高烈度地震區隧道結構安全分析

李偉豪，羅立娜

(1.廣州華暉交通技術有限公司，廣東 廣州 510335；2.廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430)

在隧道建設快速發展的時期，人們充分利用隧道圍巖自穩及能形成平衡拱的特性，快速、經濟地修建隧道，而沒有足夠重視在地震等災害情況下的安全儲備。四川汶川大地震讓人們認識到隧道結構在強震下的脆弱，李天斌[1]在對四川汶川地震中受損的汶川公路隧道進行調查研究后，認為埋深較淺及軟弱圍巖中的襯砌結構最容易遭受破壞，今后應進一步加強對軟弱圍巖震害機制及抗震支護措施的研究。高波、王崢崢等[2]對都汶(都江堰—汶川)公路高速路段18座隧道進行震害調查的基礎上也指出加強隧道洞口段的抗震構造措施，提高洞口結構的延性的重要性。

1 地震作用對隧道工程的影響機理

地震對隧道結構的破壞主要分為圍巖失穩引起的破壞和地震慣性力引起的破壞，另外，淺埋軟弱圍巖較深埋圍巖所承受的地震慣性力大得多，這是因為淺埋軟弱圍巖對地下結構變形的約束作用不明顯。故一般隧道抗震設計著重加強對洞口淺埋段或穿越破碎帶段落進行特殊設計，并且需要在保證結構安全的前提下控制初支與二襯的剛度比[3，4]。

2 研究地下結構抗震的難點

(1)由于地震源的不確定性，地震源與項目的距離、角度關系等均具有偶然性，故地震波入射方向也是隨機的，難以較大程度地還原地震作用。

(2)隧道圍巖由于存在節理、裂隙和斷層破碎帶等，理論上已不屬于連續介質力學的研究范疇[4]。

所以《公路隧道抗震設計規范》(JTG 2235—2019)中規定：抗震設防地震動分檔0.30g以下地區且位于均質地層中、結構形式簡單的鉆爆隧道可采用修正靜力法模擬地震作用[5]。

3 隧道抗震設計的思路

(1)隧道結構主要為初支(及經過加固后的圍巖)、二襯、以及初支和二襯間的抗震或減震層。盲目加強對圍巖的加固或者加強加厚二襯都是不合理的：一是造成資源浪費；二是起到反作用，不利于隧道的抗震。設計中應重視初支、二襯的剛度比，根據不同圍巖采用不同的圍巖加固措施，并根據剛度比設置與之匹配的二襯。

建議先根據工程經驗分別擬定幾組初支及二襯結構，再進行結構的組合，經過比選后選取合理的圍巖加固措施和二襯結構。

(2)一般認為在滿足基本工程強度的范圍內，襯砌越柔，越有利于抗震，這一點在鐵道部科學研究院關于強地震作用下鐵路隧道襯砌耐震性的試驗研究中得到了充分的驗證[3，6]。故設計中，偶然荷載組合得出的內力并不一定是最不利的，應在滿足結構各荷載組合的強度要求下，根據圍巖的剛度，選擇合適的圍巖加固手段，如打設鋼筋錨桿或注漿等。

(3)抗震設防的范圍一般為洞口段埋深小于50 m的范圍。

4 案例分析

依托廣東省沿海高烈度地震區某小凈距隧道，根據《公路隧道設計規范第一冊土建工程》(JTG 3370.1—2018)[7](下稱規范)、《公路隧道設計細則》(JTG/T D70—2010)[8](下稱細則)、《公路工程抗震規范》(JTG B05—2013)[9]，對該項目V級圍巖淺埋段進行安全計算分析，為該隧道工程選定合適的襯砌參數提供參考，保證在地震工況下結構的安全性及經濟性，同時可作為廣東省內Ⅷ度地震烈度區域山嶺隧道工程的參考。

4.1 隧道概況

隧道位于廣東省汕頭市Ⅷ度地震烈度區域。該隧道為上、下行分離隧道，全長640 m，最大埋深約110 m，單洞凈寬14.16 m，凈高9.79 m，隧道線間距按一倍洞徑控制，為小凈距中隧道。設計標準為雙向六車道城市主干路，設計行車速度60 km/h。

本次計算段落為隧道V級圍巖淺埋段，為保證洞口V級圍巖淺埋段施工期間的臨時穩定，采用交叉中隔墻法(CRD法)施工。

4.2 地質概況

隧道通過地段穿越的地層巖性有第四系松散殘坡積碎石土、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖及中風化花崗巖。洞口段主要為Ⅴ級圍巖，進出口處主要覆蓋有第四系松散殘坡積碎石土，因風化強烈，節理裂隙極發育，巖體破碎。地下水類型主要為塊狀巖類裂隙水，常見流量在0.01～0.06 L/s，地下徑流模數為0.9～2.5 L/s，主要受大氣降水控制。

4.3 地震及區域穩定

項目區基本地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。隧址區未見活動性斷裂，區域地質穩定性較好。

5 隧道結構計算分析

5.1 隧道襯砌結構計算模型及理論

規范中9.2.1規定：深埋隧道中的整體式襯砌、淺埋隧道中的整體式或復合式襯砌的二次襯砌及明洞襯砌等宜采用荷載結構法計算。本次計算采用荷載結構法，并根據細則中對于初期支護及二次襯砌的荷載承擔比例建議值，對該隧道V級圍巖淺埋段的二次襯砌結構進行計算分析。

5.2 淺埋段設計參數

圍巖按照V級圍巖進行計算，土體重度取20 kN/m3，計算摩擦角40°，二次襯砌厚度擬定采用d為0.5、0.6、0.7 m代表不同二襯剛度，二次襯砌荷載分擔比為0.65。

5.3 襯砌荷載計算

根據規范計算得到小凈距隧道的荷載等效高度為43.46 m，而該隧道V級圍巖淺埋段的最大埋深為35 m，故小凈距隧道V級圍巖淺埋段最大計算埋深按35 m控制。根據規范中靜力法的規定，得出隧道不同部位所承受的計算圍巖壓力如下：隧道頂部豎向壓力分別為q1=510.2 kPa、q2=536.4 kPa；隧道左側水平壓力分別為e1拱頂=144.3 kPa、e1拱腳=202.4 kPa；隧道右側壓力分別為e2拱頂=130.7 kPa、e2拱腳=180.8 kPa。計算結果如圖1。

圖1 圍巖壓力示意圖

地震作用如下，根據荷載效應基本組合進行使用階段承載力計算時，安全系數取值為0.43，水平基本地震動加速度峰值A=0.2，豎向地震系數Kv=0.5，場地影響系數Cz=1.0，洞頂土體產生的豎向地震作用Fiv=24.87 kPa；洞頂土體產生的水平地震作用Fih=49.75 kPa ；外側土體產生的水平地震作用Δe2=10.8 kPa；內側土體產生的水平地震作用Δe1=30.68 kPa。計算圖示如圖2所示。

圖2 地震荷載示意圖

5.4 結構內力計算

本次計算取二次襯砌承擔65%的圍巖松散壓力，并與自重、地震作用進行荷載組合。利用有限元分析軟件進行內力計算，得到小凈距隧道V級圍巖淺埋段在各荷載組合下的襯砌內力，計算模型及結果如圖3～圖6(展示計算結果為二襯厚度d=60 cm時偶然荷載組合的內力)。

圖3 計算模型示意圖

圖4 變形包絡圖(單位：m)

圖5 彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖6 軸力包絡圖(單位：kN)

不同二襯厚度下的最不利工況位移、內力分析見圖7～9，從圖可知，二襯厚度對拱頂的位移、內力影響最大，拱腰次之，對拱腳的影響最小；在一定范圍內，隨著結構厚度的增加，變形減小，軸力減少，彎矩則增大。

圖7 二襯各點位移隨二襯厚度變化曲線

圖8 二襯各點彎矩隨二襯厚度變化曲線

圖9 二襯各點軸力隨二襯厚度變化曲線

6 安全性分析

該隧道二次襯砌擬采用C35混凝土，鋼筋擬采用C28@200，根據隧道襯砌結構各部位的內力分布情況，依據相關規范進行結構驗算，可以得到最不利組合作用下，該隧道特征部位的結構安全性系數以及正常使用狀態時裂縫寬度，具體數據整理如圖10、圖11所示。

圖10 正常使用狀態下二襯各點裂縫寬度隨二襯厚度變化曲線

圖11 最不利工況二襯各點安全系數隨二襯厚度變化曲線

《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)規定裂縫寬度不大于0.2 mm及《隧道規范》要求結構安全系數不小于2.4。根據計算結果，各方案對比如下。

表1 各方案計算結果對比表

對隧道二襯結構拱頂、拱肩、拱腳3處特征點的變形及受力情況進行分析后認為該隧道二襯結構采用60 cm厚二襯C35混凝土，鋼筋采用C28@200是比較合適的。

7 抗震設防措施

(1)充分考慮剛度比，選取合適的初支二襯組合。

因為洞口段多為軟弱圍巖，遭遇地震作用時變形較大，單純地提高結構剛度抵抗變形，結構承受的圍巖壓力則越大，不利于抗震[10，11]。應該根據工程經驗擬定幾組初支及二襯結構，在充分考慮初支、二襯剛度比的前提下進行結構組合，選取出最佳的初支-二襯組合。軟弱圍巖中采取更強的圍巖加固措施是抗震設計更好的選擇。

(2)根據結構受力情況，采用更靈活的結構設計。

通過計算分析后，認為上述隧道二次襯砌結構、拱腳及拱肩安全系數仍有較多富余，而拱頂安全性則剛好滿足，可進一步優化二襯主筋的布置，如在拱頂安全性富余不多處局部增設鋼筋。另外考慮到圍巖情況的漸變性，該襯砌結構向洞內深埋段或圍巖情況較好的地段延伸10 m。隧道經過斷層的位置還應加強結構設計，并往兩側延伸。

(3)通過變形縫適當釋放應力。

在破碎圍巖段、軟弱圍巖段適當加密變形縫，在不同隧道襯砌類型間設置沉降縫，協調地震時的變形，減少結構應力。

(4)調整隧道輪廓。

當隧道結構設計不符合常規隧道的設計經驗時，應對隧道內輪廓進行優化。根據本項目計算分析可知，拱頂為隧道二襯的最不利位置，可采用更合理的內輪廓提高拱頂安全系數，使結構受力更合理，但同時需考慮內輪廓對工程造價的影響。

(5)初支、二襯間設置減震層、調整圍巖-二襯間的剛度比。

8 結束語

介紹地震作用對隧道工程的影響機理及計算難點，總結出隧道抗震的設計思路。并依托廣東省汕頭市某小凈距隧道，進行抗震計算分析。

(1)通過幾種二襯厚度的計算分析可認為：二襯厚度對拱頂的位移、內力影響最大，拱腰次之，對拱腳的影響最小；在一定范圍內，隨著結構厚度的增加，變形減小，軸力減少，彎矩則增大，所以單純加厚二襯來提高結構安全性是不可行的。

(2)抗震設計時應重視初支后圍巖與二襯的剛度比，在保證結構安全的前提下，二襯建議采取較“柔”的結構，有利于釋放地震時圍巖震動引起的應力，同理，適當設置變形縫也是釋放地震應力的重要措施。

(3)由于地震作用具有偶然性，實際分析中難以較大程度地還原地震作用，目前的抗震措施主要是預防性的，以降低地震作用對結構的影響為目標，難以百分百消除地震作用對結構的危害。