唐浪洲

(中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510600)

近年來，中國交通隧道事業(yè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，不斷向山區(qū)邁進(jìn)。但對(duì)于我國西南山區(qū)的隧道工程，由于該區(qū)域地質(zhì)條件情況極為復(fù)雜，常出現(xiàn)隧道洞口既存在偏壓，又穿越堆積體與基巖形成的軟硬巖交界面的情況，且往往穿越地震帶。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，在該情況下的洞口段隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率和嚴(yán)重程度均會(huì)更大[1-3]。因此偏壓隧道洞口軟硬巖交界段的震害問題應(yīng)引起高度重視。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)強(qiáng)震區(qū)洞口段和偏壓段隧道的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)展開了大量研究。孫緯宇等[4]以某隧道洞口段工程為依托，研究了地震波分別從X、Y、Z三個(gè)方向入射時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，得出地震動(dòng)沿橫向傳播時(shí)襯砌變形和加速度最大。黃俊[5]對(duì)不同洞門高度的高邊坡黃土隧道洞口段進(jìn)行了數(shù)值模擬和振動(dòng)試驗(yàn)的研究，得出隧道結(jié)構(gòu)隨著洞門高度的增大襯砌朝洞口的移動(dòng)越明顯。侯森等[6]依托某隧道洞口工程以理論推導(dǎo)和模型試驗(yàn)為手段，對(duì)襯砌沿縱向的位位移變化響應(yīng)規(guī)律展開了探究，研究發(fā)現(xiàn)襯砌在施工縫處容易造成錯(cuò)臺(tái)震害。陳江等[7]進(jìn)行了偏壓隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到了襯砌加速度隨地震波加載形式和強(qiáng)度的變化規(guī)律。Feifei W等[8]基于相似理論，設(shè)計(jì)了小凈距偏壓隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震波形式、方向和加速度峰值對(duì)隧道動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。Xueliang J等[9]基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)獲得了小凈距偏壓隧道的地震剪應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，即襯砌剪應(yīng)力隨地震峰值的增大而逐漸增大且隧道拱肩和拱腳處剪應(yīng)力響應(yīng)最強(qiáng)。

可以看出，國內(nèi)外對(duì)洞口段偏壓隧道動(dòng)力響應(yīng)研究較多，而對(duì)偏壓隧道洞口段穿越軟硬巖交界面時(shí)隧道的動(dòng)力特性的研究較少。因此，有必要對(duì)穿越偏壓洞口軟硬巖交界面隧道的防震技術(shù)進(jìn)行探究。本文依托飛仙關(guān)隧道穿越偏壓洞口軟硬巖交界面工程，針對(duì)隧道設(shè)置減震縫的減震技術(shù)，展開深入研究。由于隧道結(jié)構(gòu)減震縫間距是目前對(duì)減震縫研究的主要方向之一[10]，故對(duì)比3種不同減震縫間距，討論地震作用下減震縫間距設(shè)置對(duì)襯砌應(yīng)力的影響。論文的結(jié)論可為穿越偏壓洞口軟硬巖交界面隧道減震設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

飛仙關(guān)公路隧道位于國道318線雅安至二郎山隧道段災(zāi)后恢復(fù)重建工程A1標(biāo)段，全長1 608 m，其中雅安方向洞口為單壓式明洞，樁號(hào)為K31+550～K31+579，長29 m。進(jìn)口段斜坡覆蓋層為新生界第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)，主要由稍密狀塊石土組成，斜坡坡度為14～18 °。隧道進(jìn)口段圍巖基本為IV級(jí)和V級(jí)，縱斷面如圖 1所示。

本文以進(jìn)口段K31+580～ K31+640為研究標(biāo)段如圖 1所示，該標(biāo)段內(nèi)隧道橫斷面開挖高度為10 m，寬度為12.7 m，初期支護(hù)采用C20混凝土濕噴，厚度為24 cm，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土施作，厚度為60 cm，錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿，長350 cm，環(huán)、縱間距均為1.0 m，如圖2所示。

圖1 飛仙關(guān)隧道進(jìn)口段地質(zhì)縱斷面(單位：m)

圖2 飛仙關(guān)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：cm)

2 隧道計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

2.1 隧道計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)飛仙關(guān)隧道進(jìn)口段K31+580～ K31+640區(qū)間的地形和地質(zhì)條件，隧道最大和最小埋深分別取15.4 m和5.4 m，隧道仰坡傾角取14 °，側(cè)邊坡傾角在22～30 °范圍內(nèi)變化，又考慮到方便網(wǎng)格劃分和減小動(dòng)力計(jì)算邊界效應(yīng)，計(jì)算模型水平范圍沿隧道中線兩側(cè)各擴(kuò)展60 m，共120 m；模型高度取65 m；縱向從軟硬巖交界面向洞口方向取40 m的長度，從軟硬巖交界面向進(jìn)洞方向取20 m的長度，共60 m；軟硬巖交界面與隧道縱向的傾角簡化為90 °。隧道結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D2建模，其中初期支護(hù)(殼單元模擬)和二次襯砌(實(shí)體單元模擬)均采用彈性本構(gòu)計(jì)算。而圍巖則采用Mohr-coulomb本構(gòu)計(jì)算，選用實(shí)體單元模擬。隧道整體計(jì)算模型圖 3所示。

本文計(jì)算工況見表 1，其中隧道減震縫間距分別設(shè)置為5 m、10 m、20 m，縫寬均為0.2 m，采用實(shí)體單元模擬并滿足彈性本構(gòu)準(zhǔn)則，如圖 4所示。根據(jù)飛仙關(guān)隧道現(xiàn)場資料，本文選用的模型計(jì)算參數(shù)如表 2所示。

圖3 隧道計(jì)算模型網(wǎng)格

圖4 不同減震縫間距設(shè)置示意

表1 減震縫間距研究工況設(shè)置一覽

表2 模型計(jì)算參數(shù)一覽

2.2 地震波的選擇

本文計(jì)算所選取的地震波見圖 5所示，并將地震波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力形式從模型最底部輸入垂直于隧道軸向的剪切波，其中：力學(xué)阻尼選用局部阻尼進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)臨界阻尼比取5 %；模型底面設(shè)置黏彈性邊界(也稱“靜態(tài)邊界”)，側(cè)邊界設(shè)置自由場邊界。

圖5 15s地震加速度波時(shí)程曲線(峰值0.4g)

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

在每個(gè)監(jiān)測斷面選取8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別在每個(gè)監(jiān)測面的拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、仰拱底設(shè)置，如圖 6所示。從距洞口4 m處開始每隔4 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，總計(jì)14個(gè)監(jiān)測斷面，如圖 7所示。

圖6 隧道橫斷面監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

圖7 隧道監(jiān)測斷面縱向分布

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于襯砌在交界面區(qū)是抗震薄弱區(qū)間，因此將各工況下交界面區(qū)(Y=25～55 m)襯砌不同部位的應(yīng)力峰值及相對(duì)無措施的變化率列于表 3～表 5中，其中各位置上應(yīng)力峰值的代表值取在交界面區(qū)間上最大的應(yīng)力峰值。

表3 交界面區(qū)隧道最大剪應(yīng)力峰值 MPa

表4 交界面區(qū)隧道最大主應(yīng)力峰值 MPa

由表 3～表 5可知：

(1)對(duì)于交界面區(qū)的最大剪應(yīng)力，在工況3的左拱腰處減小率最大，為-18 %，但在最大剪應(yīng)力峰值最大的拱頂處，在工況2下減小率最大，為-5 %。整體來看，工況2對(duì)最大剪應(yīng)力峰值的減小效果最好。

表5 交界面區(qū)隧道最小主應(yīng)力峰值 MPa

(2)對(duì)于交界面區(qū)的最大主應(yīng)力，應(yīng)力峰值削弱最大位置在工況1的右拱腰處，其值為-29 %，在最大主應(yīng)力峰值最大的右拱肩處，也是在工況1下減小率最大，為-13 %。同時(shí)總體來看，工況1也對(duì)最大主應(yīng)力峰值的削弱效果最好。

(3)對(duì)于交界面區(qū)的最小主應(yīng)力，在工況1的左拱腳和左拱腰處應(yīng)力峰值削弱幅度最大，均為-32 %，在最小主應(yīng)力峰值最大的左拱肩處，同樣在工況1下減小率最大，為-25 %。從整體來看，也是工況1對(duì)最小主應(yīng)力峰值的削弱效果最佳。

綜合以上分析可知，工況1，即減震縫間距5 m時(shí)，對(duì)襯砌受力的減震效果最佳，而工況2，即減震縫間距10 m時(shí)，次之。但工況1～工況3之間襯砌應(yīng)力峰值差距很小，說明在減震縫間距在20 m以下時(shí)，隨著減震縫間距減小，襯砌結(jié)構(gòu)受力的減小幅度十分有限。同時(shí)還可得到，在飛仙關(guān)隧道穿越洞口偏壓軟硬巖交界段，設(shè)置減震縫對(duì)隧道拱腰部位的剪切破壞、隧道覆土較厚一側(cè)上部的張拉破壞和隧道覆土較淺一側(cè)下部的擠壓破壞的減震效果最為顯著。

4 結(jié)論

本文依托飛仙關(guān)隧道進(jìn)口穿越偏壓軟硬巖交界段工程，通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)減震縫間距設(shè)置進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于最大剪應(yīng)力，在減震縫間距10 m工況下應(yīng)力減小效果最優(yōu)；對(duì)于最大、最小主應(yīng)力，在減震縫間距5 m工況下應(yīng)力減小效果最優(yōu)。綜合來看，對(duì)于設(shè)置減震縫工況，減震縫間距為5 m時(shí)最優(yōu)，減震縫間距為10 m時(shí)次之。

(2)設(shè)置減震縫對(duì)隧道拱腰部位襯砌的剪切破壞、隧道覆土較厚一側(cè)上部襯砌的張拉破壞和隧道覆土較淺一側(cè)下部襯砌的擠壓破壞的減震效果最為顯著。

當(dāng)隧道穿越偏壓洞口軟硬巖段時(shí)，建議采用設(shè)置減震縫方案，并可通過適當(dāng)縮短減震縫間距來增強(qiáng)減震效果。