盾構隧道新型注漿層減震性能研究

作者簡介：黃好江（1982—），實驗師，主要從事實訓室建設及實訓項目開發與研究工作。

摘要：目前關于減震層的研究較少涉及通過改善注漿層的性能使其達到減震效果，為給盾構隧道抗震提供新思路，文章提出采用新型注漿材料（橡膠-水泥基復合材料）對注漿層進行改良，從而使其達到較佳的減震效果，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力響應的影響，得到如下結論：降低減震注漿層的剛度以及增大層厚可提高盾構隧道抗震性能；設置減震注漿層后，X向與Z向第一主應力與第三主應力數值均大幅度降低。

關鍵詞：盾構隧道；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”規劃以及“一帶一路”等重大戰略的實施，我國基礎設施建設正在穩步推進，地下隧道結構已廣泛運用于交通、國防、城市建設等各個領域。當前，我國地下隧道工程具有建設規模大、建設難度高、發展速度快等特點，在實際隧道工程建設過程中，難以避免地會途經高烈度地震區，當遇到強地震時，地下結構會發生損傷甚至破壞，而地下結構后期修復難度大，震后搶險救災難，嚴重威脅人民群眾生命財產安全，因此研究盾構隧道結構的減隔震技術尤為關鍵。

近年來，國內外學者針對盾構隧道減震技術進行了大量的研究。其主要通過三種方法提高隧道工程的減震能力：采用注漿技術加固土層、提高隧道結構自身力學性能、設置隔震層來減輕隧道動力響應。Konagai等^[1]基于隧道軸向應變與土體剪切應變的比值，揭示隧道減震層的減震機理，結果表明：隨著減震層剪切模量的降低，隧道震害的影響減小。Chen等^[2]為驗證隧道減震層的作用，基于離心機試驗對比有無減震層的盾構隧道模型的減震效果，提出了減震層減震機理。馬雪等^[3]通過共振柱試驗和無約束共振試驗獲取高聚物注漿材料基本力學性質，基于有限元數值模擬軟件ABAQUS分析了高聚物外包層減震效果，結果表明：高聚物外包層具有良好的減震效果，可降低襯砌結構的拉應力。崔光耀等^[4]為提高高烈度地區隧道抗震性能，利用有限差分軟件研究了不同材料的減震效果，結果表明：鋼纖維混凝土高阻尼復合結構為最佳減震材料，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，因此需采用聯合減震方案。趙旭等^[6]基于振動臺試驗分析了松動圈以及減震層對隧道結構動力響應的影響，結果表明：松動圈以及減震層的設置可有效減小隧道附加應力，提高隧道結構的抗震性能。聞毓民等^[7]基于大型振動臺試驗驗證了減震層效能評定方法的準確性，結果表明：該方法可較好地評估減震層對襯砌結構的作用。

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

1 盾構隧道注漿技術與注漿材料研究

1.1 盾構隧道注漿技術

隨著盾構的掘進，盾構鋼殼與管片之間會形成環形空隙（即盾構鋼殼內徑＞管片外徑），若不對環形空隙進行處理，會使隧道周圍土體應力逐漸釋放，進而導致隧道周圍土體產生位移，地表出現沉降。為解決該類問題，在盾構掘進的過程中須采用同步注漿技術對盾尾空隙進行處理，在盾尾空隙及時填充漿液，有效防止巖土體坍塌。同步注漿技術的優勢如圖1所示。

1.2 注漿材料

注漿材料需滿足良好的穩定性、流動性以及合適的凝結時間等，基本要求有：（1）早期強度與最終強度較高；（2）流動性較好；（3）合理的稠度；（4）長期穩定性較好；（5）無污染，不對環境產生危害；（6）原材料成本較低、容易獲取；（7）漿液性能可根據工況進行動態調整。

表1為主要漿液種類及其相關性能表。

1.3 新型注漿材料

本文結合隧道結構以及盾構技術，提出采用新型注漿材料（橡膠-水泥基復合材料）改善注漿層的力學性能，使其發揮抗震效果。

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。

漿液凝結成石后測定其基本物理力學性能，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，與常規材料相比，新型注漿材料抗壓強度與抗折強度均有不同程度的提高，值得注意的是，由于橡膠的摻入，新型材料達到峰值應力后，其韌性指數明顯增加，并未出現普通注漿材料破壞后的強度陡降階段。

2 有限元模型的建立

本節主要針對新型注漿材料改良后注漿層的減震效果進行研究，基于Midas有限元數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 阻尼及邊界設置

2.1.1 阻尼

為研究隧道結構的動力響應特征，阻尼采用瑞利阻尼（正交阻尼）。

2.1.2 人工邊界

動力計算中常用的邊界分為兩類：黏性邊界與自由場邊界，黏性邊界可通過設置自由阻尼對入射波進行吸收，從而提高數值計算的準確性，因此確定黏性邊界為人工邊界。

2.2 地震波處理

將中高頻波段進行濾除，并對加速度時程進行基線校正，圖3為本文采用的Kobe地震波，7 s時達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 材料本構選取

表3為材料本構模型表。

2.4 細觀參數的確定

細觀參數的大小影響著數值模擬結果的準確性，因此確定合理的細觀參數是保證數值模擬準確性的前提，同時由于Midas的數值模擬軟件并未給出細觀參數與宏觀力學參數之間的定量關系，因此本文依據相關規范確定細觀參數，表4、表5分別為材料參數與土層物理力學參數表。

2.5 三維模型的建立

本文研究以盾構隧道勘察資料為基礎，建立簡化的三維模型，其具體參數如下：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。注漿減震層布設于隧道襯砌與圍巖之間。整體模型共有63 200個單元、26 300個節點。圖4為數值計算模型圖，圖5為斷面監測點布置圖。

3 減震層剛度對隧道動力響應的影響

注漿減震層布設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隧道動力響應特征。因此，本節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力的影響，表6為具體工況表。

3.1 加速度響應特征

表7、表8分別為在地震作用下管片各測點的加速度峰值表。

由表7、表8可知，在設置減震層（新型注漿材料）后X向與Z向的加速度峰值有所減小，同時可以發現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最為明顯，Z向地震作用下拱底對加速度響應最為明顯。

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，未設置減震層的隧道管片橫向位移較大，其位移峰值出現于拱頂處，最大值為-79.9 mm。當設置減震層后，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 應力分析

3.3.1 X向應力分析

圖7為X向地震作用下不同剛度減震層的最大主應力與最小主應力示意圖。

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

3.3.2 Z向應力分析

圖8為Z向地震作用下不同剛度減震層的最大主應力與最小主應力示意圖。

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

4 減震層厚度對隧道動力響應的影響

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

4.1 加速度響應特征

X向地震作用下橫向加速度峰值出現在拱肩處，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 結語

本文通過對盾構隧道中新型注漿材料的抗震性能進行研究，利用新型注漿材料（橡膠-水泥基復合材料）改良注漿層，進而使其達到減震效果，同時采用有限元數值模擬軟件Midas，分析不同減震注漿層剛度和層厚對隧道動力響應的影響，得到如下主要結論：

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

參考文獻：

[1]KONAGAI K，KIM D S.Simple evaluation of the effect of seismic isolation by covering a tunnel with a thin flexible material[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2001，21（4）： 287-295.

[2]CHEN Z Y，SHEN H.Dynamic centrifuge tests on isolation mechanism of tunnels subjected to seismic shaking[J].Tunneling and Underground Space Technology，2014，42（5）：67-77.

[3]馬 雪，王復明，郭成超，等.基于高聚物動模量的兩種試驗及其外包隧道減震研究[J].地震工程與工程振動，2022，42（4）：191-199.

[4]崔光耀，石文昊，王道遠，等.高烈度地震區跨導熱斷層隧道隔熱減震技術研究[J].現代隧道技術，2022，59（6）：70-76，85.

[5]謝 軍，段 龍，梁金曉，等.隧道-土-地表建筑相互作用體系的減震分析[J].現代隧道技術，2022，59（3）：136-145.

[6]趙 旭，黎若寒，陶連金，等.松動圈及減震層對隧道地震響應影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2018，37（S1）：3 310-3 319.

[7]聞毓民，信春雷，申玉生，等.隧道襯砌結構減震層效能評定方法的振動臺試驗研究[J].振動與沖擊，2022，41（5）：197-207.

[8]趙冰冰.瀝青系盾構隧道壁后注漿材料隔震性能研究[D].成都：西南交通大學，2020.