高地震烈度區(qū)公路隧道二次襯砌參數(shù)與抗震設(shè)防段措施研究

葛正輝，田志宇，陳 行

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

1 隧道抗震減震措施

在穿越“5·12”強(qiáng)震區(qū)發(fā)震斷裂帶的廣甘肅高速公路多座隧道中就產(chǎn)生了襯砌侵限、甚至塌方等地質(zhì)災(zāi)害。震裂巖體給施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)嚴(yán)重制約了施工工期。

為了減輕隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)在高烈度地震中的損壞程度，保證隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，常用抗震減震措施主要有以下幾種[1～2]。第一種是主要是通過增強(qiáng)鋼筋混凝土材料、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增強(qiáng)配筋等措施增加地下結(jié)構(gòu)質(zhì)量、強(qiáng)度等特性來抵御地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)的作用；第二種是通過優(yōu)化襯砌斷面形狀調(diào)節(jié)在襯砌上的應(yīng)力分配來適應(yīng)地震慣性力對(duì)襯砌的作用；第三種是注漿加固圍巖，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度,使圍巖剛度相對(duì)于襯砌剛度發(fā)生變化,從而使其在地震中的響應(yīng)減小；第四種是隧道初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置減震層，通過減震層將初期支護(hù)和二次襯砌分隔開，從而減小和改變地震對(duì)二次襯砌的作用強(qiáng)度和方式；第五種是在活動(dòng)斷裂、斷層部位采用擴(kuò)大隧道內(nèi)空，對(duì)于后期可能發(fā)生的襯砌破損情況進(jìn)行預(yù)留增加套襯等方式。

在以上措施中，在設(shè)計(jì)中最常用的就是增加二次襯砌厚度、增加二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)、提高二次襯砌配筋三種方式，本文對(duì)三種方式進(jìn)行比較。

高地震烈度區(qū)的抗震設(shè)防段落為洞口段邊坡、隧道洞門及洞口段及淺埋段、斷層破碎帶、軟硬巖交界處。本文對(duì)以上段落提出可行性較強(qiáng)的抗震設(shè)防措施。

2 抗震計(jì)算與對(duì)比

2.1 計(jì)算基本參數(shù)

根據(jù)建筑限界要求擬定為拱高715 cm，采用上半圓半徑為553 cm，邊墻半徑為800 cm的三心圓斷面(圖1)。

圖1 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)(單位：cm)

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用由基于通用有限元程序ANSYS和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語言Microsoft Visual Basic開發(fā)的“隧道全自動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件”完成[3～5]。隧道鋼筋混凝土二襯安全系數(shù)采用田志宇提出的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[6～7]。隧道鋼筋混凝土二襯裂縫寬度采用GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[8]。

選取V級(jí)圍巖帶仰拱，埋深25 m。選取6種工況進(jìn)行二次襯砌(以下簡(jiǎn)稱襯砌)在Ⅸ度地震條件下的裂縫及安全系數(shù)驗(yàn)算，計(jì)算所涉及的材料主要為巖土、支護(hù)結(jié)構(gòu)(混凝土、鋼筋)，相應(yīng)的材料參數(shù)參照相關(guān)規(guī)范取值見表1,工況列表見表2。

表1 巖土材料參數(shù)

鋼筋混凝土二次襯砌重度為25 kN/m3，泊松比0.2。

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

計(jì)算模型見圖2～圖8，工況計(jì)算結(jié)果見表3。對(duì)6種工況進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

圖2 計(jì)算基本模型

圖3 工況一裂縫寬度與安全系數(shù)

圖4 工況二裂縫寬度與安全系數(shù)

圖5 工況三裂縫寬度與安全系數(shù)

圖6 工況四裂縫寬度與安全系數(shù)

圖7 工況五裂縫寬度與安全系數(shù)

圖8 工況六裂縫寬度與安全系數(shù)

(1)地震作用下襯砌裂縫寬度均超過規(guī)范要求，但最大不超過1 mm，對(duì)于隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是可接受的。

(2)增加二次襯砌厚度可以提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，50 cm增加到60 cm提高14 %。增加到70 cm提高20 %，說明僅增加襯砌厚度對(duì)安全系數(shù)提高有限。

(3)將混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30提高至C35，襯砌平均安全系數(shù)增加，但最小安全系數(shù)反而降低，裂縫寬度幾乎無變化，這可能是由于襯砌強(qiáng)度增加導(dǎo)致與圍巖的強(qiáng)度匹配差異更大，導(dǎo)致襯砌分擔(dān)的地震作用更大，因此僅提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗震的響應(yīng)結(jié)果應(yīng)與圍巖的情況協(xié)調(diào)考慮。

表2 工況

表3 工況計(jì)算結(jié)果

(4)在襯砌厚度及強(qiáng)度等級(jí)相同的前提下，提高二次襯砌的主筋，由φ20，調(diào)整為φ25，安全系數(shù)提高50 %，同時(shí)裂縫寬度減小37 %左右，說明增強(qiáng)襯砌混凝土的配筋是一種十分有效的方法。

3 抗震設(shè)防段措施

通過上述分析結(jié)合高地震烈度區(qū)的抗震減震經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以下抗震設(shè)防段落提出相應(yīng)措施。

3.1 洞口淺埋段

(1)采用鋼筋混凝土洞門型式，端墻與二次襯砌間設(shè)置連接插筋。

(2)洞口明暗交界、覆蓋層與基巖交界、淺埋與深埋交界設(shè)置環(huán)向抗震縫。

(3)路塹式明洞及單壓式明洞均采用帶仰拱的曲墻式襯砌，明洞拱背回填采用混凝土等彈模較高的材料。

(4)基底非基巖段落洞門端墻及明洞基底采用C15混凝土換填+小導(dǎo)管注漿防止不均勻沉降。

(5)初期支護(hù)及二襯后的填充注漿，對(duì)空隙進(jìn)行填充，防止襯砌背后地震作用引起的應(yīng)力集中。

3.2 洞口邊仰坡

(1)嚴(yán)格控制洞口邊仰坡開挖高度，仰坡高度不宜大于1∶1.25。

(2)覆蓋層洞口可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇地表注漿加固，對(duì)地表松散體填充密實(shí)，同時(shí)加強(qiáng)邊仰坡穩(wěn)定性。

3.3 斷層破碎帶

(1)活動(dòng)斷裂處建議預(yù)留不小于30 cm的套襯施作空間，同時(shí)提高二次襯砌縱向鋼筋的型號(hào)，抵抗地震的縱向作用。

(2)抗震縫縱向間距6 m一道。

(3)采用全斷面開挖后注漿措施加固圍巖同時(shí)填充空隙，減少圍巖與襯砌的剛度差。

4 結(jié)論

(1)Ⅸ度區(qū)地震作用下襯砌裂縫寬度均超過規(guī)范要求，但最大不超過1 mm，對(duì)于隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是可接受的。

(2)在高地震烈度地區(qū)，對(duì)抗震設(shè)防段應(yīng)盡量選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(3)提高二次襯砌的主筋型號(hào)是最有效的方式，增加二次襯砌厚度提高不大，而提高二次襯砌強(qiáng)度等級(jí)的作用應(yīng)充分考慮到周邊圍巖條件。

(4)應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防段落的不同位置選擇有針對(duì)性的措施。