多為嚴(yán)重風(fēng)化的堆積體,覆蓋層較薄,容易造成山體失穩(wěn),產(chǎn)生滑動和坍塌。大量的地震災(zāi)害表明,地震對淺埋隧道、偏壓隧道、明洞及洞門的影響較大。在地形、地質(zhì)條件不利的地段,當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時,常由于滑坡、地表開裂、斷層位移等造成洞口堵塞、洞門開裂、襯砌變形等不同程度的破壞[1]。因此,在隧道和隧道洞口位置選擇及具體設(shè)計時,應(yīng)考慮地震烈度、地形和地質(zhì)條件,特別是地形陡峻的不良地質(zhì)對隧道的影響。

本文運用結(jié)構(gòu)動力分析計算方法和ANSYS軟件中瞬態(tài)動力分析[2]的功能,研究了地震荷載作用下圍巖材料的漸變對隧道洞口段抗震性能的影響。

1 計算方法

采用Newmark隱式積分預(yù)估修正算法求解運動平衡方程[3]。有限元體系在t+Δ t時刻的運動平衡方程為

式中:M為體系的總質(zhì)量矩陣;C為體系的總阻尼矩陣;K為體系的總剛度矩陣;+Δt為體系的節(jié)點加速度向量;+Δt為體系的節(jié)點速度向量;ut+Δt為體系的節(jié)點位移向量;Ft+Δt為外荷載向量為單元應(yīng)變矩陣;為單元應(yīng)力向量。

Newmark方法采用下列假設(shè):式中:δ、γ為積分常數(shù),分別取為0.5、0.25。Newmark隱式積分法是無條件穩(wěn)定的。

體系的總阻尼矩陣采用瑞利阻尼式中:α、β為常數(shù),可分別按兩種不同的振動頻率下測得的阻尼比ξ加以確定[4]。

2 有限元模型的建立

隧道進(jìn)口段位于右江南岸低山丘陵區(qū),洞身埋藏較淺,埋深約20 m。巖體較破碎,節(jié)理及裂隙發(fā)育。起迄里程為DK11+970～DK13+585,全長1 565 m。文章選取定造隧道洞口DK11+970～DK12+050段。計算范圍為:長×寬×高=80 m×60 m×55 m。采用8節(jié)點三維等參數(shù)單元solid45以及彈簧單元combin14,共劃分單元總數(shù)27 156,節(jié)點總數(shù)29991。隧道結(jié)構(gòu)體系有限元模型如圖1所示。為研究圍巖參數(shù)的變化對隧道地震響應(yīng)的影響,選取了5組不同的圍巖[5],圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。邊界條件為:底面、兩個側(cè)面和后側(cè)設(shè)置粘-彈性人工邊界,前側(cè)為自由邊界。圍巖材料沿隧道軸向的分布情況見圖2,計算工況見表2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)體系有限元網(wǎng)格模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 圍巖沿隧道軸向的分布情況

表2 計算工況

本文選取EL-Centro[6]水平8度地震波為地震輸入。地震波(震級M=7.1,震中距50 km,最大加速度NS分量為3.42 m/s,持續(xù)時間30 s)的前10 s加速度記錄作為輸入的地震荷載,如圖3所示。

圖3 EL-Centro地震加速度南北分量記錄曲線

3 計算結(jié)果與分析

3.1 襯砌關(guān)鍵部位應(yīng)力結(jié)果分析

圖4～圖6為各工況下沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳處最大應(yīng)力變化曲線。從圖4、圖5中可以看出,不論洞身段圍巖為圍巖5或圍巖4,對于洞口段分布著地質(zhì)條件差的圍巖,即計算中洞口段圍巖是由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時,洞口段襯砌的應(yīng)力顯著的增大。從圖6可以看出,對于未考慮洞口段圍巖分布逐漸變化的情況,即洞身段圍巖與洞口段圍巖相同的情況,洞口段襯砌應(yīng)力與洞身段襯砌應(yīng)力基本相同。

圖4 工況1-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

圖5 工況2-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

圖6 工況3-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

對照圖4和圖5可見,洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的長度越長,洞口段襯砌應(yīng)力就越大,洞口段設(shè)防長度就越長;圖4中圍巖漸變段長度為20 m,而圖5中圍巖漸變段長度為40 m,后者洞口段襯砌最大主應(yīng)力約增大了42%左右;當(dāng)洞口圍巖漸變段長度為20 m時,襯砌最大應(yīng)力發(fā)生在距洞口15 m處左右,距洞口30 m以后襯砌應(yīng)力才逐漸減小,所以此時洞口段抗震設(shè)防長度選取30 m比較合適,當(dāng)洞口圍巖漸變段長度為40 m時,襯砌最大應(yīng)力發(fā)生在距洞口27.5 m處左右,距洞口50 m以后襯砌應(yīng)力才逐漸減小,所以此時洞口段抗震設(shè)防長度選取50 m比較合適。由此可見洞口段設(shè)防長度與洞口段圍巖性質(zhì)是有很大關(guān)系的。

3.2 襯砌關(guān)鍵部位位移結(jié)果分析

圖7為不同工況下沿隧道軸線方向襯砌拱頂最大位移變化曲線。從圖中可以看出,工況1和工況2洞口段圍巖是由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的,圍巖由洞口越向洞內(nèi)延伸,位移越小;工況1和工況2最大位移均發(fā)生在洞口,工況1最大位移為6.36 mm,工況2最大位移為9.14 mm,后者最大位移約增大了30%左右;工況3洞口段圍巖是均質(zhì)的,沒有發(fā)生漸變,位移曲線趨于平緩。因此加強(qiáng)洞口位移的檢測可以進(jìn)行加固長度的控制[7]。

圖7 各工況下沿隧道軸線方向拱頂最大位移變化曲線

3.3 襯砌關(guān)鍵部位加速度結(jié)果分析

圖8和圖9分別為工況1中洞口襯砌拱頂以及與拱頂相鄰的圍巖加速度時程曲線。從圖中可以看出兩者很形似,因此可以認(rèn)為在8度水平地震荷載作用下,圍巖和結(jié)構(gòu)的相互作用不大[8,9],也就是襯砌結(jié)構(gòu)的動力破壞可能性是較小的。

圖8 襯砌拱頂加速度時程曲線

4 結(jié)論與建議

(1)洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時,洞口段襯砌各關(guān)鍵部位的應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的長度越長,洞口段襯砌應(yīng)力就越大,洞口段設(shè)防長度就越長,由此表明洞口段設(shè)防長度與洞口段圍巖性質(zhì)是有很大關(guān)系的;未考慮洞口段圍巖分布逐漸變化的情況,即洞身段圍巖與洞口段圍巖相同的情況,洞口段襯砌應(yīng)力與洞身段襯砌應(yīng)力基本相同。

圖9 圍巖頂部加速度時程曲線

(2)洞口圍巖漸變段長度為20 m時,抗震設(shè)防長度選取30 m較為合適;洞口圍巖漸變段長度為40 m時,抗震設(shè)防長度選取50m較為合適。

(3)洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時,圍巖由洞口越向洞內(nèi)延伸,位移越小,最大位移發(fā)生在洞口;當(dāng)洞口段圍巖是均質(zhì)時,沒有發(fā)生漸變,位移曲線趨于平緩。

(4)在8度水平地震荷載作用下,圍巖和襯砌相互作用不大。

(5)隧道等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析研究是一個復(fù)雜問題,影響因素很多,如地震波的選擇和確定,邊界條件的處理,地震波輸入方式等,這些問題都有待于進(jìn)一步的研究。

[1]潘昌實.隧道地震災(zāi)害綜述[J].隧道及地下工程,1990,11(2):1-9.

[2]高峰,嚴(yán)松宏.隧道時程動力反應(yīng)分析改進(jìn)算法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(7):1088-1092.

[3]高峰,關(guān)寶樹.沉管隧道三維地震反應(yīng)分析[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報,2003,22(1):39-43.

[4]高峰,李德武.隧道三維地震反應(yīng)分析若干問題的研究[J].巖土工程學(xué)報,1998,20(4):48-53.

[5]潘昌實.隧道及地下結(jié)構(gòu)物抗震問題的研究概述[J].世界隧道,1996,16(5):7-16.

[6]于泳波,萬振江,劉健新.減震技術(shù)在公路橋梁中的應(yīng)用及地震反應(yīng)分析[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,24(2):58-60.

[7]SHARMA S,WILLIAN R J,雷謙榮.地震對地下洞室的破壞[J].地下空間,1992,12(4):335-344.

[8]許增會,宋宏偉.地震對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,33(1):41-44.

[9]蔡佳駿,李之達(dá),易 輝,等.ANSYS二維彈塑性分析在聯(lián)拱隧道圍巖穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報,2005,3(1):10-14.