強震區隧道軟弱圍巖洞口段注漿加固抗震效果分析

崔光耀,韋宜霏,王明勝,王天群

(1.北方工業大學 土木工程學院,北京 100144;2.中鐵城市發展投資集團有限公司,四川 成都 610000;3.北京市政路橋股份有限公司,北京 100045)

隧道是交通發展的一個重要組成部分,具有重大的社會、經濟效應,對于交通的發展起著積極的促進作用。近年來,我國地下工程的建設取得很大的成就,技術有了飛速的發展。隨著時代的變化,交通發展愈加便利,隧道也愈發重要。

洞口段作為隧道的進口,是隧道的重要組成部分,隧道洞口段作為隧道的暴露部分,是受損最嚴重的部位,因此國內外不少學者把研究的重點放在了洞口段的抗震問題上,同時關注隧道洞口段的穩定性[1]。根據地震災害研究調查,隧道的洞口段災害嚴重,并且根據汶川地震、日本阪神地震等災后隧道洞口結構分析,隧道硬巖洞口段基本都無震害,而軟巖洞口段出現襯砌錯臺、垮塌等嚴重的震害[2-4]。在發生地震時,隧道洞口段覆蓋層為軟巖,軟硬交界面會導致覆蓋層內的縱向位移發生突變,這種強制位移和地震慣性力會對洞口段隧道結構產生重要影響,而覆蓋層為硬巖時,結構受慣性力和強制位移影響均較小[5-8]。因此對于洞口段為軟弱圍巖的隧道的抗震設計尤為重要。目前,國內外專家學者對此方面的相關研究有:依托雅安至瀘沽高速公路某隧道工程為研究對象,采用全環間隔注漿預加固方案進行動力響應分析,起到抗震的作用[9];根據宋家山隧道洞口段圍巖的實際情況,討論了注漿加固洞口段圍巖的抗震性能[10];依托川藏鐵路拉林段藏噶隧道為研究對象,采用全斷面帷幕注漿預加固方案可有效控制圍巖破裂面與松動區的發育[11];通過對雅瀘高速某山嶺隧道進行研究,利用大型振動臺,對隧道洞口段采用大阻尼結構減震層,有很好的抗、減震效果[12];通過進行大型振動臺模型試驗,對隧道洞口段加強襯砌仰拱、拱腳等下部結構的加固設計,能提高抗震性能[13]。綜上,有關洞口段的抗震設計已經有了比較深入的研究,但對于隧道洞口段軟弱圍巖的有關抗震設計研究相對較少。因此本文以葫蘆絲隧道洞口段為研究對象,利用FLAC3D計算軟件對洞口段采取全環接觸注漿和全環間隔注漿兩種抗震措施,對隧道抗震性能進行分析研究,研究結果可以為類似的洞口段軟弱圍巖抗震設計提供參考。

1 工程概況

1.1 地質情況

葫蘆絲隧道全長為5280m,隧道洞口段埋深10～50m,圍巖為全、強、中風化混合花崗巖,巖體呈礫砂狀散體結構,風化裂隙發育,顆粒間結合差,為Ⅴ級圍巖。

1.2 隧道結構

葫蘆絲隧道選用復合式襯砌作為洞口段支護結構,初期支護的厚度為0.27m,二次襯砌的厚度為0.5m。初支噴射C20素混凝土,二襯結構選取C25鋼筋混凝土。

2 計算情況

2.1 計算模型

以葫蘆絲隧道洞口段為研究背景,建立計算模型。隧道洞寬11m,隧道洞口至左、右側邊界均為40m,埋深至上邊界垂直距離25m,隧道底部的基巖厚度為30m。模型的邊界條件為:上邊界無約束,四周和下邊界全約束。計算模型如圖1所示。

圖1 葫蘆絲隧道洞口段計算模型圖

2.2 計算參數

模型的計算參數見表1。

表1 結構措施

2.3 動力參數

此模型選用四周自由場邊界條件進行模擬計算,局部阻尼作為計算參數,系數為0.1571。選用常規動力加載方式,按9度地震烈度標準化,試驗過程中采用的地震波為在汶川地震中臥龍站測量的三向加速度波,該地震波按照X軸Y軸以及Z軸三個方向在模型結構中由下向上傳遞,持續時間15秒[14]。為了獲得質量更好的加速度時程曲線,通常需要利用特定軟件對曲線進行濾波和基線校正處理。圖2為處理后地震波加速度隨時間變化曲線。

(a)X方向

(a)工況一

2.4 計算工況

為了對不同措施的抗震效果進行分析,現設置3種計算工況,工況一為無措施,工況二為全環接觸注漿,工況三為全環間隔注漿。計算工況見表2所示,計算工況示意如圖2所示。

表2 計算工況統計表

2.5 測點布置

將監測點布置在隧道洞口段中部,取洞口段二次襯砌的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳、仰拱、左拱腳、左邊墻、左拱肩8個測點進行監測,測點的布置如圖4所示。

圖4 二襯結構監測點布置圖

3 抗震效果分析

3.1 結構位移分析

通過FLAC3D對試驗模型進行計算,提取各個工況隧道洞口段的位移云圖(以Z軸方向為例),如圖5所示。

(a)工況一

整理各工況位移情況,提取二襯結構的位移最大值,并計算兩種抗震措施作用下的抗震效果,具體參數見表3。

表3 二襯結構的最大位移及控制效果

由圖5以及表3可知,洞口段圍巖采用全環接觸注漿和全環間隔注漿兩種抗震措施后,二襯結構三個方向的最大位移值均有下降。在工況二中,橫向最大位移減少0.09mm,抗震效果提高10.98%,縱向最大位移下降0.23mm,抗震效果提高了63.89%,豎向最大位移下降1.48mm,抗震效果提高了36.10%;采用全環間隔注漿措施后,橫向最大位移減少了0.04mm,抗震效果提高了4.88%,縱向最大位移下降了0.11mm,抗震效果提高了30.56%,豎向最大位移下降了0.89mm,抗震效果提高了21.71%。綜上所述,采用全環接觸注漿和全環間隔注漿的抗震措施后,二襯結構的橫向、縱向以及豎向最大位移均有減小,通過對比最大位移的減小百分比,使用全環接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.2 邊墻收斂

分析二襯結構邊墻收斂值,提取三個工況邊墻最大收斂值,并分析抗震效果,數值及計算結果見表4。

表4 最大邊墻收斂及抗震效果

由表4可知,采用工況二和工況三兩種抗震措施后,二襯結構的邊墻最大收斂值均有下降。在采用全環接觸注漿措施后,最大收斂值減少了0.48mm,抗震效果提高了19.12%;在采用全環接觸注漿后,最大收斂值減少了0.27mm,抗震效果提高了10.76%。綜上所述,采用全環接觸注漿和全環間隔注漿的抗震措施后,二次襯砌結構的邊墻收斂降低,通過分析對比,洞口段采用全環接觸注漿抗震措施的抗震效果更好。

3.3 內力分析

提取二襯結構各監測點內外單元應變值,根據下述材料力學公式(1)(2)計算二次襯砌各測點位置處的軸力及彎矩值。

(1)

(2)

式(1)、式(2)中,N—軸力;M—彎矩;E—彈性模量;ε內、ε外—結構內外側應變;b—截面寬度,取1m;h—截面厚度取0.45m。

各測點軸力及彎矩時程曲線如圖6所示(以工況二仰拱的監測點為例)。

(a)軸力

選取三個工況各測點軸力和彎矩絕對值的最大值,如圖7所示。

(a)軸力

整理各工況內力數值,以工況一為對照,根據內力情況比較兩種抗震措施的抗震效果,計算結果見表5、表6所示。

表5 各工況下最大軸力及抗震分析

表6 各工況下最大彎矩及抗震分析

由上述計算結果可知,采用全環接觸注漿時,各個測點的軸力、彎矩值均有下降,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了34.91%,對于彎矩,抗震效果提高了56.86%;采用全環間隔注漿時,雖然左邊墻、右邊墻處軸力略微增大,但整體抗震效果提升明顯,對于軸力來說,采取抗震措施后平均抗震效果提高了11.79%,對于彎矩,抗震效果提高了32.14%。綜上所述,洞口段圍巖采用全環接觸注漿和全環間隔注漿后,均有較好的抗震效果,并且相比于全環間隔注漿,采用全環接觸注漿抗震措施的抗震效果更好一些。

3.4 安全系數分析

根據下述公式(3)(4)計算各測點的安全系數[15]。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)、式(4)中,K—結構安全系數;φ—構件的縱向彎曲系數;α—軸向力的偏心影響系數;Ra—混凝土的抗壓極限強度;Rl—混凝土的抗拉極限強度;e0—截面偏心距。監測點的安全系數如圖8所示(以工況二仰拱為例)。

圖8 仰拱處安全系數時程曲線

統計并記錄各監測點最小安全系數,如圖9所示。

圖9 各工況測點最小安全系數對比

整理各工況最小安全系數,分析比較兩種抗震措施的抗震效果,計算結果見表7所示。

表7 各工況下最小安全系數及抗震分析

由表7可知,三種工況的最小安全系數依次為2.29、5.13、4.19,洞口段圍巖采用全環接觸注漿和全環間隔注漿的抗震措施后,安全系數均有明顯的提高,并且在采用接觸注漿的抗震措施后,平均全系數提高了44.73%,略高于安全系數提高了28.01%的間隔注漿抗震措施。

4 結論

(1)由結構位移分析可得,采用全環接觸注漿后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了10.98%、63.89%,、36.10%;采用全環間隔注漿措施后,橫向、縱向、豎向位移抗震效果分別提高了4.88%、30.56%、21.71%。

(2)由邊墻收斂分析可得,采用全環接觸注漿后,抗震效果提高了19.12%;采用全環間隔注漿后,抗震效果提高了10.76%。

(3)由內力分析可得,采用全環接觸注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了34.91%、56.86%;采用全環間隔注漿后,對于軸力和彎矩,平均抗震效果分別提高了11.79%、32.14%。

(4)由安全系數分析可得,采用接觸注漿,安全系數提高了44.73%,采用間隔注漿,安全系數提高了28.01%。綜上,接觸注漿抗震措施對結構的位移控制的更好,同時在控制邊墻收斂方面更優。因此,相比于全環間隔注漿的抗震措施,采用全環接觸注漿的抗震措施更好一些。