高烈度地震區隧道軟硬圍巖交接段剛柔并濟抗減震技術研究*

崔光耀，田宇航，麻建飛，郭艷軍，謝 優

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

0 引言

隧道作為交通運輸網重要組成部分，其結構輕微震害將嚴重影響整個交通樞紐正常運行[1]。因此，對高烈度地震區隧道抗減震技術研究十分必要。

隧道減震措施主要包括隔震設計(減震層)和結構鉸接(減震縫)[2-3]。隧道常用抗震措施包括結構加強與圍巖加強2類：結構加強主要通過提高襯砌剛度、強度和韌性實現；圍巖加強主要通過施加錨桿、注漿等措施實現[4-5]。以往研究發現，僅通過提高襯砌強度/剛度，加強軟弱圍巖中隧道結構抗震性能效果不明顯，故學者提出 “結構加強+減震層”抗減震措施，抵抗地震作用[6]。

2008年5月12日汶川地震中，龍溪隧道、白云頂隧道和酒家埡隧道軟硬圍巖交接段均遭受襯砌網狀開裂、滲水、錯臺、垮塌等嚴重震害，軟硬圍巖交接段破壞成為隧道遭受典型震害之一[7-8]。目前，針對隧道軟硬圍巖交接段研究主要有：基于震害資料，分析軟硬圍巖交接段震害機理[9]；借助振動臺試驗等研究軟硬圍巖交接段地震響應[10-11]；利用數值模擬等對軟硬圍巖交接段采用纖維混凝土、提高結構強度/剛度和圍巖注漿等抗震措施的研究[12]；利用模型試驗等研究軟硬圍巖交接段中減震層、減震縫等措施的減震效果[13-14]；對軟硬圍巖交接段施工方法研究[15]。以上研究主要集中于隧道軟硬圍巖交接段震害機理、地震響應、抗震技術、減震措施和施工方法，對剛柔并濟法研究僅限于隧道洞口段，且多為“提高混凝土+減震層”法，對“減震層+鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)襯砌”抗減震措施研究較少。

本文以某鐵路隧道為背景，借助有限差分軟件FLAC3D，對“減震層+SFRC襯砌”剛柔并濟方法抗減震性能進行研究，研究結果可為隧道軟硬圍巖交接段抗震設防提供參考。

1 研究概況

1.1 工程背景

隧道軟硬圍巖交接段下盤主要為中風化變粒巖，屬堅硬圍巖；上盤圍巖以黑云母花崗巖為主，屬極軟巖，礦物成分大部分已蝕變，顆粒膠結較差，風化裂隙發育，巖體以礫狀及破碎狀、松散結構為主。

隧道為復合式襯砌，初期支護為C20噴射混凝土，厚度0.30 m，二襯為C25模筑混凝土，厚度0.50 m。

1.2 計算工況

本文設置4種工況，見表1。減震層材料選用橡膠海綿板，設于初支與二襯之間，厚度0.1 m。SFRC襯砌結構強度等級為CF25，鋼纖維摻量為42 kg/m3。

表1 4種工況Table 1 Four conditions

1.3 物理參數

模型中混凝土參數參考《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)，圍巖參數由工程設計勘察資料提供，鋼纖維混凝土與減震層參數由室內試驗測得，主要材料物理參數見表2。

表2 主要材料的物理參數Table 2 Physical parameters of main materials

1.4 計算模型建立

基于Mohr-Coulomb準則，利用有限差分軟件FLAC3D構建理想彈塑性模型。隧道埋深43 m，左右兩側圍巖寬度45 m，縱向長度90 m。模型上盤為Ⅴ級圍巖，下盤為Ⅲ級圍巖，軟硬圍巖交接面傾角與隧道縱向夾角65 °，模型沿底部向上10 m為基巖層。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

動力荷載采用汶川地震中臥龍測站測得地震波加速度時程。采用Seismo Signal軟件進行數字濾波處理，消除干擾波，為防止計算結束后出現殘余位移，對地震波進行基線矯正，處理后地震波加速度時程曲線如圖2所示(以X方向為例)。動力阻尼選用Local阻尼，阻尼系數0.157 1，邊界為自由場邊界。計算時地震波沿模型最底部基巖向上傳播。

圖2 地震波加速度時程曲線Fig.2 Time history curve of seismic wave acceleration

1.5 監測點布置

設置7個監測面(S1～S7)，監測面布置如圖3所示。每個監測面設置8個測點，測點布置如圖4所示。

圖3 監測面布置Fig.3 Layout of monitoring sections

圖4 測點布置Fig.4 Arrangement of measuring points

2 計算結果分析

2.1 結構變形

提取震后結構拱頂沉降和邊墻收斂值，結構變形如圖5所示。計算工況2～4相對工況1結構變形減小百分比，見表3。

圖5 結構變形Fig.5 Structural deformation

表3 結構變形減小百分比Table 3 Percentage reduction of structural deformation %

由圖5可知，對于隧道軟硬圍巖交接段，軟弱圍巖監測面S1處拱頂沉降與邊墻收斂均為大值，由監測面S1 到監測面S7，模型橫截面內硬巖范圍逐漸增加，隧道軟硬圍巖交接段拱頂沉降和邊墻收斂逐漸減小，至硬巖監測面S7時拱頂沉降和邊墻收斂均為最小值。

由表3可知，結構僅施加減震層，拱頂沉降減小10.54%～81.10%，邊墻收斂減小13.92%～78.77%；僅使用SFRC襯砌，拱頂沉降減小3.04%～18.02%，邊墻收斂減小4.70%～32.00%；當隧道采用“SFRC+減震層”剛柔并濟抗減震技術，拱頂沉降減小18.46%～83.98%，結構邊墻收斂減小17.54%～85.47%。

2.2 地震動峰值加速度

提取震后隧道結構拱頂測點加速度時程曲線，如圖6所示(以工況1中S3監測面為例)。由加速度時程曲線提取結構地震動峰值加速度(Peak ground acceleration，PGA)如圖7所示。計算工況2～3的PGA，相對工況1 PGA變化百分比，見表4。

圖6 加速度時程曲線Fig.6 Time history curve of acceleration

圖7 結構地震動峰值加速度Fig.7 Peak ground acceleration

表4 PGA增大/減小百分比Table 4 Increase/decrease percentage of PGA%

由圖7可知，4種工況下，由監測面S1～S7，模型截面內軟巖范圍逐漸減少，PGA隨之減小。在堅硬圍巖中PGA自由面放大作用有限，在軟弱圍巖中放大作用較明顯。

由表4可知，相較于工況1，工況2PGA減小31.42%～72.02%，減震層阻隔地震向襯砌構傳播作用明顯；工況3PGA相較于工況1，增加13.95%～27.48%；工況4PGA相較于工況1減小30.00%～69.98%。工況2～4中，隧道結構PGA增大/減小百分比隨模型截面內軟巖范圍減少逐漸減小。

2.3 結構內力

提取震后結構拱頂內力時程曲線(軸力、彎矩和安全系數)，如圖8(以工況1中監測面S5為例)所示。

圖8 內力時程曲線Fig.8 Time history curve of internal force

選用監測面結構安全系數最小值表征隧道結構安全性，每個監測面最小安全系數如圖9所示。工況2～4中，各監測面最小安全系數較工況1增加百分比，見表5。

由圖9可知，4種工況下各監測面最小安全系數隨模型斷面堅硬圍巖范圍增加而增加，結構安全性逐漸提高，監測面S7最小安全系數值最大，結構相對安全。

由表5可知，工況2結構最小安全系數較工況1增加18.04%～66.13%；工況3結構最小安全系數較工況1增加7.49%～30.99%；工況4最小安全系數較工況1增加47.95%～83.56%，隧道結構安全性顯著提高。

圖9 最小安全系數Fig.9 Minimum safety factors

表5 最小安全系數增加百分比Table 5 Percentage reduction of growth safety factors %

3 結論

1)對于高烈度地震區隧道軟硬圍巖交接段，相比工況1，工況2拱頂沉降減小10.54%～81.10%，邊墻收斂減小13.92%～78.77%，襯砌結構PGA減小31.42%～72.02%，結構最小安全系數增加18.04%～66.13%。

2)“SFRC襯砌”抗震措施即工況3，相比工況1拱頂沉降減小3.04%～18.02%，邊墻收斂減小4.70%～32.00%，襯砌結構PGA增加13.95%～27.48%，結構最小安全系數增加7.49%～30.99%。

3)“施作減震層+SFRC襯砌”剛柔并濟抗減震措施即工況4，相比工況1拱頂沉降減小18.46%～83.98%，結構邊墻收斂減小17.54%～85.47%，襯砌結構PGA減小30.00%～69.98%，結構最小安全系數增加47.95%～83.56%。

4)4種抗減震措施抗減震性能由高到低依次為：工況4>工況2>工況3>工況1，推薦隧道實際抗震設防采用“減震層+SFRC襯砌”即工況4剛柔并濟抗減震措施。