傅 柯，周八軍

（西安水務(wù)（集團(tuán)）黑河輸水渠道管理有限公司，陜西西安 710061）

引言

20世紀(jì)70年代末，日本學(xué)者針對(duì)軟土層隧道和成層土抗震問題，先后提出了應(yīng)變傳遞法、反應(yīng)位移法，豐富了地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法[1]。我國(guó)的地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作開展已久，但相關(guān)設(shè)計(jì)方法幾乎都在1980年以后才被列入相關(guān)規(guī)范之中。目前我國(guó)現(xiàn)行涉及地下工程的設(shè)計(jì)規(guī)范多數(shù)仍采用了基于地面建筑抗震設(shè)計(jì)的擬靜力方法，但運(yùn)用該方法計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際地震發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)存在較大差異。輸水隧洞作為典型的地下工程結(jié)構(gòu)體，其地震響應(yīng)分析方法和前述其他形式的地下結(jié)構(gòu)的研究方法基本相同[2]。

某長(zhǎng)距離輸水渠道隧洞工程通水運(yùn)行三十余年，建設(shè)期未考慮引入安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自工程運(yùn)行至今，受城市供水需求影響，從未進(jìn)行過(guò)抗震安全性能評(píng)估。為進(jìn)一步掌握工程本體結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀，有必要利用停水時(shí)機(jī)，在人工調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/FEA從抗震承載力驗(yàn)算、隧洞內(nèi)水壓力計(jì)算、反應(yīng)位移法抗震計(jì)算、地震組合工況下內(nèi)力、地震組合工況下剪力、地震組合工況下彎矩等指標(biāo)角度對(duì)影響隧洞結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素以及結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位進(jìn)行安全性分析研究，詳細(xì)了解隧洞抗震結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀，為后期及時(shí)建立安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供理論數(shù)據(jù)及現(xiàn)實(shí)依據(jù)，同時(shí)為管理單位科學(xué)管護(hù)隧洞工程提供理論支撐。

1 研究背景

1.1 工程概況

某長(zhǎng)距離輸水渠道工程自藺家灣匯流池起，自西向東跨越五個(gè)行政區(qū)，全長(zhǎng)122km。渠首匯流池引水高程510.2m，末端出口高程460.5m，渠道比降1/2 500，為重力自流輸水。渠線沿秦嶺北麓坡腳和山前洪積扇而行，沿途橫跨就峪、田峪、澇峪、灃峪等河流，溝道70余條，穿越神禾、少陵等黃土塬，主要建筑物60余座。穿越山梁或高地時(shí)采用隧洞通過(guò)，進(jìn)出口選在圍巖比較穩(wěn)定的區(qū)域，便于和其他建筑物銜接。其中隧洞工程占渠道總長(zhǎng)25%，比降1/2 500，斷面形式分為3.4×4.1m蛋型斷面、3.1×4.0城門洞型斷面、2.7×2.7m馬蹄型斷面、2.5×2.5m馬蹄型斷面，穿越介質(zhì)巖性分為石質(zhì)隧洞與土質(zhì)隧洞兩類。

1.2 參考規(guī)范依據(jù)

由于該長(zhǎng)距離輸水渠道工程隧洞所在的區(qū)縣在工程設(shè)計(jì)時(shí)期（20世紀(jì)80年代）參考《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（1977年版），所屬地震區(qū)抗震設(shè)防要求為7度區(qū)。而目前該地區(qū)水工建筑物地震設(shè)防等級(jí)參考《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該所屬區(qū)域抗震設(shè)防要求統(tǒng)一提高至8度（0.2g）。同時(shí)結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)范要求，為保證此次抗震性能安全研究的準(zhǔn)確性及嚴(yán)謹(jǐn)性，本文中隧洞工程安全性研究參考第五代《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)。

1.3 研究?jī)?nèi)容

1.3.1 查閱資料

現(xiàn)場(chǎng)資料收集整理：收集并查閱排查設(shè)施的竣工圖紙、工程驗(yàn)收文件等資料，并對(duì)現(xiàn)有資料按場(chǎng)地地段、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分類、整理和歸納。其次，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)施資料整理，根據(jù)隧洞斷面形式、結(jié)構(gòu)材質(zhì)和地震設(shè)防烈度進(jìn)行分類[4]。

1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

對(duì)某長(zhǎng)距離輸水渠道隧洞工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，了解其結(jié)構(gòu)構(gòu)件、單元特性，填寫初步調(diào)查表。

1.3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

（1）對(duì)隧洞主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，按該隧洞的后續(xù)使用年限根據(jù)《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50117-2014）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行分類；

（2）按照工程所在地的地震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)造情況等條件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震措施及抗震承載力進(jìn)行鑒定。

（3）根據(jù)抗震措施的滿足情況及抗震驗(yàn)算的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)目前所具有的抗震性能作出評(píng)價(jià)。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

通過(guò)人工進(jìn)入隧洞內(nèi)部觀察，發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)部均存在不同程度裂縫、滲漏、沖刷坑等缺陷和問題。

2.1 裂縫

存在部位：大部分存在于隧洞底板混凝土表面，部分存在于隧洞洞頂附近混凝土表面等部位。

具體描述：利用某水廠東線管道施工停水期間，進(jìn)入某1#隧洞、2#隧洞檢查發(fā)現(xiàn)：1#隧洞底板存在水平裂縫一條（側(cè)墻、底板施工分縫處），裂縫尺寸：長(zhǎng)度17m、最大開度4cm、深度25cm。2#隧洞底板存在一條縱向裂縫（長(zhǎng)度80m、最大開度4cm、深度25cm），底板局部錯(cuò)臺(tái)（最大開度近6cm）；存在5條環(huán)向裂縫。

2.2 滲漏

存在部位：大部分存在于隧洞頂部、側(cè)壁表面。

具體描述：滲漏點(diǎn)位于隧洞洞身施工分縫處，因施工分縫橡皮、刨花板等止水材料老化過(guò)期、破損導(dǎo)致；部分滲漏點(diǎn)因施工混凝土冷縫保護(hù)層不夠，碳化、裂縫綜合作用導(dǎo)致。施工分縫處混凝土面滲或點(diǎn)滲，局部集中滲漏，個(gè)別呈射水狀態(tài)。

2.3 沖刷坑

存在部位：大部分存在于隧洞水面線以下側(cè)壁、底板表面等部位。

具體描述：受施工工藝落后、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、水流長(zhǎng)期沖刷氣蝕作用等因素影響，部分隧洞水面線以下洞表面出現(xiàn)沖刷坑。首先在1#隧洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)側(cè)墻水面以下條帶狀破損20余處，長(zhǎng)度3—5m、寬度4—10cm、深度3—7cm；側(cè)墻水面以下沖刷坑130余處，長(zhǎng)度6—8cm、寬度4—10cm、深度3—8cm；地板鼓包兩處，呈三角形，面積0.17m2。其次在2#隧洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)側(cè)墻兩側(cè)水面線以下長(zhǎng)50m、寬30cm、深0.5—1cm片狀沖刷破壞兩處。

3 研究過(guò)程

鑒于隧洞工程原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)計(jì)或考慮抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)筑物所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高，從抗震設(shè)防烈度角度看，整個(gè)渠道工程隧洞無(wú)法達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)防目標(biāo)。為減輕地震破壞，減少損失，擬采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/FEA從抗震承載力驗(yàn)算、隧洞內(nèi)水壓力計(jì)算、反應(yīng)位移法抗震計(jì)算、地震組合工況下內(nèi)力、地震組合工況下剪力、地震組合工況下彎矩等指標(biāo)角度對(duì)影響隧洞結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素以及結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位進(jìn)行抗震安全性分析研究，為抗震加固或采取其他抗震減災(zāi)對(duì)策提供依據(jù)[3]。

3.1 結(jié)構(gòu)抗震鑒定分類

該長(zhǎng)距離輸水渠道工程隧洞主要用于向城市主城區(qū)輸送原水，地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL250-2017）第4.2.1條規(guī)定，隧洞級(jí)別為2級(jí)，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51247-2018）第3.0.1條，隧洞抗震設(shè)防類別屬于丙類建筑，其抗震措施核查和抗震驗(yàn)算按本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行。同時(shí)，根據(jù)《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50117-2014）中1.0.4條和1.0.5條之規(guī)定，結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用年限為50年，屬于C類建筑，應(yīng)采用C類建筑的抗震鑒定方法，按照現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011）的要求進(jìn)行鑒定。

3.2 抗震承載力驗(yàn)算

本文中采用通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/FEA進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，混凝土采用C20，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=9.6N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.10N/mm2；隧洞頂部覆土厚度不小于30m，基準(zhǔn)面取至30m土層位置；隧洞周邊20m及3倍洞高范圍內(nèi)自由場(chǎng)，選取粘彈性邊界，平面應(yīng)變整體模型底部邊界為固定約束；計(jì)算模型按現(xiàn)有設(shè)計(jì)圖及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，選取典型隧洞建立[5-6]。

運(yùn)用Midas FEA建立的隧洞斷面有限元模型如圖1所示。

圖1

3.3 隧洞內(nèi)水壓力計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）水工建筑物級(jí)別劃分，隧洞工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)主要建筑物，工程規(guī)模為大（2）型。

采用Midas FEA施加流體壓力的模型見圖2。

圖2 動(dòng)水壓力布置

《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51247-2018）規(guī)定，水工建筑物由其重要性和工程場(chǎng)地地震基本烈度按下表確定其工程抗震設(shè)防類別為丙類。如表1所示：

表1 工程抗震設(shè)防類別

3.4 反應(yīng)位移法抗震計(jì)算

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，抗震設(shè)防類別為丙類，當(dāng)計(jì)及地震、人防或其他偶然荷載作用時(shí)，可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度?？拐鹩?jì)算按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）采用反應(yīng)位移法進(jìn)行計(jì)算[7]。

荷載組合根據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）等規(guī)定及可能出現(xiàn)的最不利情況確定，組合類型如表2所示：

表2 荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)表

采用反應(yīng)位移法進(jìn)行隧洞結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)，考慮土層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力作用，可將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧；先由特征值分析求得三和九階特征周期Tg為0.43s和0.3s，以此特征周期構(gòu)造瑞利阻尼用于時(shí)程分析；EL-center波地震時(shí)程分析曲線如圖3所示。

圖3

為節(jié)省成本，隧洞洞頂水平位移時(shí)程僅選取前30s進(jìn)行分析，由時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果可知，在2.5s時(shí)隧洞頂部已達(dá)到水平最大位移18mm，隧洞整體變形滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》要求。

3.5 隧洞強(qiáng)度驗(yàn)算

3.5.1 地震組合工況下內(nèi)力

荷載效應(yīng)選用偶然組合，考慮X、Y向地震作用時(shí)，流體對(duì)隧洞斷面?zhèn)缺诘臎_擊作用，隧洞內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果如圖4所示：

圖4 組合工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大內(nèi)力出現(xiàn)在隧洞底部，最大內(nèi)力為-688.9kN＜fc，A=2 880kN，構(gòu)件強(qiáng)度滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）要求。

3.5.2 地震組合工況下剪力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示，最大剪力出現(xiàn)在隧洞底部，最大剪力為470.6kN＜fc，A=2 880kN，構(gòu)件強(qiáng)度滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）要求。

圖5 組合工況結(jié)構(gòu)剪力圖

3.5.3 地震組合工況下彎矩

根據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖6所示，最大彎矩出現(xiàn)在隧洞底部，最大彎矩為-282.6kN·m；隧洞壁板圖紙配筋φ為14@125，由，最小配筋率As=1 032mm2，隧洞壁板配筋驗(yàn)算符合設(shè)計(jì)要求[8]。

圖6 組合工況結(jié)構(gòu)彎矩圖

3.6 分析總結(jié)

（1）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘及核對(duì)圖紙，本隧洞工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)裂縫及沉降，結(jié)構(gòu)體系及連接處未產(chǎn)生明顯的扭曲或不均勻沉降的變形現(xiàn)象；埋置地面以下的部分上方無(wú)可觀察到的漏水或塌陷，可見無(wú)明顯的裂縫和變形；

（2）由承載力復(fù)核結(jié)果可知，正常使用條件下，隧洞壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）與《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB51247-2018）》設(shè)計(jì)要求；

（3）在地震反應(yīng)譜水平相當(dāng)?shù)?度中震水平地震下，在最不利的滿水工況下，由模型分析結(jié)果可知，隧洞整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）與《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB51247-2018）》抗震承載力要求；

（4）在抗震承載力復(fù)核中，考慮地震組合工況下彎矩，隧洞壁板最大彎矩處的計(jì)算配筋，經(jīng)與原設(shè)計(jì)圖紙驗(yàn)算比對(duì)，滿足規(guī)范安全性要求。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)某長(zhǎng)距離輸水渠道工程隧洞進(jìn)行的地震災(zāi)害排查及抗震鑒定，從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，在正常使用狀態(tài)下，各結(jié)構(gòu)主體適于繼續(xù)承載，但當(dāng)遭遇本地區(qū)設(shè)防烈度地震時(shí)，可能出現(xiàn)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度不足、變形過(guò)大等情況，從而影響整個(gè)渠道正常運(yùn)行。

4.2 建議

根據(jù)抗震鑒定結(jié)果，對(duì)某長(zhǎng)距離輸水渠道工程隧洞目前存在的問題處理建議如下：

（1）組織具有資質(zhì)的檢測(cè)單位，對(duì)上述抗震承力載力存在地震下安全隱患的渡槽、箱涵進(jìn)行進(jìn)逐一檢測(cè)，查明混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件尺寸、鋼筋數(shù)量及直徑、混凝土碳化深度等現(xiàn)狀情況。

（2）組織具有資質(zhì)的勘察單位，對(duì)于缺失地質(zhì)勘察資料的構(gòu)筑物進(jìn)行補(bǔ)勘。在完善上述檢測(cè)及勘察的基礎(chǔ)上，組織具有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料，對(duì)存在隱患進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算復(fù)核，篩選存在地震隱患的構(gòu)筑物。

（3）對(duì)于經(jīng)抗震承載力復(fù)核后仍不滿足要求的構(gòu)筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。在采取進(jìn)一步鑒定加固措施前，維持目前使用狀態(tài)下情況下，應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)和觀察，一旦出現(xiàn)異常情況應(yīng)及立即組織某長(zhǎng)距離輸水渠道工程管理部門采取應(yīng)急措施。□