高烈度区域隧道工程的抗震分析及措施

赵东寅,陈立强,李兴国

(1.紫金矿业集团紫金山金铜矿, 福建上杭县 364200;2.Mcc Resources Development Company LTD , Pakistan)

高烈度区域隧道工程的抗震分析及措施

赵东寅1,陈立强2,李兴国2

(1.紫金矿业集团紫金山金铜矿, 福建上杭县 364200;2.Mcc Resources Development Company LTD , Pakistan)

用静力法定性分析了隧道在典型的Ⅷ度和Ⅸ度地震烈度下,不同埋深下的整体破坏模式,并采用ansys软件研究分析了某高烈度区域隧道设计各埋深段的安全系数,针对隧道设计提出了有关抗震的指导性建议。

地震带;烈度;抗震分析;荷载结构法;抗震措施

某设计拟建隧道项目处于地震带,新构造运动非常强烈,历史上曾经发生过强烈的地震,现今小震与弱震活动也很频繁,是我国重点监视的主要地震活动区之一。基本地震动峰值加速度系数为0.20g(基本列度为Ⅷ度),局部区域地震动峰值加速度达到0.40g(基本烈度大于等于Ⅸ度)。因此对该区段的隧道应进行专门的抗震设计。

1 隧道抗震计算分析

1.1 基本假定及简化方法

目前,关于隧道抗震计算方法有动力法和静力法两种。由于静力法计算结果与一些宏观震害调查情况较为接近,其抗震加强措施和范围与非震区隧道衬砌比较,一般也大体合理。而且静力法计算较为简便,考虑到目前隧道围岩压力计算理论,尚待进一步探索,因此,在隧道抗震验算中,采用更精确的计算方法,其实际意义不大。故目前隧道抗震计算一般采用静力法。

采用ansys10.0建立荷载结构模型,洞身使用beam3单元,围岩采用plane42平面单元,围岩与结构的相互作用采用combin14弹簧单元模拟。考虑到直接施加荷载到洞身建模繁琐且困难,逐采取在洞身四面各延伸0.5m,做平面单元。通过平面单元把水平荷载和竖直荷载传递到洞身。

计算过程和方法:采用成熟的荷载结构法,在初次计算后,将所有受拉弹簧全部取消,再次计算,直到所有围岩与洞身相互作用弹簧均为受压状态时,计算结束。

荷载结构法基本假定如下:

(1)假定衬砌为小变形弹性梁,衬砌为足够多个离散等厚度直梁单元;

(2)用弹簧单元模拟围岩和结构的相互作用,弹簧单元受压不受拉,弹性抗力系数由基础的局部变形理论确定;

(3)隧道衬砌底部竖向反力为地面荷载、土压、水压以及结构自重;

(4)隧道为长细结构,用平面应变模式分析。

1.2 计算模型及荷载

隧道抗震ansys计算模型及荷载见图1、图2。

图2 隧道荷载

图2中,e1为正常围岩隧道顶部压力,N/m;e2为正常围岩隧道底部压力,N/m;F1为地震时衬砌自重在水平地震系数作用下的惯性力,N/m;Δe1为地震荷载引发的围岩压力上部增量,N/m;Δe2为地震荷载引发的围岩压力下部增量,N/m;q为围岩竖直压力,N/m;qq为围岩底部竖直支反力,q+衬砌重量,N/m;F为隧道顶部土柱惯性力,N。

洞身单元:面积0.37m2,梁高0.74m,中心轴惯性距0.0169,梁宽0.5m。C25混凝土弹性模量28.5e9Pa,泊松比0.2,重度25kNn/m3。围岩特性:采用五类围岩特性,重度18.5kN/m3,泊松比0.4,计算摩擦角45°,内摩擦角25°,弹性模量1.5e9Pa,粘聚力0.15MPa。围岩与洞身相互作用弹性抗力系数150MPa/m。混凝土抗压设计强度13.5e6Pa,极限弯曲抗压强度24.2e6Pa,极限抗压强度19e6Pa。钢筋抗压或抗拉设计强度268e6Pa。

对于隧道,受力主要以偏心受压为主。其中以曲墙和仰拱过渡部位和仰拱处受力最大,选取这两处最大受力部位验证配筋。

1.3 计算结果

隧道规范中规定:要求钢筋混凝土中混凝土达到极限抗压或抗剪强度,钢筋达到计算强度时,在永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载作用下,需要保证1.7的安全系数,以此验证现有二次衬砌配筋。初期支护和二次支护荷载分担比例,五级围岩条件下,二次衬砌按分担30%考虑。原衬砌配筋主筋为Φ18一级钢筋,间距25cm,不同条件下的计算结果见表1、表2。

表1 地震烈度为8度时各埋深段二衬受力计算结果

表2 地震烈度为9度时各埋深段二衬受力计算结果

2 高震区采取的抗震措施

(1)考虑到一次衬砌加锚杆支护有利于抗震设防,建议隧道浅埋段加强初次支护,适当加厚喷射混凝土厚度,喷射混凝土中加入钢纤维,并施加双层钢筋网。

(2)考虑到衬砌自重在围岩压力荷载的贡献,建议在满足强度要求的条件下,在隧道浅埋段采用轻骨料混凝土,尤其在体积占有较大的二次模注混凝土。避免结构自身在高烈度时产生较大惯性力。

(3)可能发生崩塌、膨胀性地压、集中涌水等断层破碎带等围岩条件时,要尽力防止衬砌的剥落,在衬砌和仰拱中加人钢纤维等加强措施。其次,在横穿活动性大的活断层时,除加强衬砌以外,还要考虑因地震而造成隧道错动时能及时修复的结构措施。

(4)隧道的震害多为发生在坡面灾害引起的洞门或洞口附近的衬砌变异、崩塌等。原因是洞口附近埋深小,地质条件差。易受周边围岩地震力的影响,地震时会发生偏压等作用。因此,在进行洞口段设计时,应尽量避免在洞口进行大的挖方。必要时,最好把洞口向前延伸,或者修筑抗滑桩、落石防护装置等。

(5)在大的地震烈度下,结构自身的抗震能力是抵御较大破坏的主要保证,在此基础上考虑在衬砌后设置大阻尼材料减震层或采用聚合物混凝土,增加混凝土的柔韧性、弹性和阻尼,降低压缩波和剪切波的能量和主作用周期,也是非常有意义且可行的。

(6)隧道内配置柔性接头,即在断层区域及浅埋段加大变形缝的设置,以使结构物的刚性变小来减轻在结构物中发生的地震力。

(7)在断层地段采用压浆、打桩等措施加强基础在地震荷载作用下的稳固,防止出现过大的变形。

3 结 论

(1)结构安全系数随埋深增加在逐渐递减的情况下(浅埋区域),深埋段(35m)地震荷载作用下安全系数突然提升,结果接近15m埋深时的情况。现有规范在地下结构抗震方面无法准确反应随着埋深的增加,安全系数逐渐增大的情况,但从深埋和浅埋比较可以看出,深埋隧道较浅埋隧道抗震方面更加有利。因此做好浅埋段的隧道抗震工作是隧道抗震的主要方向。

(2)原设计配筋,在正常围岩压力下能满足结构使用要求,考虑到路面结构对曲墙以下衬砌的约束及结构的弹塑性,地震烈度为8度时满足规范安全系数要求。在地震烈度为9度时,现有结构配筋相对8度薄弱。因此对9度区浅埋段二次衬砌配筋需适当加强,防止衬砌过度压缩产生剥落,尤其要加强曲墙以下二次衬砌配筋。考虑到结构强度的提升是有限的,过大的提高结构强度势必造成结构自身的过大的重量,从而加大地震时的惯性力,造成更大的破坏。例如地震烈度从8度到9度,结构自身惯性力就增大了2倍。因此对于9度区结构抗震,设计中考虑适当加强结构强度,主要加强新材料和构造措施的应用(如:加大压浆措施,提高整体性等),在减震方面做好工作。从拱顶受力验算结果可以看到,无论地震烈度8度还是9度,曲墙以上现有配筋安全系数是得到保证的。

(3)正常围岩荷载下曲墙与仰拱连接过渡部位在结构安全性上往往要弱于仰拱,而在考虑地震荷载后仰拱在结构安全性上要弱于曲墙与仰拱连接过渡部位。

(4)地震烈度从8度到9度的计算,可以看到结构安全性系数降低幅度较大,8度时的安全性系数几乎是9度的1.4倍多。因此,当峰值地面加速度在0.15～0.45g时,隧道损害严重,当峰值地面加速度≫0.45g时,隧道损害非常严重。

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2009-12-31)