地震作用下隧道襯砌背后不同位置空洞影響分析

耿亞帥， 朱正國， 顧廣彬， 張暢飛， 王道遠（．中鐵上海設計院集團有限公司徐州設計院，江蘇徐州000；．石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊050043）

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地震作用下隧道襯砌背后不同位置空洞影響分析

耿亞帥1，2， 朱正國2， 顧廣彬1， 張暢飛2， 王道遠2
（1．中鐵上海設計院集團有限公司徐州設計院，江蘇徐州221000；2．石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊050043）

摘 要：以高烈度地震區(qū)的敦煌至格爾木鐵路闊克薩隧道為工程背景，采用地震動力仿真模擬的方法，研究隧道襯砌背后空洞位置對隧道結(jié)構(gòu)的地震動力響應規(guī)律及影響機制，為已運營隧道病害處理提出合理建議，確保地震作用下隧道運營安全。計算結(jié)果表明：空洞的存在改變了支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，當空洞位于拱頂時，拱頂和拱肩為薄弱部位；當空洞位于左拱肩時，左拱肩、拱頂和左拱腰為薄弱部位；當空洞位于左拱腰時，左拱肩、左拱腳和左拱腰為薄弱部位。由計算結(jié)果可知，當空洞位于拱頂時對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響最大。所以在實際工程中，拱頂部位更應避免產(chǎn)生空洞并應及時加固治理。

關鍵詞：空洞；隧道襯砌；高烈度震區(qū)；動力響應；空洞位置

1　研究意義

隨著我國鐵路、公路等交通工程建設的快速發(fā)展，鐵路、公路隧道的數(shù)量迅速攀升。但是已運營隧道暴露出或多或少的病害，其中襯砌背后空洞是隧道病害中最普遍的現(xiàn)象之一［1－4］。由于不像襯砌開裂和滲漏水等病害那么直觀可見，其潛在危害性更大，嚴重的襯砌背后空洞會直接影響襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，危及行人和行車安全。

目前，國內(nèi)外學者在隧道及地下結(jié)構(gòu)抗震加固領域取得了不少成果，但大多研究僅限于以無空洞隧道為研究對象，而對有空洞隧道受地震影響的研究很少。本文以敦煌至格爾木鐵路闊克薩隧道為工程背景，針對高烈度地震區(qū)襯砌背后空洞隧道，研究在地震荷載作用下隧道襯砌背后空洞位置不同的情況下，其動力響應規(guī)律，進而對隧道襯砌背后空洞避免及治理提供參考建議。

2　模型及工況

2．1計算模型及計算參數(shù)

利用三維差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬闊克薩隧道襯砌背后存在空洞在地震荷載作用下的動力響應。指定沿隧道軸線方向為y軸正向，豎直向上為z軸正向，隧道橫斷面向右方向為x軸正向，整個計算模型在x、y、z三個方向尺寸為84m×20m×98．63 m（隧道埋深50m），模型邊界采用動力邊界條件，底部無須施加靜態(tài)邊界，前、后、左、右施加自由場邊界，上部為自由面。襯砌背后存在空洞的隧道三維計算模型及空洞位置見圖1。

圖1　三維計算模型及局部模型

圍巖視為摩爾－庫侖理想彈塑性材料，支護結(jié)構(gòu)均視為彈性材料。初期支護厚度280mm，采用殼單元，二次襯砌厚度500mm，采用實體單元。圍巖物理力學參數(shù)參照地質(zhì)資料和現(xiàn)行《鐵路隧道設計規(guī)范》選取，地層和支護的物理力學指標見表1。

表1　地層及支護物理力學參數(shù)

為最大限度減少邊界約束對計算結(jié)果的影響，選取模型中間斷面作為計算數(shù)據(jù)提取斷面（目標工作面）。為便于分析，在目標工作面處設置了周邊監(jiān)測點，監(jiān)測點布置在隧道拱頂、左右拱肩、左右拱腰及左右拱腳等位置，見圖2。

圖2　周邊監(jiān)測點布置

2．2地震波及輸入方式

本文采用瑞利阻尼來表征巖土體在地震波傳播過程中的阻尼作用。根據(jù)1∶400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2001），結(jié)合沿線工程地質(zhì)條件和工程設置情況，經(jīng)綜合分析確定了隧道區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0．20g，地震動反應譜特征周期為0．40s。地震波使用的P波是地震波埃而森特羅波（EI Centro），首先利用SeismoSignal軟件對該波進行濾波，然后進行基線校正，經(jīng)過反演計算得出它的20s加速度時程曲線見圖3。本文首先計算存在空洞隧道在重力場作用下的平衡，然后在進行動力計算時，該地震波每隔0．02s從模型底部橫向x方向和豎向z方向同時輸入。

圖3　地震加速度時程曲線

2．3計算工況

本文研究隧道在埋深50m、圍巖級別為Ⅴ級、徑向大小為2m、環(huán)向大小為20°、軸向為1m的基準情況下，空洞位于拱頂、拱肩、拱腰三種工況下，空洞位置對隧道地震響應規(guī)律的影響。

3　模型計算及分析

3．1三種工況下加速度響應分析

隧道襯砌背后空洞位置不同情況下，震動過程中各監(jiān)測點加速度峰值見表2，加速度最大絕對值與空洞位置關系曲線見圖4。

表2　各監(jiān)測點加速度峰值數(shù)據(jù)

注：表中數(shù)據(jù)的形式為加速度負響應峰值／正響應峰值（下同），最大絕對值為加速度正負響應峰值之差。增幅為相對于無空洞最大絕對值增大量。

圖4　加速度最大絕對值與空洞位置關系曲線

由表2和圖4可知，在地震荷載作用下，與無空洞相比，當空洞位于拱頂位置時，襯砌拱肩和拱頂部位加速度最大絕對值增幅較大，其中拱頂增幅40．70%，左拱肩增幅82．30%，右拱肩增幅62．98%；當空洞位于左拱肩位置時，左拱肩、左拱腰和拱頂部位加速度最大絕對值增幅較大，其中左拱肩增幅68．96%，左拱腰增幅27．07%，拱頂增幅24．55%；當空洞位于左拱腰部位時，左拱腳、左拱腰、左拱肩加速度最大絕對值增幅較大，其中左拱腳增幅26．84%，左拱腰增幅69．43%，左拱肩增幅43．12%。

3．2三種工況下應力響應分析

隧道襯砌背后空洞位置不同情況下，震動過程中各監(jiān)測點最大主應力峰值見表3，最大主應力與空洞位置關系曲線見圖5。

由表3和圖5可知，在地震荷載作用下，與無空洞相比，當空洞位于拱頂位置時，襯砌拱肩和拱頂部位最大主應力增幅較大，其中拱頂增幅547．37%，左拱肩增幅127．85%，右拱肩增幅148．98%；當空洞位于左拱肩位置時，左拱肩、左拱腰和拱頂部位最大主應力增幅較大，其中左拱肩增幅97．47%，左拱腰增幅142．16%，拱頂增幅413．16%；當空洞位于左拱腰部位時，左拱腳、左拱腰、左拱肩最大主應力增幅較大，其中左拱腳增幅106．76%，左拱腰增幅225．49%，左拱肩增幅129．75%。

表3　各監(jiān)測點最大主應力數(shù)據(jù)

圖5　最大主應力與空洞位置關系曲線

3．3三種工況下內(nèi)力響應分析

隧道襯砌背后空洞位置不同情況下，震動過程中各監(jiān)測點彎矩峰值見表4，最大負彎矩與空洞位置關系曲線見圖6。

表4各監(jiān)測點彎矩峰值 kN·m

圖6　最大負彎矩與空洞位置關系曲線

由表4和圖6可知，在地震荷載作用下，與無空洞相比，當空洞位于拱頂位置時，襯砌拱肩和拱頂部位負彎矩增幅較大，其中拱頂增幅0．99倍，左拱肩增幅1．20倍，右拱肩增幅1．03倍；當空洞位于左拱肩位置時，左拱肩、左拱腰和拱頂部位負彎矩增幅較大，其中左拱肩增幅1．29倍，左拱腰增幅0．42倍，拱頂增幅0．49倍；當空洞位于左拱腰部位時，左拱腳、左拱腰、左拱肩負彎矩增幅較大，其中左拱腳增幅0．55倍，左拱腰增幅0．50倍，左拱肩增幅0．90倍。當空洞位于拱頂部位時負彎矩增大幅度要比空洞位于左拱肩和左拱腰時大，說明空洞位于拱頂時對隧道的危害最大。

4　結(jié)論

（1）空洞位于不同位置時，對空洞所在位置及其相鄰部位的加速度影響最大。

（2）空洞的存在改變了支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，當空洞位于拱頂時，拱頂和拱肩部位為薄弱部位；當空洞位于左拱肩時，左拱肩、拱頂和左拱腰部位為薄弱部位；當空洞位于左拱腰時，左拱肩、左拱腳和左拱腰部位為薄弱部位。

（3）當空洞位于拱頂時對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響最大，所以在實際工程中，拱頂部位應避免產(chǎn)生空洞并應及時加固治理。

參考文獻

［1］羅鑫，李志斌．公路隧道襯砌背后空洞的研究［J］．現(xiàn)代隧道技術，2002（S1）：441－446

［2］Hashash Y M A，Hook J J，Sehmidt B，et al．Seismic design and analysis of underground structures［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2001（16）：247－293

［3］張成平，馮崗，張旭，等．襯砌背后雙空洞影響下隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)分析［J］．巖土工程學報，2015，37（3）：487－493

［4］劉敦文，楊光，彭懷德．爆破作用下拱頂襯砌脫空對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析［J］．中南大學學報：自然科學版，2013，44（10）：4214－4220

An Analysis of the Effects of Cavities in Different Positions Behind the Tunnel Lining Under the Action of an Earthquake

Geng Yashuai1，2， Zhu Zhengguo2， Gu Guangbin1， Zhang Changfei2， Wang Daoyuan2
（1．Xuzhou Design Institution of the Shanghai Design Institution Group Co．Ltd．of the Railway Building Corporation of China，Xuzhou 221000，China；2．College of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract：With the Kuokesa Tunnel of the Dunhuang－Golmud Railway in the area of high intensity active fault as the engineering background and by the seismic dynamic simulation method，the effects of the different positions of the cavity behind the tunnel lining on the seismic dynamic response rules and the mechanism of the effect on the tunnel structure are studied，with some reasonable suggestions put forward against the disease of cavity in operation tunnels to ensure the safety of operation tunnels under the action of an earthquake．The calculation results show that the existence of the cavity changes the stress state of the supporting structure．Arch and arch shoulder are the weak positions when the cavity is located in the vault；left spandrel，vault and left hance are the weak positions when the cavity is located in the left spandrel；left spandrel，left hance and left arch foot are the weak positions when the cavity is located in the left hance．According to the calculated result，the influence on tunnel lining structure will be the greatest when the cavity is located in the vault．So，in practical projects，cavities in the arch part should be avoided．If any，the arch should be consolidated or dealt with timely．

Key words：cavity；tunnel lining；high intensity seismic region；dynamic response；position of the cavity

作者簡介：耿亞帥（1987—），男，助理工程師，主要從事隧道施工及穩(wěn)定性研究工作 853748029＠qq．com

收稿日期：2015－10－28

中圖分類號：U451．4；U452．28

文獻標識碼：A

文章編號：1672－3953（2016）01－0037－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．010