強(qiáng)震區(qū)隧道軟弱圍巖洞口段樁-筏抗震措施的作用效果分析

崔光耀，李鵬宇，王慶建

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

在我國西部鐵路建設(shè)的持續(xù)進(jìn)程當(dāng)中，圍巖條件較差的的隧道工程不斷出現(xiàn)[1?3]，并且西部地區(qū)往往處于地震頻發(fā)區(qū)，因此，為保證地震頻發(fā)區(qū)軟弱圍巖隧道的震時(shí)穩(wěn)定性和安全性，極需對(duì)受震害影響較大的軟弱圍巖隧道洞口段采用有效的抗震設(shè)防措施。

當(dāng)前，國內(nèi)外相干專家學(xué)者對(duì)強(qiáng)震區(qū)軟弱圍隧道洞口段的抗減震技術(shù)條件進(jìn)行了一些研究，其中包括利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)隧道洞口段地震動(dòng)力特性進(jìn)行研究[4?5]；利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采用圍巖注漿加固的強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段抗震效果進(jìn)行分析[6]；利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)隧道洞口段施設(shè)減震層的減震效果進(jìn)行分析[7]；利用積分有限元法和數(shù)值模擬研究隧道洞口段的合理抗震設(shè)防長度[8]；依托實(shí)際工程對(duì)高烈度地震區(qū)隧道洞口段進(jìn)行了剛?cè)岵?jì)抗減震措施模型試驗(yàn)研究[9]；依托實(shí)際工程背景對(duì)強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段的綜合抗減震技術(shù)進(jìn)行研究[10?13]；綜上所述，以上研究僅針對(duì)圍巖注漿、減震層、減震縫等抗減震技術(shù)。對(duì)于強(qiáng)震區(qū)軟弱圍巖隧道洞口段樁-拱結(jié)構(gòu)與樁-筏-拱結(jié)構(gòu)抗震措施鮮有報(bào)道。本文以玉磨鐵路新平隧道工程作為依托，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)強(qiáng)震區(qū)軟弱圍巖隧道洞口段樁-筏抗震措施效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

新平隧道是玉磨鐵路的重點(diǎn)工程，位于石屏一建水?dāng)嗔押蛽P(yáng)武-青龍廠大斷裂間，地面高程為1 150～1 782 m，相對(duì)高差約為632 m，隧道起訖里程D1K46+290～D1K60+780，全長14 835 m 最大埋深約為578 m。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，管段內(nèi)基本以軟巖為主，不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)多，災(zāi)害性地質(zhì)類型多。不良地質(zhì)包括斷層破碎帶、褶皺、瓦斯、巖溶、淺埋、軟巖大變形等。不良地質(zhì)段落幾乎涵蓋了整座隧道，隧道洞口段為Ⅴ級(jí)圍巖。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)

此段隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)噴射C25 混凝土，厚度為25 cm；二次襯砌采用C25 模筑鋼筋混凝土，厚度為50 cm。隧道斷面為馬蹄形，高度為11.7 m，跨度為14.2 m。

2 計(jì)算情況

2.1 計(jì)算模型

依托新平隧道洞口D1K58+950～D1K59+000 建立計(jì)算模型（圖1），此段Ⅴ級(jí)圍巖與Ⅳ圍巖相交接。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

計(jì)算模型模擬地層的范圍為橫向兩端取3～5 倍洞徑，約47 m，總寬度為110 m；隧道上方高度以實(shí)際覆土厚度為準(zhǔn)，最小埋深為3 m，最大埋深35 m；隧道底部30 m（取3～5 倍洞高），總高為93 m。計(jì)算模型的邊界條件為上邊界無約束，底部與四周邊界全約束。

2.2 計(jì)算工況

模擬分析拱結(jié)構(gòu)、樁-拱結(jié)構(gòu)及樁-筏-拱結(jié)構(gòu)三種計(jì)算工況（表1），加固措施如圖2 所示。

表1 計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions

圖2 加固措施Fig.2 Reinforcement measures

2.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of the materials

2.4 動(dòng)力參數(shù)

選用自由場邊界條件進(jìn)行模擬、該模型阻尼采用局部阻尼進(jìn)行計(jì)算，阻尼系數(shù)經(jīng)模態(tài)分析計(jì)算為0.157 1。以常規(guī)動(dòng)力加載方式，從模型的底部同時(shí)將XYZ三個(gè)方向的地震波向上部結(jié)構(gòu)傳遞。

地震波選取汶川地震臥龍測站加速度波，按9 度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)時(shí)間為15 s。濾波和基線校正后的加速度時(shí)程曲線如圖3 所示。

圖3 加速度時(shí)程曲線Fig.3 Acceleration time history curve

2.5 測點(diǎn)布置

為了解震時(shí)隧道的動(dòng)態(tài)信息，據(jù)以判斷隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)及加固方案的合理性，在隧道進(jìn)口處0，5，10，15 m 設(shè)置四個(gè)監(jiān)測斷面，斷面測點(diǎn)布置如圖4 所示。并取二襯結(jié)構(gòu)的拱頂、拱肩、邊墻、拱腳以及仰拱等8 個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，采集各測點(diǎn)位置的應(yīng)力信息，測點(diǎn)布置如圖5 所示。

圖4 斷面布置Fig.4 Arrangement of section

圖5 測點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of measuring points

3 洞口段地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及加固范圍

提取各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)，由公式(1)～(4)計(jì)算無措施的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)并提取各監(jiān)測斷面的二襯最小安全系數(shù)[9]（圖6）。

圖6 二襯結(jié)構(gòu)斷面最小安全系數(shù)圖Fig.6 The minimum safety factor diagram of the second lining structure section

二襯結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩值：

二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)：

式中：ε內(nèi)、ε外——結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變；

b——截面寬度，取1 m；

M——彎矩/(N·m)；

N——軸力/N；

E——彈性模量/MPa；

h——截面厚度/m；

α——軸向力偏心影響系數(shù)；

φ——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度/MPa；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度/MPa；

K——安全系數(shù)。

文獻(xiàn)[14]規(guī)定隧道結(jié)構(gòu)抗震最小安全系數(shù)需大于2.4，為保證洞口段的安全性和穩(wěn)定性將隧道洞口段0～25 m 處施作加固措施，措施布置范圍如圖7 所示。

圖7 加固措施范圍Fig.7 Scope of reinforcement measures

4 樁-拱和樁-筏-拱抗震措施作用效果

4.1 結(jié)構(gòu)位移分析

提取三種工況的隧道及圍巖位移云圖，豎向位移云圖由圖8，水平位移云圖由圖9 所示。提取二襯各項(xiàng)位移最大值，并由式(5)計(jì)算措施一和措施二的抗震效果（表3）。

最大位移抗震作用效果：

式中：D后——采取加固措施后最大位移；

D前——無措施時(shí)最大位移；

ρD——最大位移抗震作用效果。

圖8 二襯結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.8 Cloud map of vertical displacement of second lining structure

圖9 二襯結(jié)構(gòu)橫向位移云圖Fig.9 Cloud map of lateral displacement of second lining structure

表3 二襯結(jié)構(gòu)的最大位移及控制效果Table 3 Maximum displacement and control effect of second liner structure

由表3 可知，由于地震波對(duì)樁產(chǎn)生了較大的橫向位移，加固措施對(duì)二襯橫向最大位移沒有抗震效果；因?yàn)闃赌茌^好的承擔(dān)豎向荷載其中措施一的二襯豎向最大位移由11.84 mm 降至11.68 mm，措施二的二襯豎向最大位移由11.84 mm 降至11.71 mm。措施一和措施二的抗震效果分別為為1.35%和1.09%

4.2 邊墻收斂分析

將三種工況下隧道不同監(jiān)測斷面的邊墻收斂值繪制于圖10。提取其中最大值并計(jì)算采用加固措施后（措施一、二）的抗震效果（表4）。

圖10 邊墻收斂值Fig.10 Side wall convergence value

由表4 可知，無措施的邊墻收斂最大值為49.66 mm；采用措施一的隧道結(jié)構(gòu)的邊墻收斂值為49.88 mm，略微增加，施設(shè)樁結(jié)構(gòu)對(duì)邊墻收斂沒有抗震效果，會(huì)加大水平方向的地震波對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的影響；采用措施二后，二襯結(jié)構(gòu)的邊墻收斂值明顯降低，措施二的的收斂值為34.52 mm，抗震效果為30.49%，筏板在水平方向上對(duì)隧道結(jié)構(gòu)具有較好的約束作用，減小了水平方向的地震波對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的影響。從控制結(jié)構(gòu)邊墻收斂方面看，措施二的抗震效果略優(yōu)于措施一。

表4 最大邊墻收斂及抗震效果Table 4 Maximum side convergence value and anti-seismic effect

4.3 內(nèi)力分析

將三種工況下各監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算量測數(shù)據(jù)提取出后依據(jù)式(1)～(4)計(jì)算二襯結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)內(nèi)力值（軸力、彎矩及安全系數(shù)[11]），提取各監(jiān)測斷面的二襯最小安全系數(shù)及對(duì)應(yīng)軸力、彎矩，由圖11 所示，并計(jì)算措施一和措施二的抗震效果（以無措施為對(duì)比）（表5）。

表5 監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)及抗震效果Table 5 Monitoring section minimum safety factor and antiseismic effect

由圖11 及表5 可知，措施一和措施二的二襯的各斷面最小安全系數(shù)均大于無措施，在危險(xiǎn)截面斷面1 和斷面2 處，措施二的最小安全系數(shù)明顯大于其余兩種工況。斷面1 處的安全系數(shù)提高了145.91%，斷面2 處的安全系數(shù)提高了143.72%。措施二的抗震效果優(yōu)于措施一。

圖11 各監(jiān)測斷面內(nèi)力Fig.11 Internal force at each monitoring section

5 結(jié)論

（1）由豎向位移分析可知，采用樁-拱結(jié)構(gòu)與樁-筏-拱板結(jié)構(gòu)，會(huì)增大隧道結(jié)構(gòu)的水平位移，減小隧道的豎向位移。其中水平位移分別增大了8.69%、9.66%，豎向位移分別減小1.35%、1.09%。

（2）由邊墻收斂變化可知，樁-拱結(jié)構(gòu)邊墻收斂幾無變化（增大了0.44%）；樁-筏-拱結(jié)構(gòu)能夠有效減小邊墻收斂，抗震效果為30.49%。

（3）分析危險(xiǎn)截面1、2 處結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，利用樁-拱結(jié)構(gòu)與樁-筏-拱結(jié)構(gòu)能夠增大結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。樁-拱結(jié)構(gòu)的抗震效果較差，僅分別提高了1.43%和6.71%；樁-筏-拱結(jié)構(gòu)的抗震效果顯著，分別提高了145.91%和143.72%。

（4）綜合位移及內(nèi)力分析，在新平隧洞口段中，樁-筏-拱結(jié)構(gòu)較樁-拱結(jié)構(gòu)的抗震效果更好，為保證隧道洞口段的安全性和穩(wěn)定性，建議隧道洞口段采用樁-筏-拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固。