市政道路礦山法隧道抗震計算研究

王樂 潘偉光 王凱

1. 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 湖北 武漢 430014；

2. 瀚陽國際工程咨詢有限公司 廣東 廣州 510630；

3. 廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣東 廣州 510030

1 項目背景及地質(zhì)簡介

龍海一路東段（龍山十路至疏港大道連接段）市政工程主線全長1800m，雙向六車道規(guī)模，設(shè)計速度60km/h。本文研究依托對象為其中礦山法隧道段，總長度為1295m，埋深為16.15m～93.30m；該段山嶺隧道主要穿越圍巖為強~微風(fēng)化砂礫巖，隧道圍巖等級為Ⅲ～Ⅴ。基本地震烈度為7度；設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。

根據(jù)工程地勘資料，基巖裂隙水的初見水位埋深一般為4.50～15.70m，混合穩(wěn)定水位埋深一般為3.80～14.20m。由于場地主要位于山崗上，所以地下水位變化較大，地下水位線的形態(tài)與地形起伏基本一致[1]。雨季時（或下雨時）地下水位變化幅度可達1.0～5.0m。

2 關(guān)于抗震計算方法的選擇

2.1 抗震計算方法選擇

依據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準》（GB/T51336-2018）及本項目勘察報告，本工程礦山法隧道地層條件較均勻，大部分位于中風(fēng)化砂礫巖層，斷面形狀簡單，擬采用反應(yīng)位移法進行隧道的橫斷面地震反應(yīng)計算。

根據(jù)已有工程經(jīng)驗，地震對隧道的破壞是隨埋深增加而減弱的。深埋隧道的結(jié)構(gòu)，一般很少發(fā)生震害，結(jié)合本工程實際情況，本工程礦山法隧道抗震分析選擇埋深最淺的不利斷面進行計算。

2.2 反應(yīng)位移法簡述

采用反應(yīng)位移法進行隧道結(jié)構(gòu)橫斷面地震反應(yīng)計算時，結(jié)構(gòu)抗震計算應(yīng)采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，可將隧道襯砌圍巖作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬[2]。

2.2.1 土彈簧剛度計算。計算模型中，隧道襯砌圍巖采用地基彈簧（壓縮彈簧和剪切彈簧）表示；彈簧剛度按式1計算：

2.2.2 地層位移計算。采用反應(yīng)位移法進行隧道襯砌結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計算時，應(yīng)考慮地層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力作用。以上三項均可由一維圍巖地震反應(yīng)分析得到；對于沒有進行工程場地地震安全性評價工作的，地震時圍巖沿深度方向位移可按式2確定，地震時圍巖沿隧道軸向位移可按式3確定。

2.2.3 地層剪力計算。通過圍巖位移微分確定圍巖應(yīng)變，并通過物理關(guān)系得到地層剪力。將地震摩擦力沿深度變化假定為正弦函數(shù)，可計算出地震摩擦力。隧道襯砌結(jié)構(gòu)圍巖剪力可按下式計算：

2.2.4 圍巖位移引起的作用于襯砌結(jié)構(gòu)的地震力計算。在反應(yīng)位移法中需將隧道襯砌結(jié)構(gòu)周圍自由土層在地震作用下的最大位移施加于襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)面壓縮彈簧及上部剪切彈簧遠離結(jié)構(gòu)的端部。而由于在有限元軟件中要實現(xiàn)在地基彈簧遠離結(jié)構(gòu)的一端施加強制位移較難，因而可將強制位移按式6、7轉(zhuǎn)換成直接施加在襯砌結(jié)構(gòu)上的等效荷載[3]。

以上式1～7中代表符號含義詳見《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909-2014）。

3 隧道結(jié)構(gòu)靜力計算

本市政道路隧道采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進行襯砌結(jié)構(gòu)分析，縱向取單延米襯砌結(jié)構(gòu)作為計算單元，采用彈簧模擬圍巖對隧道襯砌結(jié)構(gòu)水平位移、垂直位移的約束作用，地基彈簧只受壓。分析采用Midas Civil有限元分析軟件。靜力計算結(jié)果詳見后表《內(nèi)力計算結(jié)果分析》。

表1 隧道荷載計算表

4 隧道結(jié)構(gòu)地震作用計算

4.1 地震作用下計算結(jié)果

根據(jù)前述隧道襯砌荷載計算結(jié)果進行隧道截面抗震內(nèi)力分析。經(jīng)計算，截面的配筋均為裂縫寬度控制，其最大裂縫寬度限值迎土側(cè)≤0.2mm，背土側(cè)≤0.3mm，即滿足靜力作用工況下的裂縫要求時，均滿足地震作用工況下的承載力要求[4]。多遇、基本及罕遇地震作用下的內(nèi)力計算結(jié)果見表《內(nèi)力計算結(jié)果分析》。

4.2 內(nèi)力計算結(jié)果分析

表2 內(nèi)力計算結(jié)果分析表

5 隧道結(jié)構(gòu)抗震變形計算

5.1 抗震變形驗算要求

依據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準》（GB/T51336-2018）。

5.2.1 圓形斷面地下結(jié)構(gòu)在基本地震作用下產(chǎn)生的彈性直徑變形率應(yīng)小于4‰。

5.2.2 圓形斷面地下結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下產(chǎn)生的彈塑性直徑變形率應(yīng)小于6‰。

5.2 隧道結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果

圖1 礦山法段基本地震作用下結(jié)構(gòu)變形（mm）

圖2 礦山法段罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)變形（mm）

根據(jù)上圖可知，礦山法段結(jié)構(gòu)在基本地震作用下最大變形為13mm＜4/1000×9297mm=37.188mm，滿足基本地震作用下變形要求。

根據(jù)上圖可知，礦山法段結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大變形為11mm＜6/1000×9297mm=55.78mm，滿足罕遇地震作用下變形要求。

6 結(jié)束語

多遇地震下結(jié)構(gòu)均不受影響，結(jié)構(gòu)強度由靜力工況計算控制，滿足抗震性能要求Ⅰ；基本地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)部分位置受影響，需對構(gòu)造及配筋進行局部加強。

結(jié)構(gòu)在基本地震和罕遇地震作用下變形均滿足規(guī)范要求。

礦山法隧道段：建議在靜力工況計算下，加強拱腳位置的配筋，并禁止仰拱回填部分與仰拱襯砌同時澆筑，初支和二襯之間采用柔性防水層，增大緩沖，減弱地震作用。