盾構(gòu)隧道新型注漿層減震性能研究

作者簡介：黃好江（1982—），實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)訓(xùn)室建設(shè)及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)與研究工作。

摘要：目前關(guān)于減震層的研究較少涉及通過改善注漿層的性能使其達(dá)到減震效果，為給盾構(gòu)隧道抗震提供新思路，文章提出采用新型注漿材料（橡膠-水泥基復(fù)合材料）對注漿層進(jìn)行改良，從而使其達(dá)到較佳的減震效果，并基于Midas有限元軟件，分析了不同減震注漿層剛度與層厚對隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響，得到如下結(jié)論：降低減震注漿層的剛度以及增大層厚可提高盾構(gòu)隧道抗震性能；設(shè)置減震注漿層后，X向與Z向第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力數(shù)值均大幅度降低。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；抗震；橡膠水泥基；Midas有限元軟件；剛度

中圖分類號：U452.2⁺8

0 引言

隨著“十四五”規(guī)劃以及“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)，地下隧道結(jié)構(gòu)已廣泛運(yùn)用于交通、國防、城市建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前，我國地下隧道工程具有建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)難度高、發(fā)展速度快等特點(diǎn)，在實(shí)際隧道工程建設(shè)過程中，難以避免地會(huì)途經(jīng)高烈度地震區(qū)，當(dāng)遇到強(qiáng)地震時(shí)，地下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生損傷甚至破壞，而地下結(jié)構(gòu)后期修復(fù)難度大，震后搶險(xiǎn)救災(zāi)難，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，因此研究盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)尤為關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對盾構(gòu)隧道減震技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。其主要通過三種方法提高隧道工程的減震能力：采用注漿技術(shù)加固土層、提高隧道結(jié)構(gòu)自身力學(xué)性能、設(shè)置隔震層來減輕隧道動(dòng)力響應(yīng)。Konagai等^[1]基于隧道軸向應(yīng)變與土體剪切應(yīng)變的比值，揭示隧道減震層的減震機(jī)理，結(jié)果表明：隨著減震層剪切模量的降低，隧道震害的影響減小。Chen等^[2]為驗(yàn)證隧道減震層的作用，基于離心機(jī)試驗(yàn)對比有無減震層的盾構(gòu)隧道模型的減震效果，提出了減震層減震機(jī)理。馬雪等^[3]通過共振柱試驗(yàn)和無約束共振試驗(yàn)獲取高聚物注漿材料基本力學(xué)性質(zhì)，基于有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS分析了高聚物外包層減震效果，結(jié)果表明：高聚物外包層具有良好的減震效果，可降低襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力。崔光耀等^[4]為提高高烈度地區(qū)隧道抗震性能，利用有限差分軟件研究了不同材料的減震效果，結(jié)果表明：鋼纖維混凝土高阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)為最佳減震材料，素混凝土襯砌減震效果較差。謝軍等^[5]利用有限元軟件分析了在減震措施下隧道-土-地表建筑的減震效果，結(jié)果表明：采用單一減震層難以滿足隧道-土-地表建筑相互作用體系所要求的減震效果，因此需采用聯(lián)合減震方案。趙旭等^[6]基于振動(dòng)臺試驗(yàn)分析了松動(dòng)圈以及減震層對隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：松動(dòng)圈以及減震層的設(shè)置可有效減小隧道附加應(yīng)力，提高隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能。聞毓民等^[7]基于大型振動(dòng)臺試驗(yàn)驗(yàn)證了減震層效能評定方法的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：該方法可較好地評估減震層對襯砌結(jié)構(gòu)的作用。

上述研究主要集中于設(shè)置減震層與隔震層，進(jìn)而減輕盾構(gòu)隧道的動(dòng)力響應(yīng)，較少涉及通過改善注漿層的性能使其達(dá)到減震效果。本文基于前人對減震層研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步注漿技術(shù)，提出利用新型注漿材料（橡膠-水泥基復(fù)合材料）改良注漿層，進(jìn)而擁有較佳的減震效果，并采用Midas有限元數(shù)值模擬軟件分析新型注漿層對盾構(gòu)隧道的減震作用，該方法可為今后盾構(gòu)隧道的減震研究提供相應(yīng)依據(jù)。

1 盾構(gòu)隧道注漿技術(shù)與注漿材料研究

1.1 盾構(gòu)隧道注漿技術(shù)

隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，盾構(gòu)鋼殼與管片之間會(huì)形成環(huán)形空隙（即盾構(gòu)鋼殼內(nèi)徑＞管片外徑），若不對環(huán)形空隙進(jìn)行處理，會(huì)使隧道周圍土體應(yīng)力逐漸釋放，進(jìn)而導(dǎo)致隧道周圍土體產(chǎn)生位移，地表出現(xiàn)沉降。為解決該類問題，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中須采用同步注漿技術(shù)對盾尾空隙進(jìn)行處理，在盾尾空隙及時(shí)填充漿液，有效防止巖土體坍塌。同步注漿技術(shù)的優(yōu)勢如圖1所示。

1.2 注漿材料

注漿材料需滿足良好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性以及合適的凝結(jié)時(shí)間等，基本要求有：（1）早期強(qiáng)度與最終強(qiáng)度較高；（2）流動(dòng)性較好；（3）合理的稠度；（4）長期穩(wěn)定性較好；（5）無污染，不對環(huán)境產(chǎn)生危害；（6）原材料成本較低、容易獲取；（7）漿液性能可根據(jù)工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

表1為主要漿液種類及其相關(guān)性能表。

1.3 新型注漿材料

本文結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)以及盾構(gòu)技術(shù)，提出采用新型注漿材料（橡膠-水泥基復(fù)合材料）改善注漿層的力學(xué)性能，使其發(fā)揮抗震效果。

新型注漿材料由橡膠顆粒、珍珠巖、水泥、聚乙烯醇纖維以及水組成，其配合比如表2所示。

漿液凝結(jié)成石后測定其基本物理力學(xué)性能，其中新型材料A、B、C的彈性模量分別為100 MPa、300 MPa以及1 100 MPa，與常規(guī)材料相比，新型注漿材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有不同程度的提高，值得注意的是，由于橡膠的摻入，新型材料達(dá)到峰值應(yīng)力后，其韌性指數(shù)明顯增加，并未出現(xiàn)普通注漿材料破壞后的強(qiáng)度陡降階段。

2 有限元模型的建立

本節(jié)主要針對新型注漿材料改良后注漿層的減震效果進(jìn)行研究，基于Midas有限元數(shù)值模擬軟件建立三維模型，圖2為Midas有限元軟件建模流程示意圖。

2.1 阻尼及邊界設(shè)置

2.1.1 阻尼

為研究隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，阻尼采用瑞利阻尼（正交阻尼）。

2.1.2 人工邊界

動(dòng)力計(jì)算中常用的邊界分為兩類：黏性邊界與自由場邊界，黏性邊界可通過設(shè)置自由阻尼對入射波進(jìn)行吸收，從而提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此確定黏性邊界為人工邊界。

2.2 地震波處理

將中高頻波段進(jìn)行濾除，并對加速度時(shí)程進(jìn)行基線校正，圖3為本文采用的Kobe地震波，7 s時(shí)達(dá)到加速度峰值示意圖，大小為0.35 g。

由前人研究可知^[8]，橫向與縱向地震波對隧道動(dòng)力影響較為相似，因此本文僅分析X向（橫向-水平垂直隧道軸線）與Z向（豎向-豎直垂直隧道軸線）地震波對隧道的影響。

2.3 材料本構(gòu)選取

表3為材料本構(gòu)模型表。

2.4 細(xì)觀參數(shù)的確定

細(xì)觀參數(shù)的大小影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此確定合理的細(xì)觀參數(shù)是保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的前提，同時(shí)由于Midas的數(shù)值模擬軟件并未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定細(xì)觀參數(shù)，表4、表5分別為材料參數(shù)與土層物理力學(xué)參數(shù)表。

2.5 三維模型的建立

本文研究以盾構(gòu)隧道勘察資料為基礎(chǔ)，建立簡化的三維模型，其具體參數(shù)如下：模型橫向長80 m、豎向長60 m、寬40 m。隧道埋深20 m，管片外徑為6.6 m，厚度為0.35 m。注漿減震層布設(shè)于隧道襯砌與圍巖之間。整體模型共有63 200個(gè)單元、26 300個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4為數(shù)值計(jì)算模型圖，圖5為斷面監(jiān)測點(diǎn)布置圖。

3 減震層剛度對隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響

注漿減震層布設(shè)于隧道襯砌與圍巖之間，通過改變減震層類別（水泥砂漿、減震層A、減震層B以及減震層C），探究不同減震層下盾構(gòu)隧道動(dòng)力響應(yīng)特征。因此，本節(jié)通過建立不同剛度的模型，分析剛度對隧道加速度、隧道位移以及隧道應(yīng)力的影響，表6為具體工況表。

3.1 加速度響應(yīng)特征

表7、表8分別為在地震作用下管片各測點(diǎn)的加速度峰值表。

由表7、表8可知，在設(shè)置減震層（新型注漿材料）后X向與Z向的加速度峰值有所減小，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)隨著減震層彈性模量的降低，其X向與Z向的加速度峰值也隨之降低，其中X向地震作用下拱頂對加速度響應(yīng)最為明顯，Z向地震作用下拱底對加速度響應(yīng)最為明顯。

3.2 位移分析

圖6為地震作用下管片的位移峰值示意圖。

由圖6可知，在X向地震作用下，未設(shè)置減震層的隧道管片橫向位移較大，其位移峰值出現(xiàn)于拱頂處，最大值為-79.9 mm。當(dāng)設(shè)置減震層后，橫向位移明顯降低，隨著減震層剛度的減小其橫向位移峰值也逐漸降低，其中減震層C（彈性模量100 MPa）其拱頂處峰值位移為-77.5 mm，相較于無減震層的橫向位移下降了2.4 mm。說明降低減震層剛度可有效緩解X向地震作用對隧道管片橫向位移的影響。在Z向地震作用下未設(shè)置減震層的隧道管片豎向位移較大，其中豎向位移峰值出現(xiàn)于拱頂處，最大值為-63.8 mm。與X向地震作用下的橫向位移相同，隨著減震層剛度的減小其豎向峰值位移也逐漸降低，說明降低減震層剛度可有效緩解Z向地震作用對隧道管片豎向位移的影響。

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 X向應(yīng)力分析

圖7為X向地震作用下不同剛度減震層的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力示意圖。

由圖7可知，未設(shè)置減震層時(shí)拱腳處第一主應(yīng)力最大，而拱頂處第三主應(yīng)力最大，對比可知第一主應(yīng)力峰值明顯大于第三主應(yīng)力峰值。設(shè)置減震層后，其主應(yīng)力數(shù)值大幅度降低，第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力減震率分別為38.9%、36.3%。

3.3.2 Z向應(yīng)力分析

圖8為Z向地震作用下不同剛度減震層的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力示意圖。

由圖8可知，Z向與X向地震作用下的應(yīng)力峰值變化規(guī)律相同，未設(shè)置減震層時(shí)拱腳處第一主應(yīng)力最大，而拱頂處第三主應(yīng)力最大。設(shè)置減震層后，其主應(yīng)力數(shù)值大幅度降低，第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力減震率分別為34.5%、33.1%。

4 減震層厚度對隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響

本節(jié)研究減震層厚度對隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響，其中減震層剛度為100 MPa，厚度分別為100 mm、200 mm及300 mm。

4.1 加速度響應(yīng)特征

X向地震作用下橫向加速度峰值出現(xiàn)在拱肩處，其最大值為3.387 m/s²，Z向地震作用下豎向加速度峰值出現(xiàn)在拱腳處，其最大值為3.381 m/s²，隨著減震層厚度的增大，橫向加速度與豎向加速度均出現(xiàn)增大的趨勢。

4.2 位移分析

圖9為地震作用下管片的位移峰值示意圖。

由圖9可知，隨著減震層層厚的增大，其峰值位移均出現(xiàn)小幅度降低，其中X向地震作用下的橫向位移明顯大于Z向地震作用下的豎向位移。

5 結(jié)語

本文通過對盾構(gòu)隧道中新型注漿材料的抗震性能進(jìn)行研究，利用新型注漿材料（橡膠-水泥基復(fù)合材料）改良注漿層，進(jìn)而使其達(dá)到減震效果，同時(shí)采用有限元數(shù)值模擬軟件Midas，分析不同減震注漿層剛度和層厚對隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著減震層彈性模量的降低，橫向加速度與豎向加速度峰值也隨之降低；隨著減震層厚度的增大，橫向加速度與豎向加速度均增大。

（2）隨著減震層層厚的增大，其峰值位移出現(xiàn)小幅度降低，隨著減震層彈性模量的減小其橫向峰值位移與豎向峰值位移也逐漸降低。

（3）設(shè)置減震層后，X向與Z向地震作用下的第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力數(shù)值均大幅度降低，X向第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力減震率分別為38.9%、36.3%，Z向第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力減震率分別為34.5%、33.1%。

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