王自偉

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074）

1 概述

當(dāng)隧道存在既有缺陷時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的承載能力受襯砌厚度不足影響較大，在地震作用下此類隧道更容易發(fā)生破壞。所以造成隧道襯砌破壞的主要因素往往與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷有關(guān)。

2 隧道襯砌欠厚缺陷的成因及危害

隧道的施工工藝是造成襯砌厚度不足缺陷的最主要因素。隧道設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮襯砌與周圍巖體相互接觸的受力狀態(tài)，如果實(shí)際情況中的襯砌厚度達(dá)不到襯砌設(shè)計(jì)厚度，襯砌與圍巖之間相互作用的受力狀態(tài)將受到很大影響，可能導(dǎo)致更多的圍巖釋放的壓力作用在襯砌上，同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)本身的承載能力也會(huì)因襯砌厚度不足而減弱，在疊加效果作用下，更容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

3 拱頂襯砌欠厚的地震動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 有限元計(jì)算模型建立。計(jì)算模型取64m 為左右邊界，隧道拱底離下邊界32m，根據(jù)不同埋深作為模型上邊界，隧道埋深分別設(shè)置為8D、10D、12D、14D（D 為隧道跨度6m）四種情況，襯砌正常厚度h 為50cm。設(shè)置2m 為模型最大網(wǎng)格尺寸，采用3D實(shí)體單元和2D 板單元分別模擬圍巖和襯砌，采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則及彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系作為圍巖介質(zhì)；后者以彈性本構(gòu)關(guān)系作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。

材料參數(shù)選取。

計(jì)算模型的材料參數(shù)選取如表1 所示。

表1 模型參數(shù)取值

3.2 地震波的輸入與合理性驗(yàn)證。選用總時(shí)程為10s、時(shí)間間隔為0.02s 的El-Centro 波，為了保證有限元模擬的準(zhǔn)確性，一般選取在10-6～10-5 秒量級(jí)的迭代時(shí)步。本次數(shù)值模擬對(duì)地震設(shè)防烈度為7 級(jí)時(shí)的情況進(jìn)行研究，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111-2006），當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7 級(jí)時(shí)，地震動(dòng)峰值加速度值為0.1g。

對(duì)原始El-Centro 地震波進(jìn)行基線校正以及濾波。然后在有限元軟件中輸入處理好的El-Centro 地震波加速度時(shí)程曲線，對(duì)模型進(jìn)行分析處理，將襯砌各位置速度時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線的有限元分析結(jié)果與基線校正以及濾波后的進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的合理性。通過比較驗(yàn)證得出，本次數(shù)值模擬方法是合理的。

3.3 隧道襯砌欠厚程度對(duì)地震的動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)拱頂襯砌厚度為40cm、30cm、20cm、10cm 的情況進(jìn)行模擬，對(duì)隧道拱頂襯砌欠厚的地震動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行分析，得出地震作用下隧道襯砌拱頂欠厚程的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。通過對(duì)襯砌拱頂?shù)乃轿灰七M(jìn)行分析，并對(duì)比不同隧道埋深下襯砌拱頂欠厚程度對(duì)地震的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得出統(tǒng)一的規(guī)律。

水平位移的影響分析：

圖1 8D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖2 10D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖3 12D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖4 14D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

地震過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況能夠通過位移指標(biāo)反映，本節(jié)選用采用選取時(shí)程區(qū)間內(nèi)X 向位移峰值來反應(yīng)各個(gè)位置的變形情況，通過比較分析各個(gè)監(jiān)視點(diǎn)的水平位移，得到了隧道襯砌厚度不足時(shí)的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，對(duì)比情況如圖1～4 所示。

從圖1～4 的對(duì)比可以得出：

（1）在地震作用下，拱頂襯砌厚度不足對(duì)拱頂水平位移的影響較大，拱頂襯砌厚度對(duì)襯砌仰拱腳與仰拱底的水平位移基本沒有影響，而對(duì)拱腰與拱頂?shù)乃轿灰朴绊戄^大。

（2）在地震作用下，拱頂襯砌欠厚越多，各監(jiān)視點(diǎn)間的襯砌水平位移越小，其中變化較明顯的拱頂與左、右拱腰的水平位移在襯砌厚度為10cm 時(shí)是襯砌厚度為40cm 時(shí)水平位移的1.01 倍。

4 結(jié)論

通過有限元模擬的方法對(duì)拱頂襯砌欠厚對(duì)隧道地震動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行研究。探討了隧道襯砌在不同埋深、拱頂襯砌不同欠厚程度下的動(dòng)力響應(yīng)情況，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

在地震作用下，各監(jiān)視點(diǎn)間的襯砌水平位移隨著拱頂襯砌欠厚越大逐漸減小。

本文研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道埋深小于12D 時(shí)，埋深越大，水平位移峰值越小，當(dāng)埋深超過12D 時(shí)，襯砌水平位移峰值隨著隧道埋深的增大而略微增大且趨于穩(wěn)定，所以隧道建在深埋地段有較好的抗震作用。