單線鐵路隧道地震作用下臺(tái)階法支護(hù)的動(dòng)力響應(yīng)分析

李仁強(qiáng)

摘要：在地震高烈度區(qū)隧道設(shè)計(jì)都會(huì)按照規(guī)范要求考慮地震作用的影響，然而常常會(huì)忽略施工過(guò)程中地震作用對(duì)隧道施工安全的影響。因而，論文以單線鐵路隧道臺(tái)階法施工為例，通過(guò)彈塑性數(shù)值分析，獲得臺(tái)階法施工過(guò)程的關(guān)鍵施工步。在此基礎(chǔ)之上，考慮關(guān)鍵施工步階段發(fā)生地震，對(duì)該階段進(jìn)行動(dòng)力分析。結(jié)果表明，臺(tái)階法施工中，下臺(tái)階開挖為關(guān)鍵施工步;圍巖的拱頂下沉受地震影響較大，邊墻的水平位移受地震影響相對(duì)較小;上臺(tái)階初期支護(hù)應(yīng)力受地震影響較大，但是最大拉應(yīng)力約為2.2MPa，最大壓應(yīng)力沒有超過(guò)16 MPa?？紤]地震作用下的應(yīng)力較未考慮地震作用時(shí)大，因此，在高烈度地震區(qū)的隧道設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)考慮地震對(duì)隧道施工安全的影響。

Abstract： The tunnel design in the high-intensity seismic zone generally considers the impact of seismic action according to the normative requirements. However， the impact of seismic action on tunnel construction safety is often neglected. Through the elastoplastic numerical analysis， the key construction steps of the Benching Tunnelling method are obtained. On this basis， assume that the earthquake happened in the key construction step， and carry out dynamic analysis on this step The results show that in the Benching Tunnelling method， the key stage is the excavation of the lower step. The subsidence of the arch of the surrounding rock is greatly affected by the earthquake， and the horizontal displacement of the side wall is born affected By the earthquake; the support stress of the upper step in the initial stage is greatly affected by the earthquake， but the maximum tensile stress is approximately 2.2 MPa， and the maximum compressive stress does not exceed 16 MPa. Since the stress under earthquake is larger than the stress without an earthquake， the tunnel design and construction in the high-intensity seismic zone should consider the impact of an earthquake on tunnel construction safety.

關(guān)鍵詞：地震;軟質(zhì)板巖;大變形;臺(tái)階法

Key words： earthquake;soft slate;large deformation;benching tunnelling method

中圖分類號(hào)：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0127-07

0? 引言

地震對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的損害較地面結(jié)構(gòu)小，對(duì)于高地應(yīng)力軟弱巖體隧道施工，隧道變形控制原則應(yīng)以應(yīng)力釋放與支護(hù)抗力相結(jié)合為基礎(chǔ)[1-2]。對(duì)不同邊界的隧道模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算表明，圍巖應(yīng)力值受邊界取值范圍影響小，圍巖位移值受底邊界取值范圍影響大;并且地震動(dòng)力計(jì)算邊界取較大寬度時(shí)，圍巖應(yīng)力及位移受邊界取值范圍影響可以忽略[3]。蔣樹屏等[4]根據(jù)大量震害資料的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)埋置深度對(duì)其地震破壞程度影響很大。李林等[5]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析表明偏壓隧道有較不利的內(nèi)力值分布與較大峰值。梁建文等[6]采用黏彈性邊界方法和地震動(dòng)輸入等效節(jié)點(diǎn)力方法，建立地鐵隧道地震響應(yīng)分析問(wèn)題的模型。劉妮娜等[7]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)表明擴(kuò)大斷面的馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)中拱腰部位的應(yīng)變?cè)鲋底畲螅绊敳课淮沃?，底板的?yīng)變?cè)鲋迪啾茸钚?。Haitao Zhu等[8]研究表明隧道周圍不同位置土體在豎向地震作用下具有較大的相對(duì)位移。王國(guó)波等[9]基于土體-隧道群相互作用的分析表明，隧道半徑、埋深和空間間距對(duì)場(chǎng)地土和隧道的地震響應(yīng)顯著。崔光耀等[10]通過(guò)建立三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)震害分析表明震害主要發(fā)生在軟硬圍巖交接處，主要影響因數(shù)為強(qiáng)制位移，地震慣性力次之。地震對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響已有大量的研究，但隧道施工過(guò)程中考慮地震作用的研究成果還不完善。本文依托杰德秀一號(hào)隧道通過(guò)建立數(shù)值模型，探究地震作用下臺(tái)階法關(guān)鍵施工步的圍巖支護(hù)動(dòng)力響應(yīng)。

1? 依托工程概況

杰德秀1#隧道位于青藏高原東南部雅魯藏布江左側(cè)山南地區(qū)貢嘎縣，進(jìn)口里程為DK59+860，出口里程為DK61+550，全長(zhǎng)1690m，最大埋深約190m。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃分圖》（GB18306-2001圖A1，1/400萬(wàn)）（含GB I8306—2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)規(guī)劃圖》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第I號(hào)修改單）及《川藏鐵路拉薩至林芝段工程沿線斷裂活動(dòng)性評(píng)價(jià)及地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告（修改稿）》（國(guó)家地震局地質(zhì)研究所2013年4月），地震動(dòng)峰值加速度為0.15g;動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.65s。

分析斷面掌子面圍巖為絹質(zhì)板巖、石英砂巖互層，層間有少量黃色粉土物質(zhì)，層間結(jié)合較差，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，有掉塊及小規(guī)模坍塌發(fā)生。支護(hù)參數(shù)為：預(yù)留沉降量為10cm，初支為厚度25cm的C25噴混凝土，采用I18型鋼拱架，每榀間距0.8米，拱墻采用Ф22組合中空錨桿L-5m，二襯厚度45cm，C35鋼筋混凝土;仰拱襯砌厚度45cm，C35鋼筋混凝土，仰拱填充采用C20混凝土。

2? 臺(tái)階法關(guān)鍵施工步序分析

2.1 計(jì)算參數(shù)和模型

圍巖及支護(hù)的計(jì)算參數(shù)參照新建鐵路川藏線拉薩至林芝段施工圖等資料，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]的研究成果，在計(jì)算中將系統(tǒng)錨桿支護(hù)區(qū)域的巖體的彈性模量、粘聚力及摩擦角提高30%作為其加固效果，本文主要通過(guò)彈塑性分析來(lái)獲得臺(tái)階法關(guān)鍵施工步序，計(jì)算所需的參數(shù)見表1。

該斷面埋深84.5m，模型頂部取至地表，左、右及下邊界都取三倍洞徑。整個(gè)模型大小為120m（高）×65m（寬），13556個(gè)單元，27574個(gè)節(jié)點(diǎn)。圍巖、加固區(qū)、噴射混凝土及二襯均采用實(shí)體單元。邊界條件：頂部為自由邊界，底部施加豎向約束，前后左右均施加法向水平約束，計(jì)算模型如圖1。

2.2 分析步驟

依托工程為單線隧道，采用臺(tái)階法施工，分析步驟一共八步（見表2）。計(jì)算中僅考慮重力作用下的初始應(yīng)力，上臺(tái)階初期支護(hù)和下臺(tái)階初期支護(hù)包括噴射混凝土、錨桿施作和架設(shè)工字鋼。

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)彈塑性數(shù)值分析，獲得了各施工階段的圍巖位移、初期支護(hù)應(yīng)力、仰拱應(yīng)力及二次襯砌應(yīng)力（見表3）。由表3可知，下臺(tái)階開挖后，圍巖的最大水平位移和拱頂沉降分別為0.49mm和3.19mm。初期支護(hù)的最大主應(yīng)力1.7MPa。在二次襯砌沒有完成之前，圍巖變形和初期支護(hù)第一主應(yīng)力都非常接近施工過(guò)程的最大值，因此下臺(tái)階開挖是臺(tái)階法施工過(guò)程中安全控制的關(guān)鍵施工步。

3? 地震作用下圍巖及支護(hù)響應(yīng)

3.1 地震分析邊界條件

上述分析表明單線隧道使用臺(tái)階法施工時(shí)，無(wú)論是圍巖變形還是初期支護(hù)的受力狀態(tài)表明下臺(tái)階開挖都是最危險(xiǎn)的一個(gè)施工階段。因而對(duì)最危險(xiǎn)階段進(jìn)行地震動(dòng)力分析，對(duì)施工過(guò)程中遭遇地震時(shí)，分析結(jié)果對(duì)類似工程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。本文研究采用時(shí)程分析法，地震曲線采用EL CENTRO波（見圖2）。首先將原始EL波進(jìn)行處理，將最大值振幅控制在2。由圖2可知，最大振幅出現(xiàn)在前5s內(nèi)，在只考慮最不利的前提下，只需將最大振幅包含在計(jì)算時(shí)間內(nèi)即可，因而本研究?jī)H計(jì)算前5秒。

數(shù)值計(jì)算模型仍使用上文分析的模型，此處僅對(duì)下臺(tái)階開挖完成后進(jìn)行動(dòng)力分析，邊界條件有所不同。動(dòng)力邊界條件：頂部為自由邊界，前后左右均施加法向水平約束，釋放底部約束，施加動(dòng)力邊界條件。此處動(dòng)力邊界為加速度時(shí)程曲線，依托工程的場(chǎng)地條件為0.15g，因而施加在模型底部的實(shí)際最大加速度振幅為2×0.75=1.5m/s2。

圍巖變形最大出現(xiàn)在拱頂、邊墻下部、底部中心及初期支護(hù)下邊界處，因此，研究對(duì)節(jié)點(diǎn)54、46、255、113、508、301、321、311、309等的水平位移和豎直位移進(jìn)行分析，這些點(diǎn)在數(shù)值模型中的位置見圖4。初期支護(hù)的應(yīng)力在拱頂和拱腳較大，因而監(jiān)測(cè)了拱頂和拱腳的部分單元的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布，數(shù)值模型中單元編號(hào)分別為：365、367、1204、1206、1405、1406、1407、1408、1433、1434、1435、1436，它們的位置見圖4。

3.2 圍巖位移響應(yīng)

前面分析可知，拱頂?shù)呢Q直位移變化較大，因而此處主要研究了拱頂中心三個(gè)節(jié)點(diǎn)的豎向位移對(duì)地震的響應(yīng)，分別是節(jié)點(diǎn)46、和節(jié)點(diǎn)54，其位置見圖4。根據(jù)前面得到豎直位移分布，節(jié)點(diǎn)46在-6～8cm之間變化，而節(jié)點(diǎn)54在-8～5cm之內(nèi)變化。以預(yù)留變形量作為標(biāo)準(zhǔn)，則拱頂豎向位移在控制范圍之內(nèi)。

為了獲得邊墻下部水平位移變形最大的位置和變形情況，根據(jù)前面得到水平位移分布，在上版斷面左右各選取了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)113、節(jié)點(diǎn)255進(jìn)行分析。在邊墻的下部選擇五個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行了分析，分別是節(jié)點(diǎn)301、節(jié)點(diǎn)309、節(jié)點(diǎn)311、節(jié)點(diǎn)321，其位置見圖4。節(jié)點(diǎn)113和節(jié)點(diǎn)255的水平位移變化基本一致，隨時(shí)間增加水平位移值有增加趨勢(shì)，但是總體來(lái)講都在1cm以內(nèi)，變形較小。邊墻變形規(guī)律基本一致，振幅基本在4cm以內(nèi)。

3.3 初期支護(hù)應(yīng)力響應(yīng)

前面分析可知，初期支護(hù)拱頂所受壓應(yīng)力較大，因而此處主要研究了拱頂初期支護(hù)的應(yīng)力對(duì)地震的響應(yīng)，分別選取了單元365、單元367、單元1204和單元1206進(jìn)行了分析，其位置見圖5。四個(gè)單元的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖14-圖21。從最大主應(yīng)力變化可以看出，這四個(gè)單元都沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，振幅較大，均在0.6MPa以內(nèi)。由最小主應(yīng)力變化可知，拱頂初期支護(hù)下邊緣所受壓應(yīng)力大于上邊緣單元，振幅在-4～-17MPa之間。相對(duì)于最大主應(yīng)力來(lái)講，最小主應(yīng)力變化相當(dāng)大。

前面分析可知，初期支護(hù)拱腳所受拉應(yīng)力較大，因而此處主要研究了拱腳初期支護(hù)的應(yīng)力對(duì)地震的響應(yīng)，分別選取了單元1405、單元1406、單元1407、單元1408、單元1433、單元1434、單元1435和單元1436進(jìn)行了分析，其位置見圖5。八個(gè)單元的最大主應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖22-圖29。從最大主應(yīng)力變化可以看出，初期支護(hù)外側(cè)拉應(yīng)力較小，變化相對(duì)內(nèi)側(cè)較小;單側(cè)四個(gè)單元的中間單元拉應(yīng)力較大，兩端較小;單元1408的最大拉應(yīng)力達(dá)到約2.2MPa，沒有超過(guò)等效強(qiáng)度，不影響初期支護(hù)安全的水平。

八個(gè)單元的最小主應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖30-圖37。從最小主應(yīng)力變化可以看出，單元1405和單元1406的壓應(yīng)力變化最大，最大壓應(yīng)力超過(guò)10MPa，但是最大值沒有超過(guò)16MPa，沒有超過(guò)等效強(qiáng)度，不影響初期支護(hù)安全的水平。

4? 結(jié)論

本文通過(guò)單線鐵路隧道臺(tái)階法施工為例，考慮地震作用對(duì)關(guān)鍵施工步安全影響分析，得到以下結(jié)論：

①下臺(tái)階開挖完成之后，圍巖變形和初期支護(hù)第一主應(yīng)力都非常接近施工過(guò)程的最大值，因此下臺(tái)階開挖是臺(tái)階法施工過(guò)程中安全控制的關(guān)鍵施工步。

②下臺(tái)階開挖完成后考慮地震作用時(shí)，拱頂下沉受地震影響較大，振幅在8cm左右，水平位移受地震影響相對(duì)較小，位移振幅在4cm以內(nèi)。

③上臺(tái)階初期支護(hù)的應(yīng)力受地震影響也較大，最大拉應(yīng)力約為2.2MPa，最大壓應(yīng)力沒有超過(guò)16MPa?？紤]地震作用下的應(yīng)力較未考慮地震作用時(shí)大，因此，在高烈度地震區(qū)的隧道設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)考慮地震對(duì)隧道施工安全的影響。

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作者簡(jiǎn)介：李仁強(qiáng)（1979-），男，遼寧沈陽(yáng)人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗淼拦こ獭⒌罔F工程。