高烈度區域隧道工程的抗震分析及措施

趙東寅,陳立強,李興國

(1.紫金礦業集團紫金山金銅礦, 福建上杭縣 364200;2.Mcc Resources Development Company LTD , Pakistan)

高烈度區域隧道工程的抗震分析及措施

趙東寅1,陳立強2,李興國2

(1.紫金礦業集團紫金山金銅礦, 福建上杭縣 364200;2.Mcc Resources Development Company LTD , Pakistan)

用靜力法定性分析了隧道在典型的Ⅷ度和Ⅸ度地震烈度下,不同埋深下的整體破壞模式,并采用ansys軟件研究分析了某高烈度區域隧道設計各埋深段的安全系數,針對隧道設計提出了有關抗震的指導性建議。

地震帶;烈度;抗震分析;荷載結構法;抗震措施

某設計擬建隧道項目處于地震帶,新構造運動非常強烈,歷史上曾經發生過強烈的地震,現今小震與弱震活動也很頻繁,是我國重點監視的主要地震活動區之一。基本地震動峰值加速度系數為0.20g(基本列度為Ⅷ度),局部區域地震動峰值加速度達到0.40g(基本烈度大于等于Ⅸ度)。因此對該區段的隧道應進行專門的抗震設計。

1 隧道抗震計算分析

1.1 基本假定及簡化方法

目前,關于隧道抗震計算方法有動力法和靜力法兩種。由于靜力法計算結果與一些宏觀震害調查情況較為接近,其抗震加強措施和范圍與非震區隧道襯砌比較,一般也大體合理。而且靜力法計算較為簡便,考慮到目前隧道圍巖壓力計算理論,尚待進一步探索,因此,在隧道抗震驗算中,采用更精確的計算方法,其實際意義不大。故目前隧道抗震計算一般采用靜力法。

采用ansys10.0建立荷載結構模型,洞身使用beam3單元,圍巖采用plane42平面單元,圍巖與結構的相互作用采用combin14彈簧單元模擬。考慮到直接施加荷載到洞身建模繁瑣且困難,逐采取在洞身四面各延伸0.5m,做平面單元。通過平面單元把水平荷載和豎直荷載傳遞到洞身。

計算過程和方法:采用成熟的荷載結構法,在初次計算后,將所有受拉彈簧全部取消,再次計算,直到所有圍巖與洞身相互作用彈簧均為受壓狀態時,計算結束。

荷載結構法基本假定如下:

(1)假定襯砌為小變形彈性梁,襯砌為足夠多個離散等厚度直梁單元;

(2)用彈簧單元模擬圍巖和結構的相互作用,彈簧單元受壓不受拉,彈性抗力系數由基礎的局部變形理論確定;

(3)隧道襯砌底部豎向反力為地面荷載、土壓、水壓以及結構自重;

(4)隧道為長細結構,用平面應變模式分析。

1.2 計算模型及荷載

隧道抗震ansys計算模型及荷載見圖1、圖2。

圖2 隧道荷載

圖2中,e1為正常圍巖隧道頂部壓力,N/m;e2為正常圍巖隧道底部壓力,N/m;F1為地震時襯砌自重在水平地震系數作用下的慣性力,N/m;Δe1為地震荷載引發的圍巖壓力上部增量,N/m;Δe2為地震荷載引發的圍巖壓力下部增量,N/m;q為圍巖豎直壓力,N/m;qq為圍巖底部豎直支反力,q+襯砌重量,N/m;F為隧道頂部土柱慣性力,N。

洞身單元:面積0.37m2,梁高0.74m,中心軸慣性距0.0169,梁寬0.5m。C25混凝土彈性模量28.5e9Pa,泊松比0.2,重度25kNn/m3。圍巖特性:采用五類圍巖特性,重度18.5kN/m3,泊松比0.4,計算摩擦角45°,內摩擦角25°,彈性模量1.5e9Pa,粘聚力0.15MPa。圍巖與洞身相互作用彈性抗力系數150MPa/m。混凝土抗壓設計強度13.5e6Pa,極限彎曲抗壓強度24.2e6Pa,極限抗壓強度19e6Pa。鋼筋抗壓或抗拉設計強度268e6Pa。

對于隧道,受力主要以偏心受壓為主。其中以曲墻和仰拱過渡部位和仰拱處受力最大,選取這兩處最大受力部位驗證配筋。

1.3 計算結果

隧道規范中規定:要求鋼筋混凝土中混凝土達到極限抗壓或抗剪強度,鋼筋達到計算強度時,在永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載作用下,需要保證1.7的安全系數,以此驗證現有二次襯砌配筋。初期支護和二次支護荷載分擔比例,五級圍巖條件下,二次襯砌按分擔30%考慮。原襯砌配筋主筋為Φ18一級鋼筋,間距25cm,不同條件下的計算結果見表1、表2。

表1 地震烈度為8度時各埋深段二襯受力計算結果

表2 地震烈度為9度時各埋深段二襯受力計算結果

2 高震區采取的抗震措施

(1)考慮到一次襯砌加錨桿支護有利于抗震設防,建議隧道淺埋段加強初次支護,適當加厚噴射混凝土厚度,噴射混凝土中加入鋼纖維,并施加雙層鋼筋網。

(2)考慮到襯砌自重在圍巖壓力荷載的貢獻,建議在滿足強度要求的條件下,在隧道淺埋段采用輕骨料混凝土,尤其在體積占有較大的二次模注混凝土。避免結構自身在高烈度時產生較大慣性力。

(3)可能發生崩塌、膨脹性地壓、集中涌水等斷層破碎帶等圍巖條件時,要盡力防止襯砌的剝落,在襯砌和仰拱中加人鋼纖維等加強措施。其次,在橫穿活動性大的活斷層時,除加強襯砌以外,還要考慮因地震而造成隧道錯動時能及時修復的結構措施。

(4)隧道的震害多為發生在坡面災害引起的洞門或洞口附近的襯砌變異、崩塌等。原因是洞口附近埋深小,地質條件差。易受周邊圍巖地震力的影響,地震時會發生偏壓等作用。因此,在進行洞口段設計時,應盡量避免在洞口進行大的挖方。必要時,最好把洞口向前延伸,或者修筑抗滑樁、落石防護裝置等。

(5)在大的地震烈度下,結構自身的抗震能力是抵御較大破壞的主要保證,在此基礎上考慮在襯砌后設置大阻尼材料減震層或采用聚合物混凝土,增加混凝土的柔韌性、彈性和阻尼,降低壓縮波和剪切波的能量和主作用周期,也是非常有意義且可行的。

(6)隧道內配置柔性接頭,即在斷層區域及淺埋段加大變形縫的設置,以使結構物的剛性變小來減輕在結構物中發生的地震力。

(7)在斷層地段采用壓漿、打樁等措施加強基礎在地震荷載作用下的穩固,防止出現過大的變形。

3 結 論

(1)結構安全系數隨埋深增加在逐漸遞減的情況下(淺埋區域),深埋段(35m)地震荷載作用下安全系數突然提升,結果接近15m埋深時的情況。現有規范在地下結構抗震方面無法準確反應隨著埋深的增加,安全系數逐漸增大的情況,但從深埋和淺埋比較可以看出,深埋隧道較淺埋隧道抗震方面更加有利。因此做好淺埋段的隧道抗震工作是隧道抗震的主要方向。

(2)原設計配筋,在正常圍巖壓力下能滿足結構使用要求,考慮到路面結構對曲墻以下襯砌的約束及結構的彈塑性,地震烈度為8度時滿足規范安全系數要求。在地震烈度為9度時,現有結構配筋相對8度薄弱。因此對9度區淺埋段二次襯砌配筋需適當加強,防止襯砌過度壓縮產生剝落,尤其要加強曲墻以下二次襯砌配筋。考慮到結構強度的提升是有限的,過大的提高結構強度勢必造成結構自身的過大的重量,從而加大地震時的慣性力,造成更大的破壞。例如地震烈度從8度到9度,結構自身慣性力就增大了2倍。因此對于9度區結構抗震,設計中考慮適當加強結構強度,主要加強新材料和構造措施的應用(如:加大壓漿措施,提高整體性等),在減震方面做好工作。從拱頂受力驗算結果可以看到,無論地震烈度8度還是9度,曲墻以上現有配筋安全系數是得到保證的。

(3)正常圍巖荷載下曲墻與仰拱連接過渡部位在結構安全性上往往要弱于仰拱,而在考慮地震荷載后仰拱在結構安全性上要弱于曲墻與仰拱連接過渡部位。

(4)地震烈度從8度到9度的計算,可以看到結構安全性系數降低幅度較大,8度時的安全性系數幾乎是9度的1.4倍多。因此,當峰值地面加速度在0.15～0.45g時,隧道損害嚴重,當峰值地面加速度?0.45g時,隧道損害非常嚴重。

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2009-12-31)