崔光耀,韋宜霏,王明勝,王天群

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144;2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000;3.北京市政路橋股份有限公司,北京 100045)

隧道是交通發(fā)展的一個(gè)重要組成部分,具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng),對于交通的發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。近年來,我國地下工程的建設(shè)取得很大的成就,技術(shù)有了飛速的發(fā)展。隨著時(shí)代的變化,交通發(fā)展愈加便利,隧道也愈發(fā)重要。

洞口段作為隧道的進(jìn)口,是隧道的重要組成部分,隧道洞口段作為隧道的暴露部分,是受損最嚴(yán)重的部位,因此國內(nèi)外不少學(xué)者把研究的重點(diǎn)放在了洞口段的抗震問題上,同時(shí)關(guān)注隧道洞口段的穩(wěn)定性[1]。根據(jù)地震災(zāi)害研究調(diào)查,隧道的洞口段災(zāi)害嚴(yán)重,并且根據(jù)汶川地震、日本阪神地震等災(zāi)后隧道洞口結(jié)構(gòu)分析,隧道硬巖洞口段基本都無震害,而軟巖洞口段出現(xiàn)襯砌錯(cuò)臺(tái)、垮塌等嚴(yán)重的震害[2-4]。在發(fā)生地震時(shí),隧道洞口段覆蓋層為軟巖,軟硬交界面會(huì)導(dǎo)致覆蓋層內(nèi)的縱向位移發(fā)生突變,這種強(qiáng)制位移和地震慣性力會(huì)對洞口段隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,而覆蓋層為硬巖時(shí),結(jié)構(gòu)受慣性力和強(qiáng)制位移影響均較小[5-8]。因此對于洞口段為軟弱圍巖的隧道的抗震設(shè)計(jì)尤為重要。目前,國內(nèi)外專家學(xué)者對此方面的相關(guān)研究有:依托雅安至瀘沽高速公路某隧道工程為研究對象,采用全環(huán)間隔注漿預(yù)加固方案進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,起到抗震的作用[9];根據(jù)宋家山隧道洞口段圍巖的實(shí)際情況,討論了注漿加固洞口段圍巖的抗震性能[10];依托川藏鐵路拉林段藏噶隧道為研究對象,采用全斷面帷幕注漿預(yù)加固方案可有效控制圍巖破裂面與松動(dòng)區(qū)的發(fā)育[11];通過對雅瀘高速某山嶺隧道進(jìn)行研究,利用大型振動(dòng)臺(tái),對隧道洞口段采用大阻尼結(jié)構(gòu)減震層,有很好的抗、減震效果[12];通過進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),對隧道洞口段加強(qiáng)襯砌仰拱、拱腳等下部結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì),能提高抗震性能[13]。綜上,有關(guān)洞口段的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)有了比較深入的研究,但對于隧道洞口段軟弱圍巖的有關(guān)抗震設(shè)計(jì)研究相對較少。因此本文以葫蘆絲隧道洞口段為研究對象,利用FLAC3D計(jì)算軟件對洞口段采取全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿兩種抗震措施,對隧道抗震性能進(jìn)行分析研究,研究結(jié)果可以為類似的洞口段軟弱圍巖抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

葫蘆絲隧道全長為5280m,隧道洞口段埋深10～50m,圍巖為全、強(qiáng)、中風(fēng)化混合花崗巖,巖體呈礫砂狀散體結(jié)構(gòu),風(fēng)化裂隙發(fā)育,顆粒間結(jié)合差,為Ⅴ級(jí)圍巖。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)

葫蘆絲隧道選用復(fù)合式襯砌作為洞口段支護(hù)結(jié)構(gòu),初期支護(hù)的厚度為0.27m,二次襯砌的厚度為0.5m。初支噴射C20素混凝土,二襯結(jié)構(gòu)選取C25鋼筋混凝土。

2 計(jì)算情況

2.1 計(jì)算模型

以葫蘆絲隧道洞口段為研究背景,建立計(jì)算模型。隧道洞寬11m,隧道洞口至左、右側(cè)邊界均為40m,埋深至上邊界垂直距離25m,隧道底部的基巖厚度為30m。模型的邊界條件為:上邊界無約束,四周和下邊界全約束。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 葫蘆絲隧道洞口段計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

模型的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)措施

2.3 動(dòng)力參數(shù)

此模型選用四周自由場邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算,局部阻尼作為計(jì)算參數(shù),系數(shù)為0.1571。選用常規(guī)動(dòng)力加載方式,按9度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化,試驗(yàn)過程中采用的地震波為在汶川地震中臥龍站測量的三向加速度波,該地震波按照X軸Y軸以及Z軸三個(gè)方向在模型結(jié)構(gòu)中由下向上傳遞,持續(xù)時(shí)間15秒[14]。為了獲得質(zhì)量更好的加速度時(shí)程曲線,通常需要利用特定軟件對曲線進(jìn)行濾波和基線校正處理。圖2為處理后地震波加速度隨時(shí)間變化曲線。

(a)X方向

(a)工況一

2.4 計(jì)算工況

為了對不同措施的抗震效果進(jìn)行分析,現(xiàn)設(shè)置3種計(jì)算工況,工況一為無措施,工況二為全環(huán)接觸注漿,工況三為全環(huán)間隔注漿。計(jì)算工況見表2所示,計(jì)算工況示意如圖2所示。

表2 計(jì)算工況統(tǒng)計(jì)表

2.5 測點(diǎn)布置

將監(jiān)測點(diǎn)布置在隧道洞口段中部,取洞口段二次襯砌的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳、仰拱、左拱腳、左邊墻、左拱肩8個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,測點(diǎn)的布置如圖4所示。

圖4 二襯結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 抗震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

通過FLAC3D對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算,提取各個(gè)工況隧道洞口段的位移云圖(以Z軸方向?yàn)槔?,如圖5所示。

(a)工況一

整理各工況位移情況,提取二襯結(jié)構(gòu)的位移最大值,并計(jì)算兩種抗震措施作用下的抗震效果,具體參數(shù)見表3。

表3 二襯結(jié)構(gòu)的最大位移及控制效果

由圖5以及表3可知,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿兩種抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的最大位移值均有下降。在工況二中,橫向最大位移減少0.09mm,抗震效果提高10.98%,縱向最大位移下降0.23mm,抗震效果提高了63.89%,豎向最大位移下降1.48mm,抗震效果提高了36.10%;采用全環(huán)間隔注漿措施后,橫向最大位移減少了0.04mm,抗震效果提高了4.88%,縱向最大位移下降了0.11mm,抗震效果提高了30.56%,豎向最大位移下降了0.89mm,抗震效果提高了21.71%。綜上所述,采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)的橫向、縱向以及豎向最大位移均有減小,通過對比最大位移的減小百分比,使用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.2 邊墻收斂

分析二襯結(jié)構(gòu)邊墻收斂值,提取三個(gè)工況邊墻最大收斂值,并分析抗震效果,數(shù)值及計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 最大邊墻收斂及抗震效果

由表4可知,采用工況二和工況三兩種抗震措施后,二襯結(jié)構(gòu)的邊墻最大收斂值均有下降。在采用全環(huán)接觸注漿措施后,最大收斂值減少了0.48mm,抗震效果提高了19.12%;在采用全環(huán)接觸注漿后,最大收斂值減少了0.27mm,抗震效果提高了10.76%。綜上所述,采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,二次襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻收斂降低,通過分析對比,洞口段采用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.3 內(nèi)力分析

提取二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)外單元應(yīng)變值,根據(jù)下述材料力學(xué)公式(1)(2)計(jì)算二次襯砌各測點(diǎn)位置處的軸力及彎矩值。

(1)

(2)

式(1)、式(2)中,N—軸力;M—彎矩;E—彈性模量;ε內(nèi)、ε外—結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變;b—截面寬度,取1m;h—截面厚度取0.45m。

各測點(diǎn)軸力及彎矩時(shí)程曲線如圖6所示(以工況二仰拱的監(jiān)測點(diǎn)為例)。

(a)軸力

選取三個(gè)工況各測點(diǎn)軸力和彎矩絕對值的最大值,如圖7所示。

(a)軸力

整理各工況內(nèi)力數(shù)值,以工況一為對照,根據(jù)內(nèi)力情況比較兩種抗震措施的抗震效果,計(jì)算結(jié)果見表5、表6所示。

表5 各工況下最大軸力及抗震分析

表6 各工況下最大彎矩及抗震分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知,采用全環(huán)接觸注漿時(shí),各個(gè)測點(diǎn)的軸力、彎矩值均有下降,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了34.91%,對于彎矩,抗震效果提高了56.86%;采用全環(huán)間隔注漿時(shí),雖然左邊墻、右邊墻處軸力略微增大,但整體抗震效果提升明顯,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了11.79%,對于彎矩,抗震效果提高了32.14%。綜上所述,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿后,均有較好的抗震效果,并且相比于全環(huán)間隔注漿,采用全環(huán)接觸注漿抗震措施的抗震效果更好一些。

3.4 安全系數(shù)分析

根據(jù)下述公式(3)(4)計(jì)算各測點(diǎn)的安全系數(shù)[15]。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)、式(4)中,K—結(jié)構(gòu)安全系數(shù);φ—構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù);α—軸向力的偏心影響系數(shù);Ra—混凝土的抗壓極限強(qiáng)度;Rl—混凝土的抗拉極限強(qiáng)度;e0—截面偏心距。監(jiān)測點(diǎn)的安全系數(shù)如圖8所示(以工況二仰拱為例)。

圖8 仰拱處安全系數(shù)時(shí)程曲線

統(tǒng)計(jì)并記錄各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù),如圖9所示。

圖9 各工況測點(diǎn)最小安全系數(shù)對比

整理各工況最小安全系數(shù),分析比較兩種抗震措施的抗震效果,計(jì)算結(jié)果見表7所示。

表7 各工況下最小安全系數(shù)及抗震分析

由表7可知,三種工況的最小安全系數(shù)依次為2.29、5.13、4.19,洞口段圍巖采用全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿的抗震措施后,安全系數(shù)均有明顯的提高,并且在采用接觸注漿的抗震措施后,平均全系數(shù)提高了44.73%,略高于安全系數(shù)提高了28.01%的間隔注漿抗震措施。

4 結(jié)論

(1)由結(jié)構(gòu)位移分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了10.98%、63.89%,、36.10%;采用全環(huán)間隔注漿措施后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了4.88%、30.56%、21.71%。

(2)由邊墻收斂分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,抗震效果提高了19.12%;采用全環(huán)間隔注漿后,抗震效果提高了10.76%。

(3)由內(nèi)力分析可得,采用全環(huán)接觸注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了34.91%、56.86%;采用全環(huán)間隔注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了11.79%、32.14%。

(4)由安全系數(shù)分析可得,采用接觸注漿,安全系數(shù)提高了44.73%,采用間隔注漿,安全系數(shù)提高了28.01%。綜上,接觸注漿抗震措施對結(jié)構(gòu)的位移控制的更好,同時(shí)在控制邊墻收斂方面更優(yōu)。因此,相比于全環(huán)間隔注漿的抗震措施,采用全環(huán)接觸注漿的抗震措施更好一些。