地震作用下隧道施工質(zhì)量缺陷的幾種處理方案比較

西部地區(qū)是地震高發(fā)地區(qū)，地下結(jié)構(gòu)的抗震等級要相對高一些，這對隧道的施工質(zhì)量提出了更高的要求，如果隧道存在施工質(zhì)量缺陷，在地震時將是致命的。故對高烈度地區(qū)存在施工質(zhì)量缺陷的隧道開展動力分析和加固處理非常有必要。

雖然已有不少人研究了隧道結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷的動力特性，也取得了顯著成果，但很大一部分是對隧道結(jié)構(gòu)存在空洞的研究，而對于存在的其他情形研究很少。

有限元模型及參數(shù)

界上施加簡單邊界。采用瑞利線性組合阻尼，認為阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性組合。

地震波的選用

地震波的選取需要考慮三個方面，強度、頻譜特性和持時。強度即地震波的加速度峰值，本文按8級烈度輸入地震波。頻譜特性應(yīng)選取與建設(shè)場地相適應(yīng)的，鑒于資料

有限元模型

以某高速公路的一座分離式隧道為例，研究隧道存在質(zhì)量缺陷的地震響應(yīng)，并對存在的質(zhì)量缺陷情形提出加固處理方案。支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表1所示。

模型上下左右邊界各取5D（洞徑）?？紤]到錨桿只要起懸吊作用，承受拉應(yīng)力，故模型中選用link1模擬錨桿。選用beam3模擬襯砌，初支和圍巖主要起承重作用，故初支與圍巖選用plane182模擬。

本文主要考慮豎向地震波的作用，故在有限元模型邊有限，本文選用EI-centro波，并未考慮其場地修正。持時即地震動持續(xù)時間，一般選取加速度峰值出現(xiàn)之后的時間，故本文選取地震波的前10s。

計算工況

考慮兩空洞徑向長度變化的影響，于是分別設(shè)置空洞徑向長度為無空洞、1m、1.5m、2.0m，4種情況對比分析。

考慮兩空洞環(huán)向間距變化的影響，于是分別設(shè)置兩空洞環(huán)向間距為無空洞、90、180、270，4種情況對比分析。

考慮初期支護厚度變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護厚度為10cm、15cm、20cm、25cm，4種情況對比分析。

考慮初期支護強度變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護強度為C10、C15、C202，3種情況形對比分析。

考慮錨桿長度變化的影響，于是分別設(shè)置錨桿長度為2.0m、2.5m、3.0m、4.0m，4種情況對比分析。

考慮到動力計算結(jié)果數(shù)據(jù)較多，且初期支護為主要承力結(jié)構(gòu)，故在初期支護結(jié)構(gòu)典型部位上設(shè)置監(jiān)測點。

表1 圍巖與支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

圖1 EI-Centro波加速度時程曲線

動力計算結(jié)果及加固處理

動力計算結(jié)果

兩空洞環(huán)向距離變化的動力反應(yīng)。隨著兩空洞環(huán)向間距的減少，隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)生急劇增長，且應(yīng)力增長較大的點均在空洞附近，如拱頂和右拱肩監(jiān)測點。原因是失去了約束支護結(jié)構(gòu)變形的圍巖，或者圍巖較破碎對支護結(jié)構(gòu)的約束作用很小，故而地震動荷載作用下，空洞及其附近支護結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大變形，造成空洞及其附近應(yīng)力增長較大。

初期支護厚度不足的動力反應(yīng)。如表3所示，支護結(jié)構(gòu)厚度減小，最大主應(yīng)力峰值響應(yīng)明顯增大，說明支護結(jié)構(gòu)厚度的整體減小對隧道的動力反應(yīng)影響較大。最大主應(yīng)力峰值增幅最大的是右拱肩，相比于初期支護厚度為25cm時增幅55.24%。

圖2 兩空洞環(huán)向間距和徑向大小示意圖

表2 環(huán)向間距不同時監(jiān)測點的最大主應(yīng)力峰值

表3 初期支護厚度不足的最大主應(yīng)力峰值

表4 錨桿長度不足時監(jiān)測點的最大主應(yīng)力峰值

圖3 四種方案比較

表5 初期支護強度不足監(jiān)測點的最大主應(yīng)力峰值

錨桿長度不足的動力反應(yīng)。地震荷載作用下，隨著錨桿長度減小，除拱底監(jiān)測點外，其余各監(jiān)測點的最大主應(yīng)力峰值都有不同幅度的增長，其中增幅最大的是右拱肩監(jiān)測點，為24.22%。

錨桿長度減小，右拱肩監(jiān)測點處有較大的拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力的出現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)是不利的，尤其在有地震作用時這種不利則會加劇。

初期支護強度變化的動力反應(yīng)。隨著初期支護強度的降低，最大主應(yīng)力峰值增大最大的兩個監(jiān)測點為左拱腰監(jiān)測點和右拱腰監(jiān)測點，其余各監(jiān)測點隨著支護強度的降低，最大主應(yīng)力峰值相差越來越小。

加固處理方案比較

選取依據(jù)山嶺隧道常用的加固方法，選取4種方案處理隧道的初期支護厚度不足，并動力分析處理后的隧道結(jié)構(gòu)，與未做任何處理的情況做比較，各方案的模型圖如圖3所示。

方案1對隧道初期支護厚度不足不進行處理；方案2提高隧道周邊圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，即注漿加固圍巖；方案3在隧道支護結(jié)構(gòu)外施作20cm厚的內(nèi)襯；方案4先對隧道周邊圍巖進行注漿加固，而后在支護結(jié)構(gòu)外施作內(nèi)襯。

加速度響應(yīng)。采取方案2、方案4處理隧道初期支護厚度不足，隧道各監(jiān)測點的加速度峰值明顯降低，尤其以方案4下降最為明顯。具體來說方案2較方案1加速度峰值最大減幅為11.64%；方案3較方案1加速度峰值最大減幅為8.17%；方案4較方案1加速度峰值最大減幅為25.42%，都以拱頂監(jiān)測點的減幅最大。

對隧道周邊圍巖注漿和在支護結(jié)構(gòu)加內(nèi)襯加速度峰值減幅很大，說明方案4能提高隧道的抗震性能，但僅僅從削減加速度峰值幅度上來說，方案2尤其具有獨特的優(yōu)勢。

最大主應(yīng)力響應(yīng)。采取4種方案處理隧道初期支護厚度不足，隧道最大主應(yīng)力峰值明顯減小，其中方案4減小最多。具體來說，方案2較方案1最大主應(yīng)力峰值減幅最大為28.96%；方案3較方案1最大主應(yīng)力峰值最大減幅為32.56%；方案4較方案1最大主應(yīng)力峰值最大減幅為37.81%，且均以左拱肩監(jiān)測點的減幅最大。

從最大主應(yīng)力的減幅上來看，方案3的處理效果要優(yōu)于方案2，因為方案3提高了襯砌的承載能力，在震時可以削弱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。

當(dāng)兩空洞環(huán)向間距改變時，空洞區(qū)和兩空洞之間區(qū)域的最大主應(yīng)力峰值最大，是隧道在地震時的最危險區(qū)域。

初期支護厚度和強度的減小，使得隧道動力反應(yīng)越明顯，支護結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值越大。錨桿長度的變化，對隧道的動力響應(yīng)有一定的影響。

采用注漿再內(nèi)襯的加固方案不僅可以加固周邊圍巖，降低加速度峰值和最大主應(yīng)力峰值，而且可以提高隧道的承載能力，保證隧道的動力穩(wěn)定性，是一種較為理想的加固措施。