高烈度跨斷層隧道剛性抗震技術研究

0 研究情況

0.1 計算模型

根據隧道現有的工程數據建立計算模型。本模型屈服強度采用Mohr-Coulomb準則。隧道縱向開挖深度為100m，隧道左右兩側寬度取4-5部洞寬，因此開挖寬度約為38m，埋深40m，隧道的基巖從底部到頂部為20m厚，斷層的傾角為75°，破碎帶寬度為11m。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[11]，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

Fig.1 Calculation model

0.2 計算參數

該隧道減震層材料使用海綿橡膠板，減震層設置在初支和二襯之間。計算參數由實際地勘資料和相關試驗結果提供，計算參數如表1所示。

表1 計算模型參數

Table1 Calculation parameters

參數	重度/（kN/m3)	彈性模量/GPa	泊松比	內摩擦角/（°）	粘聚力/MPa
上下盤Ⅳ級圍巖	22.0	5.0	0.3	35.0	0.5
破碎帶Ⅴ級圍巖	20.0	2.0	0.4	25.0	0.2
基巖Ⅱ級圍巖	25.0	20.0	0.2	50.0	1.5
初支	22.0	28.0	0.2	-	-
SFRC	25.0	38.0	0.2	-	-
減震層	10.0	0.3	0.3	5.0	5.0

0.3 計算工況

為研究強震區隧道跨斷層段施加減震層的抗震效果，分別取不設減震層（工況1）和采用SFRC二襯并在初支二襯之間設減震層（工況2），減震層厚度為10cm。計算工況如表2所示。

表2 計算工況

Table 2 Calculation conditions

工況	計算內容
1	C25素混凝土二襯
2	鋼纖維混凝土（SFRC）二襯加減震層

注：SFRC（CF25，42 kg/m3）。

0.4 動力參數

本模型是理想的彈塑性本構模型。在常規的動態加載方法中，地震波三個方向（x，y，z）同時從模型底部向上部傳遞。持時15s的汶川地震波按7度地震烈度標準化。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

0.5 測點布置

模型共有11個監測斷面，分別為S1-S11，間距均為10m，各斷面均取8個測點（如圖所示），測點位置如圖3所示。

圖3 測點布置圖

Fig.3 Arrangement of measuring points

1 抗震效果分析

1.1 結構位移分析

提取各工況跨斷層段隧道襯砌結構的位移云圖，如圖4-圖6所示。提取工況2襯砌各項位移最大值和工況1相較，進而分析抗震效果，如表3所示。

圖4 二襯結構橫向位移云圖

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

（a）工況1                  （b）工況2

圖5 二襯結構縱向位移云圖

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

（a）工況1                      （b）工況2

圖6 二襯結構豎向位移云圖

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

表3 二襯結構最大位移值及抗震效果

Table 3 Maximum displacement value and seismic effect of the secondary lining structure

工況	橫向位移		縱向位移		豎向位移
	最大值/mm	減震效果/%	最大值/mm	減震效果/%	最大值/mm	減震效果/%
1	28.83	-	26.19	-	9.64	-
2	192.40	-567.36	62.96	-140.40	17.76	-84.23

由表3可知，工況1的最大橫向、縱向、豎向位移分別為28.83mm，26.19mm及9.64mm。當二襯結構使用鋼纖維混凝土并施加減震層后，整體的最大位移值有所上升。工況2的最大橫向、縱向、豎向位移分別為192.40mm、62.96mm、17.76mm，相較于工況1橫向位移增大567.36%，縱向位移分別增大140.40%，豎向位移增大84.23%。

1.2 內力分析

1.2.1 主應力分析

各工況跨斷層段隧道的主應力云圖如圖7和圖8所示。提取工況2襯砌最大、最小主應力和工況1相較，進而分析抗震效果，如表4所示。

（a）工況1                  （b）工況2

圖7 二襯結構主應力最大值云圖

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

（a）工況1                  （b）工況2

圖8 二襯結構主應力最小值云圖

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

表4 主應力及抗震效果

Table 4 Principal stress and seismic effect

工況	最大主應力		最小主應力
	最大值/MPa	抗震效果/%	最大值/MPa	抗震效果/%
1	6.58	-	-3.63	-
2	2.56	+61.09	-4.24	-16.80

由表4可知，工況1最大、最小主應力分別為6.58MPa、-3.63MPa。當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，最大主應力值有所減小，最小主應力值有所增大。工況2最大、最小主應力分別為2.56MPa、-4.24MPa，相較于工況1最大主應力減小了61.09%，最小主應力增大了16.80%。

1.2.2 剪應力分析

各工況襯砌結構剪應力云圖如圖9所示。提取工況2和工況3襯砌最大剪應力和工況1相較，進而分析抗震效果，如表5所示。

（a）工況1                  （b）工況2

圖9 二襯結構剪應力云圖

Fig.9 Shear stress cloud diagram of secondary lining structure

表5 最大剪應力及抗震效果

Table 5 Maximum shear stress and seismic effect

工況	最大剪應力/MPa	抗震效果/%
1	14.25	-
2	5.15	+63.86

由表5可知，工況1最大剪切應力為14.25MPa。當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，整體剪應力值有所減小。工況2最大剪應力為5.15MPa，相較于工況1減小了63.86%。

1.2.3 安全系數分析

提取各個工況監測點的量測數據，由公式（1-2）計算出各監測點的結構安全系數并提取出各監測點的安全系數最小值[12]，從而計算相較于工況1的抗震效果，如表6所示。

式中： N—軸力；

α—軸向力偏心影響系數；

b—截面寬度，取1 m；

h —截面厚度；

Ra—混凝土抗壓極限強度；

φ—構件縱向彎曲系數；

R1—混凝土抗拉極限強度；

K—安全系數。

表6 監測斷面最小安全系數及抗震效果

Table 6 Minimum safety factor and seismic effect of monitoring section

斷面編號	工況1	工況2	抗震效果/%
S1	0.27	4.64	1618.52
S2	0.26	28.14	10723.77
S3	0.30	9.84	3180.00
S4	0.38	8.02	2010.53
S5	0.40	9.31	2227.50
S6	0.42	15.74	3647.62
S7	0.40	11.95	2887.50
S8	0.38	11.37	2892.11
S9	0.34	11.58	3305.88
S10	0.29	14.90	5037.93
S11	0.24	4.58	1808.33

由表6可知，當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，最小安全系數均大于素混凝土二襯結構，其抗震效果顯著提升。當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層的安全系數基本都大于二襯結構采用鋼纖維混凝土的安全系數。本文主要研究隧道跨斷層抗震效果，S6為隧道跨斷面，可知二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層相較于素混凝土抗震效果提升3647.62%。

2 結論

（1）從結構位移的方面來看，相較于工況1，當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，其橫向位移增大567.36%，縱向位移增大140.40%，豎向位移增大84.23%。

（2）由主應力分析可得，相較于工況1，當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，最大主應力減小了61.09%，最小主應力增大了16.80%。

 （3）由剪切應力分析可得，相較于工況1，其剪應力均有所減小。當二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層后，最大剪切應力減小了63.86%。

 （4）由結構的安全系數分析可得，相較于工況1，安全系數均有明顯提升。取S6斷面分析，二襯結構采用鋼纖維混凝土并施加減震層相較于素混凝土抗震效果提升3647.62%。