崔光耀，田宇航，麻建飛，郭艷軍，謝 優(yōu)

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144； 2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

0 引言

隧道作為交通運(yùn)輸網(wǎng)重要組成部分，其結(jié)構(gòu)輕微震害將嚴(yán)重影響整個(gè)交通樞紐正常運(yùn)行[1]。因此，對(duì)高烈度地震區(qū)隧道抗減震技術(shù)研究十分必要。

隧道減震措施主要包括隔震設(shè)計(jì)(減震層)和結(jié)構(gòu)鉸接(減震縫)[2-3]。隧道常用抗震措施包括結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與圍巖加強(qiáng)2類：結(jié)構(gòu)加強(qiáng)主要通過提高襯砌剛度、強(qiáng)度和韌性實(shí)現(xiàn)；圍巖加強(qiáng)主要通過施加錨桿、注漿等措施實(shí)現(xiàn)[4-5]。以往研究發(fā)現(xiàn)，僅通過提高襯砌強(qiáng)度/剛度，加強(qiáng)軟弱圍巖中隧道結(jié)構(gòu)抗震性能效果不明顯，故學(xué)者提出 “結(jié)構(gòu)加強(qiáng)+減震層”抗減震措施，抵抗地震作用[6]。

2008年5月12日汶川地震中，龍溪隧道、白云頂隧道和酒家埡隧道軟硬圍巖交接段均遭受襯砌網(wǎng)狀開裂、滲水、錯(cuò)臺(tái)、垮塌等嚴(yán)重震害，軟硬圍巖交接段破壞成為隧道遭受典型震害之一[7-8]。目前，針對(duì)隧道軟硬圍巖交接段研究主要有：基于震害資料，分析軟硬圍巖交接段震害機(jī)理[9]；借助振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等研究軟硬圍巖交接段地震響應(yīng)[10-11]；利用數(shù)值模擬等對(duì)軟硬圍巖交接段采用纖維混凝土、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度和圍巖注漿等抗震措施的研究[12]；利用模型試驗(yàn)等研究軟硬圍巖交接段中減震層、減震縫等措施的減震效果[13-14]；對(duì)軟硬圍巖交接段施工方法研究[15]。以上研究主要集中于隧道軟硬圍巖交接段震害機(jī)理、地震響應(yīng)、抗震技術(shù)、減震措施和施工方法，對(duì)剛?cè)岵?jì)法研究?jī)H限于隧道洞口段，且多為“提高混凝土+減震層”法，對(duì)“減震層+鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)襯砌”抗減震措施研究較少。

本文以某鐵路隧道為背景，借助有限差分軟件FLAC3D，對(duì)“減震層+SFRC襯砌”剛?cè)岵?jì)方法抗減震性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為隧道軟硬圍巖交接段抗震設(shè)防提供參考。

1 研究概況

1.1 工程背景

隧道軟硬圍巖交接段下盤主要為中風(fēng)化變粒巖，屬堅(jiān)硬圍巖；上盤圍巖以黑云母花崗巖為主，屬極軟巖，礦物成分大部分已蝕變，顆粒膠結(jié)較差，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體以礫狀及破碎狀、松散結(jié)構(gòu)為主。

隧道為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)為C20噴射混凝土，厚度0.30 m，二襯為C25模筑混凝土，厚度0.50 m。

1.2 計(jì)算工況

本文設(shè)置4種工況，見表1。減震層材料選用橡膠海綿板，設(shè)于初支與二襯之間，厚度0.1 m。SFRC襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)為CF25，鋼纖維摻量為42 kg/m3。

表1 4種工況Table 1 Four conditions

1.3 物理參數(shù)

模型中混凝土參數(shù)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)，圍巖參數(shù)由工程設(shè)計(jì)勘察資料提供，鋼纖維混凝土與減震層參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，主要材料物理參數(shù)見表2。

表2 主要材料的物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of main materials

1.4 計(jì)算模型建立

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，利用有限差分軟件FLAC3D構(gòu)建理想彈塑性模型。隧道埋深43 m，左右兩側(cè)圍巖寬度45 m，縱向長(zhǎng)度90 m。模型上盤為Ⅴ級(jí)圍巖，下盤為Ⅲ級(jí)圍巖，軟硬圍巖交接面傾角與隧道縱向夾角65 °，模型沿底部向上10 m為基巖層。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

動(dòng)力荷載采用汶川地震中臥龍測(cè)站測(cè)得地震波加速度時(shí)程。采用Seismo Signal軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理，消除干擾波，為防止計(jì)算結(jié)束后出現(xiàn)殘余位移，對(duì)地震波進(jìn)行基線矯正，處理后地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示(以X方向?yàn)槔?。動(dòng)力阻尼選用Local阻尼，阻尼系數(shù)0.157 1，邊界為自由場(chǎng)邊界。計(jì)算時(shí)地震波沿模型最底部基巖向上傳播。

圖2 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.2 Time history curve of seismic wave acceleration

1.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)面(S1～S7)，監(jiān)測(cè)面布置如圖3所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)面設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)面布置Fig.3 Layout of monitoring sections

圖4 測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of measuring points

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)變形

提取震后結(jié)構(gòu)拱頂沉降和邊墻收斂值，結(jié)構(gòu)變形如圖5所示。計(jì)算工況2～4相對(duì)工況1結(jié)構(gòu)變形減小百分比，見表3。

圖5 結(jié)構(gòu)變形Fig.5 Structural deformation

表3 結(jié)構(gòu)變形減小百分比Table 3 Percentage reduction of structural deformation %

由圖5可知，對(duì)于隧道軟硬圍巖交接段，軟弱圍巖監(jiān)測(cè)面S1處拱頂沉降與邊墻收斂均為大值，由監(jiān)測(cè)面S1 到監(jiān)測(cè)面S7，模型橫截面內(nèi)硬巖范圍逐漸增加，隧道軟硬圍巖交接段拱頂沉降和邊墻收斂逐漸減小，至硬巖監(jiān)測(cè)面S7時(shí)拱頂沉降和邊墻收斂均為最小值。

由表3可知，結(jié)構(gòu)僅施加減震層，拱頂沉降減小10.54%～81.10%，邊墻收斂減小13.92%～78.77%；僅使用SFRC襯砌，拱頂沉降減小3.04%～18.02%，邊墻收斂減小4.70%～32.00%；當(dāng)隧道采用“SFRC+減震層”剛?cè)岵?jì)抗減震技術(shù)，拱頂沉降減小18.46%～83.98%，結(jié)構(gòu)邊墻收斂減小17.54%～85.47%。

2.2 地震動(dòng)峰值加速度

提取震后隧道結(jié)構(gòu)拱頂測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，如圖6所示(以工況1中S3監(jiān)測(cè)面為例)。由加速度時(shí)程曲線提取結(jié)構(gòu)地震動(dòng)峰值加速度(Peak ground acceleration，PGA)如圖7所示。計(jì)算工況2～3的PGA，相對(duì)工況1 PGA變化百分比，見表4。

圖6 加速度時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of acceleration

圖7 結(jié)構(gòu)地震動(dòng)峰值加速度Fig.7 Peak ground acceleration

表4 PGA增大/減小百分比Table 4 Increase/decrease percentage of PGA%

由圖7可知，4種工況下，由監(jiān)測(cè)面S1～S7，模型截面內(nèi)軟巖范圍逐漸減少，PGA隨之減小。在堅(jiān)硬圍巖中PGA自由面放大作用有限，在軟弱圍巖中放大作用較明顯。

由表4可知，相較于工況1，工況2PGA減小31.42%～72.02%，減震層阻隔地震向襯砌構(gòu)傳播作用明顯；工況3PGA相較于工況1，增加13.95%～27.48%；工況4PGA相較于工況1減小30.00%～69.98%。工況2～4中，隧道結(jié)構(gòu)PGA增大/減小百分比隨模型截面內(nèi)軟巖范圍減少逐漸減小。

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取震后結(jié)構(gòu)拱頂內(nèi)力時(shí)程曲線(軸力、彎矩和安全系數(shù))，如圖8(以工況1中監(jiān)測(cè)面S5為例)所示。

圖8 內(nèi)力時(shí)程曲線Fig.8 Time history curve of internal force

選用監(jiān)測(cè)面結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值表征隧道結(jié)構(gòu)安全性，每個(gè)監(jiān)測(cè)面最小安全系數(shù)如圖9所示。工況2～4中，各監(jiān)測(cè)面最小安全系數(shù)較工況1增加百分比，見表5。

由圖9可知，4種工況下各監(jiān)測(cè)面最小安全系數(shù)隨模型斷面堅(jiān)硬圍巖范圍增加而增加，結(jié)構(gòu)安全性逐漸提高，監(jiān)測(cè)面S7最小安全系數(shù)值最大，結(jié)構(gòu)相對(duì)安全。

由表5可知，工況2結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)較工況1增加18.04%～66.13%；工況3結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)較工況1增加7.49%～30.99%；工況4最小安全系數(shù)較工況1增加47.95%～83.56%，隧道結(jié)構(gòu)安全性顯著提高。

圖9 最小安全系數(shù)Fig.9 Minimum safety factors

表5 最小安全系數(shù)增加百分比Table 5 Percentage reduction of growth safety factors %

3 結(jié)論

1)對(duì)于高烈度地震區(qū)隧道軟硬圍巖交接段，相比工況1，工況2拱頂沉降減小10.54%～81.10%，邊墻收斂減小13.92%～78.77%，襯砌結(jié)構(gòu)PGA減小31.42%～72.02%，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)增加18.04%～66.13%。

2)“SFRC襯砌”抗震措施即工況3，相比工況1拱頂沉降減小3.04%～18.02%，邊墻收斂減小4.70%～32.00%，襯砌結(jié)構(gòu)PGA增加13.95%～27.48%，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)增加7.49%～30.99%。

3)“施作減震層+SFRC襯砌”剛?cè)岵?jì)抗減震措施即工況4，相比工況1拱頂沉降減小18.46%～83.98%，結(jié)構(gòu)邊墻收斂減小17.54%～85.47%，襯砌結(jié)構(gòu)PGA減小30.00%～69.98%，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)增加47.95%～83.56%。

4)4種抗減震措施抗減震性能由高到低依次為：工況4>工況2>工況3>工況1，推薦隧道實(shí)際抗震設(shè)防采用“減震層+SFRC襯砌”即工況4剛?cè)岵?jì)抗減震措施。