強震區(qū)跨斷層隧道纖維混凝土襯砌抗震效果分析*

安 棟，劉天旺，郭艷軍

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144; 2.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)

0 引言

我國西南地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展得到快速推進(jìn)。但由于西南地區(qū)大多位于高烈度地震帶，同時受到地形、地質(zhì)的影響，隧道的建設(shè)不可避免地會通過高烈度地震區(qū)的跨斷層地帶[1-2]。纖維混凝土是纖維和水泥基料組成的復(fù)合材料，和素混凝土相比，其各種力學(xué)性能均有顯著提升，因此在隧道工程中應(yīng)用纖維混凝土材料可達(dá)到襯砌結(jié)構(gòu)加固的目的，并且容易操作[3]。

目前，對于跨斷層隧道的抗震技術(shù)，國內(nèi)外的學(xué)者對其進(jìn)行大量研究：文獻(xiàn)[4-6]利用數(shù)值仿真軟件對隧道在強震區(qū)的減震層減震效果進(jìn)行分析研究；文獻(xiàn)[7-9]采用模型試驗及數(shù)值仿真對強震區(qū)隧道圍巖注漿加固機制和抗震效果進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[10-12]采用模型試驗的方式對襯砌采用纖維混凝土材料的承載能力進(jìn)行研究。

綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是討論隧道中布置減震層引起結(jié)構(gòu)減震效果變化、圍巖注漿的加固機制及隧道襯砌采用纖維混凝土的承載能力等內(nèi)容，但對纖維混凝土隧道在跨斷層抗震性能的研究較少。因此，本文采用替換襯砌材料為纖維混凝土的方法來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加固，從而加強隧道在跨斷層的抗震性能；依托達(dá)萬高速天坪寨隧道F1斷層段，利用ABAQUS對隧道襯砌采用鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC)和鋼-玄武巖混雜纖維混凝土(Steel Basalt Hybrid Fiber Reinforced Concrete，簡稱SBHFRC)的抗震效果進(jìn)行研究。

1 天坪寨隧道F1斷層段概況

1.1 地質(zhì)條件

該斷層段分布于擬建隧道所穿越的背斜軸部西側(cè)，幾乎縱貫峨層山背斜全程，斷層走向與背斜軸向一致。呈N30～40°E展布，傾向NW，傾角35～75°，在隧址區(qū)內(nèi)其傾角約75°。上下盤均為砂巖(T1)，Ⅳ級圍巖。破碎帶主要由斷層角礫和斷層泥組成，Ⅴ級圍巖，密實-半膠結(jié)狀。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

該隧道斷層段采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初支的厚度為0.25 m，其使用C20噴射混凝土。二襯的厚度為0.45 m，其使用C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計算模型

以天坪寨隧道F1斷層段為背景建立計算模型，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服強度準(zhǔn)則。隧道縱向開挖深度為100 m，埋深40 m，隧道基巖厚20 m。隧道左右兩側(cè)寬度取4～5倍洞寬(約為38 m)，斷層的傾角為75°，破碎帶寬度為11 m。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)試驗相關(guān)結(jié)果以及材料參數(shù)參考實際地勘資料得計算模型參數(shù)，見表1。

表1 計算模型參數(shù)

2.3 計算工況

計算工況見表2。

表2 計算工況

2.4 動力參數(shù)

本文模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，模型底面與四周采用無限元邊界并限制其所有自由度，頂面無約束[13]。地震波3個方向(x，y，z)同時從模型底部向上部傳遞[14]。地震波選取汶川地震中(臥龍測站)所測的加速度波，根據(jù)7度地震烈度進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)時間為15 s。校正濾波和基線后，處理后加速度時程曲線如圖2所示(以x向為例)。

圖2 加速度時程曲線

2.5 測點布置

該模型共11個監(jiān)測斷面，間距10 m，從中提取各斷面8個測點的位移、應(yīng)力等數(shù)值分析抗震效果，測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置

3 抗震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

提取各工況斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)的橫向、縱向和豎向位移云圖，如圖4～6所示。提取工況2～3襯砌位移最大值并分析抗震效果(與工況1對比)，見表3。

圖4 二襯結(jié)構(gòu)橫向位移云圖

圖5 二襯結(jié)構(gòu)縱向位移云圖

由表3可知，素混凝土(工況1)的最大橫向、縱向和豎向位移分別為11.06，10.47，4.70 mm。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土(工況2～3)材料之后，整體的最大位移值有所上升，抗震效果下降。使用纖維混凝土?xí)?dǎo)致位移的增大，但最大變形量僅為跨徑的0.03%，對抗震效果影響有限。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC材料時最大橫向、縱向和豎向位移分別為12.45，10.62，3.11 mm，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)橫向位移增大12.57%，縱向位移增大1.43%，豎向位移減小33.83%；當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC材料時最大橫向、縱向、豎向位移分別為11.80，12.81，5.89 mm，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)分別增大6.69%，22.35%，25.32%。

表3 二襯結(jié)構(gòu)最大位移值及抗震效果

3.2 內(nèi)力分析

3.2.1 主應(yīng)力分析

各工況破碎帶段隧道的主應(yīng)力最大值、最小值云圖如圖7～8所示。根據(jù)襯砌的最大、最小主應(yīng)力計算工況2～3的抗震效果(相較于工況1)，見表4。

圖6 二襯結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖7 二襯結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值云圖

由表4可知，素混凝土二襯結(jié)構(gòu)(工況1)最大、最小主應(yīng)力分別為2.53，-8.33 MPa。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土后，整體應(yīng)力值有所增大。二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC材料(工況2)時，最大、最小主應(yīng)力分別為3.19，-9.97 MPa，相較于素混凝土分別增大26.09%，19.69%；二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC材料(工況3)時，最大、最小主應(yīng)力分別為2.61，-8.51 MPa，相較于素混凝土分別增大了3.16%，2.16%。

表4 最大，最小主應(yīng)力及抗震效果

圖8 二襯結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最小值云圖

3.2.2 剪應(yīng)力分析

各工況襯砌結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力云圖如圖9所示。提取襯砌結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力最大值，進(jìn)而計算工況2～3的抗震效果(相較于工況1)，見表5。

圖9 二襯結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力云圖

由表5可知，素混凝土二襯結(jié)構(gòu)(工況1)最大剪切應(yīng)力為8.07 MPa。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土?xí)r(工況2～3)，最大剪切應(yīng)力分別為9.75，8.25 MPa，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)分別增大了20.82%，2.23%。

表5 最大剪應(yīng)力及抗震效果

3.2.3 安全系數(shù)分析

通過計算結(jié)果得到各個監(jiān)測點的量測數(shù)據(jù)，從而由公式(1)～(2)計算出各監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，并提取出各監(jiān)測點的安全系數(shù)最小值[15]，計算其抗震效果(相較于工況1)，如式(1)～(2)所示：

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：N為軸力，N；α為軸向力偏心影響系數(shù)；b為截面寬度，m，取1 m；h為截面厚度，m；Ra為混凝土抗壓極限強度，MPa；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；R1為混凝土抗拉極限強度，MPa；K為安全系數(shù)；e0為軸向力偏心距，m。

監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)及抗震效果見表6。

表6 監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)及抗震效果

由表6可知，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，當(dāng)采用纖維混凝土材料后，最小安全系數(shù)均大于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)，其抗震效果顯著提升。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時最小安全系數(shù)大于結(jié)構(gòu)采用SFRC時的最小安全系數(shù)。因為本文主要研究隧道跨斷層抗震效果，S6面為隧道斷層面，所以取S6面說明，在斷層破碎段，二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC相較于采用素混凝土抗震效果提升59.72%，二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC相較于采用素混凝土抗震效果提升54.74%。

4 結(jié)論

1)從結(jié)構(gòu)位移方面來看，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用SFRC二襯結(jié)構(gòu)時，其橫向位移增大12.57%，縱向位移增大1.43%，豎向位移減小33.83%；當(dāng)采用SBHFRC二襯結(jié)構(gòu)時，其橫向、縱向、豎向位移分別增大6.69%，22.35%，25.32%。

2)由主應(yīng)力分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用纖維混凝土材料后其主應(yīng)力有所增大。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC時最大、最小主應(yīng)力分別增大26.09%，19.69%；當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時，最大、最小主應(yīng)力分別增大3.16%，2.16%。

3)由剪切應(yīng)力分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用纖維混凝土后其最大剪切應(yīng)力有所增大。當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC時，其最大剪切應(yīng)力提高20.82%；當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時，其最大剪切應(yīng)力提高2.23%。

4)由結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用纖維混凝土二襯結(jié)構(gòu)后安全系數(shù)有明顯提升，在斷層破碎段，SFRC襯砌抗震效果提升59.72%，SBHFRC襯砌抗震效果提升54.74%。