襯砌背后空洞對隧道抗震性能影響分析

襯砌背后空洞對隧道抗震性能影響分析

聶子云1， 張春雷1， 李鳳翔2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100020)

摘要：目前關(guān)于隧道震害問題的研究主要集中于隧道洞門和洞口段，實際上仍有不少洞身襯砌在地震中產(chǎn)生嚴重震害，其中一個重要原因便是襯砌背后存在空洞或者回填不密實。通過大型有限元軟件ABAQUS，采用無限元邊界解決地震波的反射震蕩問題，研究襯砌背后空洞對隧道的地震動力響應(yīng)的影響。通過分析得到：密實狀態(tài)下，即使在較大地震動力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)仍處于良好的受壓狀態(tài)；一旦襯砌背后存在空洞，地震作用下脫空區(qū)襯砌產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，可能導致襯砌開裂坍塌；同時，空洞處周邊圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，易引起巖體松弛掉落沖擊襯砌。

關(guān)鍵詞：隧道； 襯砌背后空洞； 地震； 主拉應(yīng)力； 塑性區(qū)

收稿日期：*2014-08-20

作者簡介：聶子云(1987-)，男，江西九江人，助理工程師，碩士，主要從事隧道及地下工程方面設(shè)計研究工作.E-mia：nieziyun2011@163.com

中圖分類號:U452.2+8文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0138

EffectofVoidbehindLiningonSeismicPerformanceofTunnel

NIEZi-yun1， ZHANG Chun-lei1， LI Feng-xiang2

(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin300251，China；

2.China Railway Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing100020，China)

Abstract：At present，analyses of seismic damage to tunnels have focused on the tunnel portal and portal section.However，there are still many deeply-buried tunnels that have been badly damaged by earthquakes；an important reason for this is the existence of voids behind the lining or because the lining backfill is not dense.However，studies on the relationship between voids behind the lining and the dynamic characteristics of earthquakes are few.In this study，the seismic performance of a tunnel with voids behind the lining are studied using the finite element software ABAQUS.The analysis reveals the following：if the lining is tightly and firmly stuck to the surrounding rocks，even under larger seismic action，the lining remains in a good state of compression.Once voids are present behind the lining，the lining that does not have the support of the surrounding rock comes under great tensile stress，resulting in cracking of the lining，which causes tunnel collapse.In addition，during earthquakes, larger plastic deformation appears in the surrounding rock without lining support than in those with lining support，causing the rock to more easily relax and fall off.

Keywords：tunnel；voidbehindlining；earthquake；principaltensilestress；plasticzone

0引言

地下結(jié)構(gòu)由于受到巖土(石)的約束作用，地震時受到的慣性力和位移都較少，因此一般認為其抗震性能要明顯優(yōu)于地上結(jié)構(gòu)(圖1)。盡管如此，不少地震還是對地下結(jié)構(gòu)造成了不同程度的破壞，甚至有不少隧道產(chǎn)生嚴重震害。如1999年臺灣集集地震對臺灣57座隧道中的49座造成了不同程度的破壞[1]。2008年我國汶川大地震后，李天斌[2]和高波[3]分別對都汶公路上的11座和18座隧道進行了現(xiàn)場震害調(diào)研，其中5%的隧道出現(xiàn)輕度震害，22%為中度震害，73%為嚴重震害。

圖1　地震作用下地面結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)的行為差異示意圖 Fig.1　Difference of behavior between surface structures and underground structures during earthquake

隧道洞口段，由于埋深淺、圍巖風化嚴重，其抗震性能差，故在地震中洞門和洞口段襯砌破壞嚴重，是目前學者有關(guān)隧道抗震研究最多的課題，如周培德[4]、崔光耀[5]、曹小平[6]等都對強震作用下隧道洞口段的動力特性和震害機理進行了分析探討。但事實上有不少具有一定埋深的隧道襯砌在地震中也會發(fā)生嚴重破壞，甚至坍塌。圖2為2004年日本新瀉地震中受損嚴重的Uonuma隧道[7]，可以看到巨大的混凝土襯砌(約5t)從拱部坍塌掉落在鋼軌上，這是日本新干線運營后發(fā)生最嚴重的隧道破壞事故，花了近兩個月才恢復通行。圖3為2008年汶川地震中龍溪隧道距離洞口200m左右處塌方情況，從圖中可以看出雖然塌方段圍巖條件較好，但是拱頂出現(xiàn)很大塌腔。

圖2　Uonuma隧道塌方 Fig.2　Collopse of the Uonuma tunnel

圖3　龍溪隧道塌方 Fig.3　Collapse of the Longxi tunnel

不少深埋隧道在地震中出現(xiàn)嚴重破壞，筆者認為其中一個很重要的原因是襯砌背后空洞的存在。日本Uonuma隧道塌方事故發(fā)生后，調(diào)查組對該隧道進行了專項地質(zhì)調(diào)查及襯砌背后檢測，發(fā)現(xiàn)襯砌背后存在較大空洞。高峰[8]根據(jù)對已有震害的調(diào)查及資料分析，發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量未能保證、回填不密實的隧道容易遭受地震破壞。分析可知，空洞的存在去除了圍巖對相應(yīng)襯砌的約束作用，脫空區(qū)襯砌表現(xiàn)出與地面結(jié)構(gòu)類似的動力反應(yīng)特征，更容易遭到破壞。因此，針對目前運營隧道普遍存在襯砌背后空洞這一現(xiàn)象展開抗震性能的影響研究是十分有必要的，特別是由于施工工藝限制，管理能力不足等原因，拱頂位置往往是空洞病害的重災(zāi)區(qū)，本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS研究分析了拱頂背后空洞對隧道抗震性能的影響。

1計算模型

1.1積分算法

與地上結(jié)構(gòu)不同，地下洞室結(jié)構(gòu)由于賦存于巖土介質(zhì)之中，受到周圍巖土體的約束作用顯著，致使地其動力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出自振特性，特別是低階模態(tài)的影響[9]。因此對地下洞室進行自振特性求解和反應(yīng)譜計算的意義相對不大，較為合理的分析方法是采用動力非線性時程計算求解方法[10]。

ABAQUS提供了兩種動力非線性方程的求解方法：Standard隱式積分算法和Explicit顯式積分算法。鑒于Standard隱式模塊很適合模擬巖土地應(yīng)力平衡及開挖問題，且把其結(jié)果導入Explicit比較麻煩，而顯式和隱式在地震動力分析中獲得的解答相差很小，為此。本文采用Standard隱式算法。

1.2無限元邊界

采用固定邊界時由于向外傳播的地震波在邊界處又會反射回模型，位移波動隨時間增長出現(xiàn)反復振蕩，而實際地震波向遠場傳播時能量是逐漸逸散的，因此固定邊界給出的結(jié)果并不合理。為保證任何入射情況下均無反射波，引入了無限元人工邊界。無限元單元本身包含阻尼系數(shù)[11-12]，相當于施加了一種黏性邊界，能夠很好地體現(xiàn)能量逸散的效果，體現(xiàn)地層輻射阻尼效應(yīng)，從而給出合理的結(jié)果。

無限元人工邊界的應(yīng)力為：

式中：d為無限元阻尼系數(shù)；V為介質(zhì)粒子的振動速度。

由式(1)可以看到，無限元人工邊界的應(yīng)力僅與該無限元內(nèi)結(jié)點該時刻的振動速度反應(yīng)值相關(guān)，物理上相當于在邊界結(jié)點每個方向施加一個一端固定的單向阻尼元件。

1.3數(shù)值模型

假設(shè)某隧道埋深為30m，拱頂存在30°范圍空洞，模型尺寸如圖4所示。地震動從隧道底部60m有限元-無限元交界處輸入?？斩吹拇嬖诳梢酝ㄟ^挖除空洞處土體實現(xiàn)，如圖4(b)，但是考慮到本文不討論空洞深度的影響，而且往往回填不密實也會起到和空洞同樣的脫空效果，同時總的土體體積并不一定減少，故本文通過解除脫空襯砌和圍巖的接觸屬性來實現(xiàn)襯砌背后空洞的存在。

1.4材料參數(shù)

有限元圍巖采用摩爾-庫倫塑性本構(gòu)模型，無限域圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。無限域圍巖彈性參數(shù)與有限域彈性參數(shù)相同，靜力開挖與地震動力分析中材料的計算參數(shù)均相同。動力計算中以Reyleigh阻尼形式定義材料的阻尼，由于地震作用下結(jié)構(gòu)的剛度阻尼占主導作用，為此所有介質(zhì)阻尼只考慮剛度阻尼。本文材料阻尼參照[7]選取，圍巖及襯砌的物理力學參數(shù)見表1。

1.5地震動荷載

地震動荷載選取經(jīng)典的印度Koyna大壩地震加速度時程(圖5)。該地震動最大水平加速度幅值為0.474g(t=3.13s)，最大豎向加速度幅值為0.312g(t=3.8s)，其中g(shù)=9.8m·s-2，時程采樣間隔0.02s，地震加載時間取10s。本文考慮地震烈度為Ⅷ度，對應(yīng)水平加速度峰值為0.2g，豎向加速度峰值取為水平加速度峰值的2/3，對Koyna地震波進行調(diào)整后輸入。

圖4　數(shù)值模型 Fig.4　Numerical model

材料類型重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比ν剛度阻尼β黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角?/(°)V級圍巖有限域2010.350.001710027V級圍巖無限域2010.350.0017--C25襯砌25280.20.003--

圖5　Koyna地震水平和豎直加速度時程曲線 Fig.5　Horizontal and vertical acceleration time-history curves under koyna earthquake

圖6　各工況下襯砌主應(yīng)力云圖 Fig.6　Principal stress contour of the lining under different working conditions

2計算結(jié)果分析

建立4種計算工況模型進行對比分析：(1)襯砌處于密實狀態(tài)下，不受地震作用；(2)襯砌處于密實狀態(tài)下，受到地震作用；(3)襯砌背后存在空洞，不受地震作用；(4)襯砌背后存在空洞，受到地震作用。經(jīng)過計算可以得到各工況下襯砌主應(yīng)力云圖，如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，密實狀態(tài)下襯砌只產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力位于墻角處(為9.6MPa)，遠小于襯砌極限壓應(yīng)力，可見襯砌處于良好的受壓狀態(tài)。圖6(b)顯示，密實狀態(tài)在地震動荷載下，襯砌仍只受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力位于墻角處(為13.2MPa)，較密實狀態(tài)下增大30%左右，仍遠小于襯砌極限壓應(yīng)力。可見如果襯砌處于密實狀態(tài)，即使在較大地震作用下，襯砌仍處于良好的受力狀態(tài)。圖6(c)為拱頂存在30°范圍空洞時襯砌的受力狀態(tài)，從圖中可以看出，襯砌仍以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為9.6MPa，但在襯砌脫空區(qū)外側(cè)中心(A)和脫空區(qū)內(nèi)側(cè)邊緣(B′、C′)產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于空洞較小，最大拉應(yīng)力僅為0.7MPa，襯砌最大拉、壓應(yīng)力仍遠小于襯砌極限拉、壓應(yīng)力，襯砌處于安全狀態(tài)。圖6(d)為拱頂存在30°范圍空洞時并在地震作用下襯砌的受力狀態(tài)，從圖中可以看出，襯砌脫空區(qū)外側(cè)中心(A＇)和脫空區(qū)內(nèi)側(cè)邊緣(B＇、C＇)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，最大值為2.0MPa，已經(jīng)接近混凝土極限抗拉強度。由此可見，如果襯砌背后存在空洞，即使空洞范圍較小，也將極大地降低隧道的抗震性能。這就不難解釋日本Uonuma隧道在地震中的災(zāi)難性坍塌事故。

從分析中可知襯砌拉應(yīng)力為控制應(yīng)力，為更直觀地反映空洞和地震耦合作用對襯砌拉應(yīng)力的影響，建立以襯砌仰拱中心為起終點的環(huán)向路徑，如圖6(d)箭頭所示，可以得到襯砌內(nèi)、外側(cè)主拉應(yīng)力沿該路徑的曲線圖(圖7)。

從圖7中可以看出：當襯砌處于密實狀態(tài)時，有地震和無地震狀況下的襯砌拉應(yīng)力曲線圖吻合很好，且?guī)缀醪划a(chǎn)生拉應(yīng)力，說明地震對密實狀態(tài)下的襯砌影響不大。當襯砌背后存在空洞時，除了襯砌脫空區(qū)內(nèi)側(cè)邊緣和脫空區(qū)外側(cè)中心主拉應(yīng)力出現(xiàn)較小波動外，其他部位與密實狀態(tài)下襯砌受力狀態(tài)吻合得很好，說明較小空洞對襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)影響不大；如果存在地震作用，脫空襯砌內(nèi)外側(cè)會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，說明地震會很大程度地放大襯砌背后空洞破壞效應(yīng)，或者說襯砌背后空洞會很大程度地放大地震的破壞效應(yīng)，足見兩者耦合作用對襯砌的破壞是不容小覷的。

上文主要討論地震對隧道襯砌的影響，事實上地震還會對圍巖的受力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)密實和空洞靜力狀態(tài)下，初砌周邊圍巖不產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，而地震作用下則正好相反，如圖8所示。

圖7　襯砌主拉應(yīng)力沿襯砌內(nèi)、外側(cè)分布曲線圖 Fig.7　Principle tensile stress distribution inside and outside of the lining

圖8　地震作用下襯砌周邊圍巖塑性區(qū) Fig.8　Plastic zone in surrounding rock of the lining during earthquake

從圖8(a)可以看出，當襯砌和圍巖接觸密實時，在地震作用下墻角和右拱肩處圍巖產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，最大等效塑形應(yīng)變?yōu)?.008，位于墻角處。圖8(b)表明，拱頂背后存在空洞時，地震作用下圍巖主要塑性區(qū)分布位置與密實狀態(tài)下基本一致，且最大塑性值出現(xiàn)在空洞與襯砌交界處，為0.01，并有貫通趨勢，如果空洞周邊圍巖塑性區(qū)貫通，空洞處圍巖將發(fā)生松動坍塌，對襯砌產(chǎn)生沖擊作用。

綜上所述，襯砌背后空洞極大地降低隧道的抗震性能，主要體現(xiàn)為兩個方面：(1)地震作用下脫空襯砌內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)中心產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生拉裂破壞；(2)地震作用下空洞與襯砌交界處圍巖產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變，空洞圍巖容易松弛坍塌，沖擊襯砌。

4結(jié)論

通過分析襯砌背后空洞對隧道的地震動力響應(yīng)的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1) 密實狀態(tài)下，襯砌結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力遠小于混凝土極限抗拉強度，襯砌處于良好的受力狀態(tài)。

(2) 密實狀態(tài)，在地震動力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)較靜力狀態(tài)下襯砌壓應(yīng)力有所增大，但是增長幅度有限，不會導致襯砌破壞，襯砌仍處于良好的受壓狀態(tài)。

(3) 如果襯砌背后存在空洞，空洞范圍有限，脫空區(qū)襯砌內(nèi)外側(cè)將產(chǎn)生較小拉應(yīng)力，對襯砌的整體受力狀態(tài)存在一定不利影響，但是不至于導致襯砌破壞。

(4) 如果襯砌背后存在空洞，即使空洞范圍有限，在地震動力作用下脫空襯砌內(nèi)外側(cè)也將產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，可能導致脫空襯砌拉裂破壞；再者，地震作用會導致空洞周邊圍巖產(chǎn)生較大塑性區(qū)，空洞處圍巖易松弛坍塌，對襯砌存在潛在沖擊威脅。

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