單線鐵路隧道地震作用下臺階法支護的動力響應分析

李仁強

摘要：在地震高烈度區隧道設計都會按照規范要求考慮地震作用的影響，然而常常會忽略施工過程中地震作用對隧道施工安全的影響。因而，論文以單線鐵路隧道臺階法施工為例，通過彈塑性數值分析，獲得臺階法施工過程的關鍵施工步。在此基礎之上，考慮關鍵施工步階段發生地震，對該階段進行動力分析。結果表明，臺階法施工中，下臺階開挖為關鍵施工步;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較小;上臺階初期支護應力受地震影響較大，但是最大拉應力約為2.2MPa，最大壓應力沒有超過16 MPa。考慮地震作用下的應力較未考慮地震作用時大，因此，在高烈度地震區的隧道設計和施工均應考慮地震對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.

關鍵詞：地震;軟質板巖;大變形;臺階法

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

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0127-07

0? 引言

地震對隧道結構的損害較地面結構小，對于高地應力軟弱巖體隧道施工，隧道變形控制原則應以應力釋放與支護抗力相結合為基礎[1-2]。對不同邊界的隧道模型進行動力計算表明，圍巖應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;并且地震動力計算邊界取較大寬度時，圍巖應力及位移受邊界取值范圍影響可以忽略[3]。蔣樹屏等[4]根據大量震害資料的調查分析發現，地下結構埋置深度對其地震破壞程度影響很大。李林等[5]通過振動臺模型試驗及數值計算分析表明偏壓隧道有較不利的內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輸入等效節點力方法，建立地鐵隧道地震響應分析問題的模型。劉妮娜等[7]通過振動臺模型試驗表明擴大斷面的馬蹄形隧道結構中拱腰部位的應變增值最大，拱頂部位次之，底板的應變增值相比最小。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位移。王國波等[9]基于土體-隧道群相互作用的分析表明，隧道半徑、埋深和空間間距對場地土和隧道的地震響應顯著。崔光耀等[10]通過建立三維有限差分數值模擬和現場震害分析表明震害主要發生在軟硬圍巖交接處，主要影響因數為強制位移，地震慣性力次之。地震對隧道結構的影響已有大量的研究，但隧道施工過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隧道通過建立數值模型，探究地震作用下臺階法關鍵施工步的圍巖支護動力響應。

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山南地區貢嘎縣，進口里程為DK59+860，出口里程為DK61+550，全長1690m，最大埋深約190m。根據《中國地震動參數區劃分圖》（GB18306-2001圖A1，1/400萬）（含GB I8306—2001《中國地震動參數規劃圖》國家標準第I號修改單）及《川藏鐵路拉薩至林芝段工程沿線斷裂活動性評價及地震動參數區劃報告（修改稿）》（國家地震局地質研究所2013年4月），地震動峰值加速度為0.15g;動反應譜特征周期值為0.65s。

分析斷面掌子面圍巖為絹質板巖、石英砂巖互層，層間有少量黃色粉土物質，層間結合較差，巖石節理裂隙發育，有掉塊及小規模坍塌發生。支護參數為：預留沉降量為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? 臺階法關鍵施工步序分析

2.1 計算參數和模型

圍巖及支護的計算參數參照新建鐵路川藏線拉薩至林芝段施工圖等資料，根據參考文獻[11]的研究成果，在計算中將系統錨桿支護區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，本文主要通過彈塑性分析來獲得臺階法關鍵施工步序，計算所需的參數見表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。整個模型大小為120m（高）×65m（寬），13556個單元，27574個節點。圍巖、加固區、噴射混凝土及二襯均采用實體單元。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，計算模型如圖1。

2.2 分析步驟

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

2.3 結果分析

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

3? 地震作用下圍巖及支護響應

3.1 地震分析邊界條件

上述分析表明單線隧道使用臺階法施工時，無論是圍巖變形還是初期支護的受力狀態表明下臺階開挖都是最危險的一個施工階段。因而對最危險階段進行地震動力分析，對施工過程中遭遇地震時，分析結果對類似工程具有較強的指導作用。本文研究采用時程分析法，地震曲線采用EL CENTRO波（見圖2）。首先將原始EL波進行處理，將最大值振幅控制在2。由圖2可知，最大振幅出現在前5s內，在只考慮最不利的前提下，只需將最大振幅包含在計算時間內即可，因而本研究僅計算前5秒。

數值計算模型仍使用上文分析的模型，此處僅對下臺階開挖完成后進行動力分析，邊界條件有所不同。動力邊界條件：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，施加動力邊界條件。此處動力邊界為加速度時程曲線，依托工程的場地條件為0.15g，因而施加在模型底部的實際最大加速度振幅為2×0.75=1.5m/s2。

圍巖變形最大出現在拱頂、邊墻下部、底部中心及初期支護下邊界處，因此，研究對節點54、46、255、113、508、301、321、311、309等的水平位移和豎直位移進行分析，這些點在數值模型中的位置見圖4。初期支護的應力在拱頂和拱腳較大，因而監測了拱頂和拱腳的部分單元的最大主應力和最小主應力的分布，數值模型中單元編號分別為：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

前面分析可知，拱頂的豎直位移變化較大，因而此處主要研究了拱頂中心三個節點的豎向位移對地震的響應，分別是節點46、和節點54，其位置見圖4。根據前面得到豎直位移分布，節點46在-6～8cm之間變化，而節點54在-8～5cm之內變化。以預留變形量作為標準，則拱頂豎向位移在控制范圍之內。

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

3.3 初期支護應力響應

前面分析可知，初期支護拱頂所受壓應力較大，因而此處主要研究了拱頂初期支護的應力對地震的響應，分別選取了單元365、單元367、單元1204和單元1206進行了分析，其位置見圖5。四個單元的最大主應力和最小主應力隨時間變化如圖14-圖21。從最大主應力變化可以看出，這四個單元都沒有出現拉應力，振幅較大，均在0.6MPa以內。由最小主應力變化可知，拱頂初期支護下邊緣所受壓應力大于上邊緣單元，振幅在-4～-17MPa之間。相對于最大主應力來講，最小主應力變化相當大。

前面分析可知，初期支護拱腳所受拉應力較大，因而此處主要研究了拱腳初期支護的應力對地震的響應，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進行了分析，其位置見圖5。八個單元的最大主應力隨時間變化如圖22-圖29。從最大主應力變化可以看出，初期支護外側拉應力較小，變化相對內側較小;單側四個單元的中間單元拉應力較大，兩端較小;單元1408的最大拉應力達到約2.2MPa，沒有超過等效強度，不影響初期支護安全的水平。

八個單元的最小主應力隨時間變化如圖30-圖37。從最小主應力變化可以看出，單元1405和單元1406的壓應力變化最大，最大壓應力超過10MPa，但是最大值沒有超過16MPa，沒有超過等效強度，不影響初期支護安全的水平。

4? 結論

本文通過單線鐵路隧道臺階法施工為例，考慮地震作用對關鍵施工步安全影響分析，得到以下結論：

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

②下臺階開挖完成后考慮地震作用時，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較小，位移振幅在4cm以內。

③上臺階初期支護的應力受地震影響也較大，最大拉應力約為2.2MPa，最大壓應力沒有超過16MPa。考慮地震作用下的應力較未考慮地震作用時大，因此，在高烈度地震區的隧道設計和施工均應考慮地震對隧道施工安全的影響。

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作者簡介：李仁強（1979-），男，遼寧沈陽人，本科，高級工程師，研究方向為隧道工程、地鐵工程。