高烈度斷層破碎區(qū)公路隧道抗震措施探討

吳 行，張 銳，居 恒

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210019)

0 引言

隧道結(jié)構(gòu)處于地下三軸受力狀態(tài)，長(zhǎng)期以來(lái)，工程界普遍認(rèn)為隧道為地下耐震結(jié)構(gòu)，自身具有良好的抗震性能，對(duì)山嶺公路隧道的抗震性能及工程減震措施的系統(tǒng)研究較少。隨著西部大開發(fā)和一帶一路等國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，隧道將不可避免穿越高烈度、大斷裂、節(jié)理發(fā)育、圍巖破碎區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)條件給隧道抗震帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。汶川地震后，不少公路隧道發(fā)生襯砌撕裂掉塊、接縫錯(cuò)臺(tái)、仰拱隆起、底板開裂、局部垮塌等嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)的擬靜力法抗震理論和抗震減災(zāi)措施已難以保障高烈度震區(qū)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役的安全。因此開展高烈度震區(qū)山嶺公路隧道結(jié)構(gòu)抗震減災(zāi)技術(shù)的研究具有重要理論價(jià)值和工程意義[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于高烈度區(qū)隧道抗震的研究多集中在隧道洞口及淺埋段抗震，關(guān)于斷層破碎區(qū)抗震的研究較少，且多為理論研究，能結(jié)合工程設(shè)計(jì)提出具體應(yīng)對(duì)措施的研究不多[3-7]。同時(shí)我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范僅有(0.2～0.4)g地區(qū)斷層破碎帶宜結(jié)合變形縫綜合設(shè)置抗震縫，抗震縫縱向間距可取10～15m，抗震設(shè)防長(zhǎng)度不小于25m的籠統(tǒng)表述，對(duì)減震措施也未做明確規(guī)定[8]，但不同場(chǎng)區(qū)高烈度斷層破碎參數(shù)差異大，傳統(tǒng)擬靜力法也難以真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)安全。

以昆明市尋甸縣功山至東川高速公路工程響水河隧道設(shè)計(jì)為依托，從工程實(shí)踐的角度，采用有限元數(shù)值仿真的方法，研究隧道在設(shè)置隔震層、變形縫、考慮設(shè)防長(zhǎng)度等措施時(shí)的抗震機(jī)理及減震效果，并提出高烈度斷層破碎區(qū)減震設(shè)計(jì)思路和應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況

擬建功山至東川高速公路響水河隧道為雙向四車道分離式隧道，最大跨度12.68m，最大高度10.22m。物探顯示隧道洞身有一斷層破碎帶，寬約20m，該段圍巖從上至下依次為角礫、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖、中風(fēng)化玄武巖，圍巖節(jié)理、裂隙強(qiáng)發(fā)育，巖體極破碎，電阻率ρ≤56Ω·m，[BQ]值約111，自穩(wěn)能力差，圍巖級(jí)別Ⅴ2級(jí)。該破碎帶處南北展布的小江斷裂及其支斷裂影響帶內(nèi)，斷裂帶地震活動(dòng)較為頻繁和強(qiáng)烈，區(qū)域穩(wěn)定性差，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)隧道影響較大。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度≥0.40g(對(duì)應(yīng)地震基本烈度為9度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

按工程實(shí)際情況，并考慮計(jì)算精度及動(dòng)力邊界反射震蕩效應(yīng)，采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模，隧道橫斷面方向?yàn)閄向，隧道軸線方向?yàn)閅向，重力方向?yàn)閆向，模型尺寸為135m(橫向)×160m(縱向)×120m(豎向)，斷層破碎帶寬20m，與隧道軸向正交，傾角75°。地層采用實(shí)體單元模擬，服從D-P彈塑性屈服準(zhǔn)則，初期支護(hù)及減震材料采用實(shí)體單元模擬，二次襯砌采用殼單元模擬，其中結(jié)構(gòu)單元服從線彈性本構(gòu)，泡沫混凝土服從crushable-foam率相關(guān)本構(gòu)[9]，橡膠材料服從hyperelastic本構(gòu)。在模型前后、左右及底部施加粘彈性人工邊界條件，以提高三維模型求解精度。

2.2 地震波選取

根據(jù)隧址區(qū)地形、地質(zhì)及工程設(shè)置條件，場(chǎng)區(qū)地震分組為第二組，地震動(dòng)峰值加速度為0.40g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。由于EI-Centro波SN向地震特征周期與該場(chǎng)地地震動(dòng)特征周期接近，且其烈度大，震級(jí)較高，故地震波采用EI波，地震波總歷時(shí)長(zhǎng)為20s，時(shí)間間隔為0.02s，經(jīng)過(guò)調(diào)幅整形后如圖2所示。

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)物探勘察、鉆孔取樣及室內(nèi)試驗(yàn)匯總的成果，確定計(jì)算所用材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

3 抗震措施及效果研究

3.1 減震層抗震效果研究

3.1.1減震材料研究

目前常用的減震材料有泡沫混凝土、橡膠材料。

表1 計(jì)算材料的物理力學(xué)指標(biāo)

泡沫混凝土內(nèi)部充填大量氣泡和孔隙，密度小、抗壓強(qiáng)度高、低彈模，對(duì)沖擊能量吸收和分散效果好；橡膠材料具有獨(dú)特的粘彈性能，彈性好，強(qiáng)度高，綜合性能優(yōu)，具備良好的緩沖隔震性能。分別從無(wú)隔震層、設(shè)置泡沫混凝土、設(shè)置橡膠材料研究不同材料的抗震效果，襯砌各特征位置最不利結(jié)果如圖3。

由計(jì)算結(jié)果可知：

(1)在地震荷載作用下，隧道設(shè)減震層時(shí)，襯砌各特征位置內(nèi)力和拉應(yīng)力均較不設(shè)減震層有明顯減小，安全系數(shù)有明顯增大。各工況最不利位置均出現(xiàn)在仰拱和右墻腳。以仰拱和右墻腳為研究對(duì)象，隔震效果如表2所示。

由表2可知，設(shè)減震材料，隔震效果更顯著。

(2)設(shè)置泡沫混凝土與設(shè)置橡膠材料相比，襯砌各特征點(diǎn)的軸力、彎矩、拉應(yīng)力、安全系數(shù)的總體變化趨勢(shì)及數(shù)值差異較小，且最小安全系數(shù)均能滿足規(guī)范[10]要求值2.4，但設(shè)置泡沫混凝土?xí)r，襯砌仰拱最大拉應(yīng)力峰值為3.15MPa，超過(guò)C35混凝土抗拉極限強(qiáng)度值2.5MPa，強(qiáng)烈地震作用下，混凝土有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

此外，過(guò)大振動(dòng)荷載作用在泡沫混凝土孔隙骨架上，會(huì)造成其內(nèi)部孔隙破裂，骨架失效，導(dǎo)致襯砌承載比增加，削弱隧道抗震性能，增加隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，推薦橡膠材料作為隧道減震層。

3.1.2減震層厚度及設(shè)置方式研究

隧道減震模式的通常做法是在初支與二襯之間設(shè)減震裝置，形成初支—隔震層—二襯系統(tǒng)。分析減震層布置范圍及設(shè)置厚度對(duì)隧道減震效果的影響，分別在拱墻(半包)、全環(huán)(全包)設(shè)減震層且將減震層厚度分別按5cm和10cm考慮。計(jì)算結(jié)果如圖4。

由圖4計(jì)算結(jié)果可知：

(1)從設(shè)置減震層各工況下襯砌特征位置的軸力、彎矩、拉應(yīng)力、安全系數(shù)的變化趨勢(shì)看，仰拱和右墻腳均處于受力最不利狀態(tài)，最不利位置的最大拉應(yīng)力均小于2.5MPa，最小安全系數(shù)均大于2.4，滿足規(guī)范[10]要求。

表2 設(shè)減震層與不設(shè)減震層的對(duì)比

(2)從減震材料在隧道環(huán)向設(shè)置范圍看，拱墻半包減震相比隧道全包減震，襯砌各特征位置軸力、彎矩、拉應(yīng)力、最小安全系數(shù)的變化趨勢(shì)及數(shù)值差異均較小。對(duì)于緩解墻腳及仰拱受力狀態(tài)，全包減震略優(yōu)于半包減震。

(3)從減震材料在隧道環(huán)向設(shè)置厚度看，減震層厚度10cm比厚度5cm更有利于改善襯砌結(jié)構(gòu)最不利位置受力狀態(tài)，兩種工況下，襯砌最不利位置的最大拉應(yīng)力及最小安全系數(shù)均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，但數(shù)值差異不明顯，減震層厚度10cm相比厚度5cm效果并不顯著。

3.2 結(jié)構(gòu)變形縫抗震效果研究

高烈度區(qū)隧道抗震，設(shè)置變形縫可以有效緩解振動(dòng)荷載的影響，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，但當(dāng)前抗震規(guī)范對(duì)抗震縫設(shè)置條件及間距沒有明確的要求。本工程斷層破帶寬約20m，為便于工程實(shí)施，計(jì)算中變形縫間距分別按5m、10m(中間一處)、20m(不設(shè)抗震縫)考慮，襯砌采用混凝土損傷本構(gòu)計(jì)算，根據(jù)上文，取受力薄弱位置仰拱為分析對(duì)象，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6。

由圖5～圖6計(jì)算結(jié)果可知：

(1)不設(shè)抗震縫時(shí)，仰拱最大拉應(yīng)力可達(dá)5.4MPa，大于C35混凝土極限抗拉強(qiáng)度2.5MPa，最小安全系數(shù)為1.75，小于規(guī)范[10]要求值2.4，強(qiáng)震作用下，混凝土有開裂風(fēng)險(xiǎn)；變形縫間距為10m時(shí)，仰拱最大拉應(yīng)力為2.12MPa，最小安全系數(shù)為2.93；變形縫間距為5m時(shí)，仰拱最大拉應(yīng)力為1.91MPa，最小安全系數(shù)為2.99，仰拱受力狀態(tài)顯著改善。

(2)變形縫設(shè)置間距5m與10m相比，最大拉應(yīng)力與最小安全系數(shù)變化趨勢(shì)及數(shù)值差異不顯著，均滿足規(guī)范要求。考慮隧道防水及施工便捷，10m間距變形縫更符合工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)安全要求。

(3)混凝土壓縮損傷主要發(fā)生在隧道與斷層破碎帶交界處的襯砌環(huán)上。無(wú)變形縫時(shí)，襯砌損傷較為集中，損傷范圍分布在破碎帶內(nèi)的整環(huán)襯砌上；變形縫間距為5m時(shí)，襯砌損傷較為分散，損傷范圍僅為與破碎帶交界處的襯砌環(huán)上；變形縫間距為10m時(shí)，損傷范圍處于兩者之間。

3.3 斷層破碎帶設(shè)防距離研究

《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)中指出，雙車道隧道和基本地震動(dòng)峰值加速度≥0.2g的地區(qū)，設(shè)防長(zhǎng)度不宜小于25m，該規(guī)定僅指出設(shè)防低值，未對(duì)高烈度斷層破碎區(qū)給出明確設(shè)防長(zhǎng)度。結(jié)合上文分析，以抗震薄弱位置仰拱為分析對(duì)象，抗震縫按10m間距設(shè)置，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8。

圖7～圖8計(jì)算結(jié)果表明：

(1)仰拱縱向最大拉應(yīng)力大致以斷層破碎帶為中心呈“人”字形分布，峰值由中心向兩側(cè)逐步減小，左、右側(cè)分別從-45m、44m處開始變化趨于平緩，斷層破碎區(qū)對(duì)仰拱最大主應(yīng)力的影響范圍為89m。

(2)仰拱縱向最小安全系數(shù)呈不對(duì)稱 “倒人”字形分布，峰值由斷層破碎帶中心向兩側(cè)逐步增大，并分別從-42.5m、40m處開始變化趨于平緩，斷層破碎區(qū)對(duì)仰拱最小安全系數(shù)的影響范圍為82.5m。

(3)從隧道總位移云圖的縱剖面看出，隧道變形由斷層破碎區(qū)中心向兩側(cè)翼緣逐步變小，影響范圍約85m。隧道受小江斷裂帶地震活動(dòng)影響較大，且穿越斷層破碎帶圍巖極破碎、節(jié)理極發(fā)育，基于隧道安全因素考慮，設(shè)防范圍從斷層破碎帶翼緣向兩側(cè)各延伸35m，總設(shè)防長(zhǎng)度不宜小于90m。

4 結(jié)論

(1)在高烈度斷層破碎區(qū)，設(shè)置減震層有利于改善襯砌受力狀態(tài)，效果顯著。

(2)泡沫混凝土與橡膠材料對(duì)于改善襯砌軸力、彎矩、拉應(yīng)力及最小安全系數(shù)，總體差異不大，但泡沫混凝土?xí)鹧龉白畲罄瓚?yīng)力超標(biāo)，造成混凝土開裂，強(qiáng)震作用下，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙會(huì)發(fā)生破裂，導(dǎo)致承載骨架失效，削弱隧道抗震性能，因此設(shè)計(jì)中選擇橡膠材料作為減震層。

(3)減震層拱墻半包設(shè)置(厚度5cm、10cm)、襯砌全環(huán)全包設(shè)置(厚度5cm、10cm)各工況下減震效果差異不顯著，從工程經(jīng)濟(jì)的角度考慮，減震層拱墻半包、厚度5cm可滿足工程抗震需要。

(4)隧道設(shè)置抗震縫可以大大緩解強(qiáng)震峰值荷載的影響，變形縫間距5m相對(duì)于間距10m，對(duì)改善仰拱受力有一定優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)震作用下，兩者的強(qiáng)度指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，從工程防水及施工便捷上考慮，變形縫間距10m可滿足工程要求。

(5)綜合分析仰拱縱向最大拉應(yīng)力、最小安全系數(shù)及總位移影響范圍，結(jié)合隧址區(qū)小江活動(dòng)斷裂帶的影響，將設(shè)防范圍從隧道與破碎帶交界處向破碎帶兩側(cè)各延伸35m，總設(shè)防長(zhǎng)度建議不小于90m。