強震區(qū)跨斷層隧道纖維混凝土襯砌抗震效果分析

依托達萬高速某隧道F1斷層段，利用ABAQUS對隧道襯砌采用鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC）和鋼-玄武巖混雜纖維混凝土（Steel Basalt Hybrid Fiber Reinforced Concrete，簡稱SBHFRC）的抗震效果進行研究。

1 隧道F1斷層段概況

1.1 地質(zhì)條件

該斷層段分布于擬建隧道所穿越的背斜軸部西側(cè)，幾乎縱貫峨層山背斜全程，斷層走向與背斜軸向一致。呈N30~40°E展布，傾向NW，傾角35～75°，在隧址區(qū)內(nèi)其傾角在75°左右。上下盤均為砂巖（T1），Ⅳ級圍巖。破碎帶主要由斷層角礫和斷層泥組成，Ⅴ級圍巖，密實-半膠結(jié)狀。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

該隧道斷層段采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)。初支的厚度是0.25 m，其使用C20噴射混凝土。二襯的厚度為0.45 m，其使用C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計算模型

研究背景為某隧道F1斷層段，以該背景建立計算模型。本文結(jié)構(gòu)采用Mohr-Coulomb準則為屈服強度準則。隧道縱向開挖深度為100 m，埋深40 m，隧道基巖厚20 m。隧道左右兩側(cè)寬度取4~5倍洞寬（約為38 m），斷層的傾角為75°，破碎帶寬度為11 m。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

Fig.1 Calculation model

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)試驗相關(guān)結(jié)果以及材料參數(shù)參考實際地勘資料，計算參數(shù)見表1。

表1 計算模型參數(shù)

2.3 計算工況

計算工況見表2。

2.4 動力參數(shù)

本文模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，模型底面與四周采用無限元邊界并限制其所有自由度，頂面無約束。地震波3個方向（x，y，z）同時從模型底部向上部傳遞。地震波選取汶川地震中（臥龍測站）所測的加速度波，根據(jù)7度地震烈度標準化，持續(xù)時間為15 s。校正濾波和基線后，處理后加速度時程曲線如圖2所示（以x向為例）。

圖2加速度時程曲線圖

Fig.2 Acceleration time history curve

2.5 測點布置

該模型共11個監(jiān)測斷面，間距10 m，從中提取各斷面8個測點的位移、應力等數(shù)值分析抗震效果，測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置

Fig.3 Arrangement of measuring points

3 抗震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

提取各工況斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)的位移云圖[14]，如圖4~6所示。提取工況2和工況3襯砌位移最大值并分析抗震效果（與工況1對比），見表3。

（a）C25                      （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖4 二襯結(jié)構(gòu)橫向位移云圖

Fig.4 Cloud diagram of lateral displacement of secondary lining structure

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖5 二襯結(jié)構(gòu)縱向位移云圖

Fig.5 Cloud diagram of longitudinal displacement of the secondary lining structure

（a）C25                      （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖6 二襯結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

Fig.6 Vertical displacement cloud diagram of the secondary lining structure

3.2 內(nèi)力分析
由表3可知，素混凝土（工況1）的最大橫向、縱向、豎向位移分別為11.06，10.47 ，4.70 mm。當二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土（工況2~ 3）材料之后，整體的最大位移值有所上升。當二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC材料時最大橫向、縱向、豎向位移分別為12.45 ，10.62 ，3.11 mm，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)橫向位移增大12.57%，縱向位移增大1.43%，豎向位移減小33.78%；當二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC材料時最大橫向、縱向、豎向位移分別為11.80 ，12.81 ，5.89 mm，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)橫向位移增大6.69%，縱向位移增大22.35%，豎向位移增大25.32%。

3.2.1 主應力分析

各工況破碎帶段隧道的主應力云圖如圖7~8所示。根據(jù)襯砌的最大、最小主應力計算工況2~3的抗震效果（相較于工況1），見表4。

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖7 二襯結(jié)構(gòu)主應力最大值云圖

Fig.7 Cloud diagram of the maximum principal stress of the second lining structure

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖8 二襯結(jié)構(gòu)主應力最小值云圖

Fig.8 Cloud diagram of the minimum principal stress of the secondary lining structure

由表4可知，素混凝土二襯結(jié)構(gòu)（工況1）最大、最小主應力分別為2.53 ，-8.33 MPa。當二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土后，整體應力值有所增大。二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC材料（工況2）時，最大、最小主應力分別為3.19 ，-9.97 MPa，相較于素混凝土分別增大26.14%，19.77%；二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC材料（工況3）時，最大、最小主應力分別為2.61 ，-8.51 MPa，相較于素混凝土分別增大了3.33%，2.17%。

3.2.2 剪應力分析

各工況襯砌結(jié)構(gòu)剪應力云圖如圖9所示。提取襯砌結(jié)構(gòu)剪應力最大值，進而計算工況2~3的抗震效果（相較于工況1），見表5。

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

圖9 二襯結(jié)構(gòu)剪應力云圖

Fig.9 Shear stress cloud diagram of secondary lining structure

由表5可知，素混凝土二襯結(jié)構(gòu)（工況1）最大剪切應力為8.07 MPa。當二襯結(jié)構(gòu)采用纖維混凝土時（工況2~3），最大剪切應力分別為9.75 ，8.25 Mpa，相較于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)分別增大了20.91%，2.32%。

3.2.3 安全系數(shù)分析

通過計算結(jié)果得到各個監(jiān)測點的量測數(shù)據(jù)，從而由公式（1）~（2）計算出各監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)并提取出各監(jiān)測點的安全系數(shù)最小值[15]，并計算其抗震效果（相較于工況1），如式（1）~（2）所示：

                     

式中： N為軸力，N； α為軸向力偏心影響系數(shù)；

b為截面寬度，取1 m；

h 為截面厚度，m；

R_a為混凝土抗壓極限強度，MPa；

     φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；

R1為混凝土抗拉極限強度，MPa；

K為安全系數(shù)。

監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)及抗震效果見表6。

表6 監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)及抗震效果

Table 6 Minimum safety factor and seismic effect of monitoring section

由表6可知，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，當采用纖維混凝土材料后，最小安全系數(shù)均大于素混凝土二襯結(jié)構(gòu)，其抗震效果顯著提升。當二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時最小安全系數(shù)大于結(jié)構(gòu)采用SFRC時的最小安全系數(shù)。在斷層破碎段，二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC相較于采用素混凝土抗震效果提升59.72%，二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC相較于采用素混凝土抗震效果提升54.74%。

4 結(jié)論

1）從結(jié)構(gòu)位移的方面來看，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，當采用SFRC二襯結(jié)構(gòu)時，其橫向位移增大12.57%，縱向位移增大1.43%，豎向位移減小33.78%；當采用SBHFRC二襯結(jié)構(gòu)時，其橫向位移增大6.69%，縱向位移增大22.35%，豎向位移增大25.32%。

2）由主應力分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用纖維混凝土材料后其主應力有所增大。當二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC時最大、最小主應力分別增大了26.14%，19.77%；當二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時，最大、最小主應力分別增大了3.33%，2.17%。

 3）由剪切應力分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，采用纖維混凝土后其最大剪切應力有所增大。當二襯結(jié)構(gòu)采用SFRC時，其最大剪切應力提高了20.91%；當二襯結(jié)構(gòu)采用SBHFRC時，其最大剪切應力提高了2.32%。

 4）由結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)分析可得，相較于二襯結(jié)構(gòu)采用素混凝土材料，當采用纖維混凝土二襯結(jié)構(gòu)后安全系數(shù)有明顯提升，SFRC襯砌抗震效果增值在45.47%~59.72%之間，SBHFRC襯砌抗震效果增值在49.69%~54.74%之間。