隧道軟硬圍巖交接面傾角對震時結構安全的影響

麻建飛 郭艷軍 余君宇 葛 婧 崔光耀

(1.北方工業大學， 北京 100144；2.四川電力設計咨詢有限責任公司， 成都 610041)

在我國西部地區大量的鐵路隧道需穿越軟硬圍巖交接帶，汶川地震的震害資料顯示隧道軟硬圍巖交接帶在強震中遭受了嚴重的震害，嚴重影響隧道結構的正常使用和災后重建工作。因此，如何提高強震區隧道軟硬圍巖交接帶的震時結構安全性是保證隧道安全運行的重要因素。

國內對于隧道軟硬交接帶的研究主要有：依托仁閣隧道等實際工程對隧道軟硬圍巖交接帶施工技術的研究[1-2]；利用汶川地震的震害資料對隧道洞口軟硬圍巖交接帶的破壞機理的研究[3-4]；采用數值模擬和大型振動臺試驗對隧道洞口軟硬圍巖交接帶的地震響應的研究[5-6]；采用模型試驗對隧道軟硬圍巖交接帶中設置減震縫、減震層的減震效果的研究[7-8]；利用數值模擬對隧道軟硬圍巖交接帶采用圍巖注漿等抗震措施的抗震效果的研究[9-10]；利用數值模擬研究淺埋隧道跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面的地震響應[11]等。以上對于隧道軟硬圍巖交接帶的研究主要集中在施工技術、震害機理、地震動力響應和抗減震措施等方面，對軟硬圍巖交接面巖傾角的討論也僅在淺埋隧道中稍有提及，對強震區山區隧道中軟硬圍巖交接面傾角與震時結構安全性關系的研究較少。

本文利用有限差分軟件FLAC3D建立三維數值模型，對比分析強震作用下隧道跨越不同傾角軟硬圍巖交接面時結構的變形、主應力、剪應力及內力的變化規律，研究山區隧道在跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面時結構震時安全性的差異問題。研究成果對提高強震區隧道軟硬圍巖交接帶的震時結構安全性有著重要的意義。

1 研究情況

1.1 支護結構概況

選取三心圓馬蹄形斷面隧道為計算模型，高11 m，跨度為8.55 m，復合式襯砌結構，初期支護采用C25噴射混凝土，厚0.25 m，二襯采用C30模筑混凝土，厚0.45 m。

1.2 計算工況

選取4種軟硬圍巖交接面傾角進行分析，計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

1.3 數值模型的建立

利用有限差分軟件FLAC3D模擬跨越不同傾角軟硬圍巖交接面隧道在地震荷載作用下的動力響應，數值模型的尺寸為100 m×120 m×90 m。隧道埋深50 m，縱向開挖深度120 m，隧道左右兩側取大于5倍隧道跨度(約45 m)。圍巖上盤為Ⅴ級圍巖(軟弱圍巖)，下盤為Ⅲ級圍巖(堅硬圍巖)，軟硬圍巖交接面與隧道縱向正交。支護結構和圍巖采用實體單元模擬，支護結構的本構模型采用彈性模型，圍巖遵從Mohr-Coulomb屈服準則。模型從最底部往上10 m范圍內設置基巖層，模擬地震波在傳輸過程中的剛性地基。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型(以45°傾角為例)

1.4 物理參數

計算模型中材料的物理參數如表2所示。

表2 模型的物理參數表

1.5 動力計算

選取2008年汶川地震中臥龍站記錄的三方向加速度波作為模型輸入的地震波，加載時間為14.98 s。為減少干擾波的影響，借助SeismoSignal軟件對地震波進行數字濾波處理。為消除動力計算后產生的殘余位移，使用基線矯正軟件對地震波進行基線矯正，矯正處理后地震波加速度時程曲線如圖2所示。計算時地震加速度波通過模型底部基巖向上傳播，模型底部采用靜態邊界，四周采用自由場邊界。

圖2 加速度時程曲線圖(以X向為例)

1.6 監測面及測點布置

模型共設置9個監測面，監測面布置如圖3所示。相鄰監測面間距10 m，監測面S1～S9模型橫截面中軟巖范圍逐漸減小，硬巖范圍逐漸增加。每個監測面共設置8個測點，測點布置如圖4所示。

圖3 監測面布置圖(m)

圖4 測點布置圖

2 計算結果分析

2.1 邊墻收斂

震后各工況隧道結構的邊墻收斂量，如圖5所示。

圖5 邊墻收斂量圖

由圖5(a)可知，隧道軟巖側結構(監測面S1～S4)的邊墻收斂量均遠大于硬巖側結構(監測面S6～S9)的邊墻收斂量，監測面S1～S9結構邊墻收斂量逐漸減小。由圖5(b)可知，軟巖側結構邊墻收斂量與結構距交界面的距離成正比，隨著結構距交界面距離的增大，結構邊墻收斂量逐漸增大。

軟巖側隧道結構交接面傾角為30°時各監測面的邊墻收斂量最大，為3.08～6.94 mm；傾角為45°時軟巖側各監測面的邊墻收斂最小，為2.71～6.23 mm。交接面傾角為60°和75°時軟巖側各監測面的邊墻收斂量介于交接面傾角為30°和45°的工況之間，分別為3.00～6.34 mm和2.72～6.89 mm。交接面傾角為45°時，軟巖側結構的邊墻收斂相較于傾角為30°、75°和60°的工況平均減小13.20%、8.21%和5.06%。

硬巖側隧道結構在交接面傾角為45°時各監測面二襯的邊墻收斂量最大，為0.82～1.06 mm，傾角為30°時硬巖側各監測面二襯的邊墻收斂量最小，為0.09～0.69 mm。交接面傾角為60°和75°時結構的邊墻收斂量介于傾角為45°和30°的工況之間，分別為0.60～0.92 mm和0.41～0.54 mm。交接面傾角為30°時，硬巖側隧道二襯的邊墻收斂量相較于傾角為45°、60°和75°的工況平均減小75.21%、71.19%和52.96%。

2.2 最大主應力

震后隧道二襯的最大主應力云圖，如圖6所示。

圖6 最大主應力圖

由圖6可知，4種工況下隧道結構的最大主應力峰值均在軟硬圍巖交接面拱頂處，極小值均在軟巖側洞口左、右拱腳處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時，二襯的最大主應力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小45.08%、38.17%和38.40%。

2.3 最大剪應力

震后隧道二襯的最大剪應力云圖，如圖7所示。

圖7 最大剪應力圖

由圖7可知，4種工況下二襯的最大剪應力峰值均在軟硬圍巖交接面左、右拱肩處，極小值在隧道兩側洞口仰供處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時，二襯的最大剪應力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小26.13%、25.74%和19.05%。

2.4 結構內力

由式(1)、式(2)[11-12]計算各測點的安全系數時程曲線，如圖8所示。取同一監測面上不同測點所有時步的結構安全系數的最小值進行分析，如圖9所示。

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：b——二襯的截面寬度(m)；

h——二襯的截面厚度(m)；

Ra——混凝土抗壓極限強度(MPa)；

Rl——混凝土抗拉極限強度(N)；

K——安全系數；

φ——襯砌縱向彎曲系數；

α——軸向力偏心影響系數；

e0——截面偏心距(m)。

圖8 安全系數時程曲線圖(工況4監測面S5拱頂測點)

圖9 結構最小安全系數圖

由圖9(a)可知，4種工況下，監測面S1～S9的結構最小安全系數逐漸增大。鑒于隧道硬巖側結構的最小安全系數均已大于TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》中的安全系數的允許值2.4，故本文對軟巖側隧道結構的最小安全系數進行重點分析。

由圖9(b)可知，交接面傾角為30°時，結構各監測面的最小安全系數最小，為0.804～1.795，震時結構安全性最低。交接面傾角為60°時，各監測面的最小安全系數為1.055～1.923，震時結構安全性最高。交接面傾角為45°和75°時，各監測面最小安全系數介于交接面傾角為30°和60°的工況的值之間，分別為0.993～1.871和0.945～1.809。軟硬圍巖傾角為60°時，結構的最小安全系數相比于傾角為30°、45°和75°的工況平均增大20.90%、3.51%和9.18%。

3 結論

本文通過建立跨越不同交接面傾角隧道的有限元模型，對比分析跨越不同交接面傾角的隧道邊墻的收斂、最大主應力、最大剪應力及內力的變化規律，得出以下主要結論：

(1)軟巖側隧道的邊墻收斂量在軟硬圍巖交接面傾角為45°時最小，隧道二襯結構的最大主應力峰值和最大剪應力峰值在交接面傾角為30°時最小。隧道二襯的最小安全系數在交接面傾角為60°時最大。

(2)綜合結構變形、應力和內力分析結果可知，跨越不同軟硬圍巖交接面傾角隧道的震時結構安全性，由高至低為：傾角60°>傾角45°>傾角75°>傾角30°。

(3)隧道軟硬圍巖交接帶軟巖側結構震時安全性均低于硬巖側，軟巖側應為隧道抗震設防的重點段落。交界面傾角為30°時結構安全性最低，建議采取“減震層+結構加強”的抗減震措施進行隧道的抗震設防。