西部地區(qū)是地震高發(fā)地區(qū)，地下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)要相對(duì)高一些，這對(duì)隧道的施工質(zhì)量提出了更高的要求，如果隧道存在施工質(zhì)量缺陷，在地震時(shí)將是致命的。故對(duì)高烈度地區(qū)存在施工質(zhì)量缺陷的隧道開(kāi)展動(dòng)力分析和加固處理非常有必要。

雖然已有不少人研究了隧道結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷的動(dòng)力特性，也取得了顯著成果，但很大一部分是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)存在空洞的研究，而對(duì)于存在的其他情形研究很少。

有限元模型及參數(shù)

界上施加簡(jiǎn)單邊界。采用瑞利線性組合阻尼，認(rèn)為阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性組合。

地震波的選用

地震波的選取需要考慮三個(gè)方面，強(qiáng)度、頻譜特性和持時(shí)。強(qiáng)度即地震波的加速度峰值，本文按8級(jí)烈度輸入地震波。頻譜特性應(yīng)選取與建設(shè)場(chǎng)地相適應(yīng)的，鑒于資料

有限元模型

以某高速公路的一座分離式隧道為例，研究隧道存在質(zhì)量缺陷的地震響應(yīng)，并對(duì)存在的質(zhì)量缺陷情形提出加固處理方案。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

模型上下左右邊界各取5D（洞徑）?？紤]到錨桿只要起懸吊作用，承受拉應(yīng)力，故模型中選用link1模擬錨桿。選用beam3模擬襯砌，初支和圍巖主要起承重作用，故初支與圍巖選用plane182模擬。

本文主要考慮豎向地震波的作用，故在有限元模型邊有限，本文選用EI-centro波，并未考慮其場(chǎng)地修正。持時(shí)即地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間，一般選取加速度峰值出現(xiàn)之后的時(shí)間，故本文選取地震波的前10s。

計(jì)算工況

考慮兩空洞徑向長(zhǎng)度變化的影響，于是分別設(shè)置空洞徑向長(zhǎng)度為無(wú)空洞、1m、1.5m、2.0m，4種情況對(duì)比分析。

考慮兩空洞環(huán)向間距變化的影響，于是分別設(shè)置兩空洞環(huán)向間距為無(wú)空洞、90、180、270，4種情況對(duì)比分析。

考慮初期支護(hù)厚度變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護(hù)厚度為10cm、15cm、20cm、25cm，4種情況對(duì)比分析。

考慮初期支護(hù)強(qiáng)度變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護(hù)強(qiáng)度為C10、C15、C202，3種情況形對(duì)比分析。

考慮錨桿長(zhǎng)度變化的影響，于是分別設(shè)置錨桿長(zhǎng)度為2.0m、2.5m、3.0m、4.0m，4種情況對(duì)比分析。

考慮到動(dòng)力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)較多，且初期支護(hù)為主要承力結(jié)構(gòu)，故在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)典型部位上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

圖1 EI-Centro波加速度時(shí)程曲線

動(dòng)力計(jì)算結(jié)果及加固處理

動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

兩空洞環(huán)向距離變化的動(dòng)力反應(yīng)。隨著兩空洞環(huán)向間距的減少，隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)生急劇增長(zhǎng)，且應(yīng)力增長(zhǎng)較大的點(diǎn)均在空洞附近，如拱頂和右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)。原因是失去了約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的圍巖，或者圍巖較破碎對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用很小，故而地震動(dòng)荷載作用下，空洞及其附近支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大變形，造成空洞及其附近應(yīng)力增長(zhǎng)較大。

初期支護(hù)厚度不足的動(dòng)力反應(yīng)。如表3所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度減小，最大主應(yīng)力峰值響應(yīng)明顯增大，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的整體減小對(duì)隧道的動(dòng)力反應(yīng)影響較大。最大主應(yīng)力峰值增幅最大的是右拱肩，相比于初期支護(hù)厚度為25cm時(shí)增幅55.24%。

圖2 兩空洞環(huán)向間距和徑向大小示意圖

表2 環(huán)向間距不同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值

表3 初期支護(hù)厚度不足的最大主應(yīng)力峰值

表4 錨桿長(zhǎng)度不足時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值

圖3 四種方案比較

表5 初期支護(hù)強(qiáng)度不足監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值

錨桿長(zhǎng)度不足的動(dòng)力反應(yīng)。地震荷載作用下，隨著錨桿長(zhǎng)度減小，除拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值都有不同幅度的增長(zhǎng)，其中增幅最大的是右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為24.22%。

錨桿長(zhǎng)度減小，右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處有較大的拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力的出現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)是不利的，尤其在有地震作用時(shí)這種不利則會(huì)加劇。

初期支護(hù)強(qiáng)度變化的動(dòng)力反應(yīng)。隨著初期支護(hù)強(qiáng)度的降低，最大主應(yīng)力峰值增大最大的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為左拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)和右拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著支護(hù)強(qiáng)度的降低，最大主應(yīng)力峰值相差越來(lái)越小。

加固處理方案比較

選取依據(jù)山嶺隧道常用的加固方法，選取4種方案處理隧道的初期支護(hù)厚度不足，并動(dòng)力分析處理后的隧道結(jié)構(gòu)，與未做任何處理的情況做比較，各方案的模型圖如圖3所示。

方案1對(duì)隧道初期支護(hù)厚度不足不進(jìn)行處理；方案2提高隧道周邊圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，即注漿加固圍巖；方案3在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)外施作20cm厚的內(nèi)襯；方案4先對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固，而后在支護(hù)結(jié)構(gòu)外施作內(nèi)襯。

加速度響應(yīng)。采取方案2、方案4處理隧道初期支護(hù)厚度不足，隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值明顯降低，尤其以方案4下降最為明顯。具體來(lái)說(shuō)方案2較方案1加速度峰值最大減幅為11.64%；方案3較方案1加速度峰值最大減幅為8.17%；方案4較方案1加速度峰值最大減幅為25.42%，都以拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的減幅最大。

對(duì)隧道周邊圍巖注漿和在支護(hù)結(jié)構(gòu)加內(nèi)襯加速度峰值減幅很大，說(shuō)明方案4能提高隧道的抗震性能，但僅僅從削減加速度峰值幅度上來(lái)說(shuō)，方案2尤其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

最大主應(yīng)力響應(yīng)。采取4種方案處理隧道初期支護(hù)厚度不足，隧道最大主應(yīng)力峰值明顯減小，其中方案4減小最多。具體來(lái)說(shuō)，方案2較方案1最大主應(yīng)力峰值減幅最大為28.96%；方案3較方案1最大主應(yīng)力峰值最大減幅為32.56%；方案4較方案1最大主應(yīng)力峰值最大減幅為37.81%，且均以左拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的減幅最大。

從最大主應(yīng)力的減幅上來(lái)看，方案3的處理效果要優(yōu)于方案2，因?yàn)榉桨?提高了襯砌的承載能力，在震時(shí)可以削弱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。

當(dāng)兩空洞環(huán)向間距改變時(shí)，空洞區(qū)和兩空洞之間區(qū)域的最大主應(yīng)力峰值最大，是隧道在地震時(shí)的最危險(xiǎn)區(qū)域。

初期支護(hù)厚度和強(qiáng)度的減小，使得隧道動(dòng)力反應(yīng)越明顯，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值越大。錨桿長(zhǎng)度的變化，對(duì)隧道的動(dòng)力響應(yīng)有一定的影響。

采用注漿再內(nèi)襯的加固方案不僅可以加固周邊圍巖，降低加速度峰值和最大主應(yīng)力峰值，而且可以提高隧道的承載能力，保證隧道的動(dòng)力穩(wěn)定性，是一種較為理想的加固措施。