浅埋小净距偏压隧道地震响应特性与承载力安全分析*

黄 娟，彭立敏，雷明锋，施成华，赵 丹

(中南大学土木工程学院，湖南 长沙，410075)

近几十年，随着地下结构数量的增多和震害的频繁出现，地下结构的抗震问题越来越受到国内外学者的关注［1－2］。特别是“5.12”汶川特大地震发生后更是掀起了国内对隧道结构抗震研究的热潮［3－4］。王学英等［5］采用 ABAQUS 软件对圆形隧道洞身在纵向正弦地震波作用下的内力变化情况进行了计算分析，结果表明衬砌结构内力时程曲线形态受内力值的正负影响;周健等［6］通过建立的二维动力有限元模型，对武汉长江隧道工程盾构段的危险控制横断面进行了动力分析，得出了一些有价值的结论;高峰等［7－8］一批隧道及地下工程专家对高烈度地震区地下结构减震技术也进行了研究。但是，这些研究成果都是针对非偏压隧道结构的，而关于偏压隧道结构的地震响应特性和地震动力稳定性的研究较少，特别对于浅埋、小净距、偏压隧道结构的研究更是很少涉及。浅埋小净距偏压隧道由于覆岩土体薄弱，土体稳定性较差，而且结构承受着明显的不对称围岩压力，与一般的非偏压隧道结构相比，其在地震荷载作用下的动力稳定性会更差，相应的动力特性也会有所不同。本文作者结合闻垣高速公路大虎峪1号偏压隧道，采用FLAC有限差分模型对浅埋小间距偏压隧道的地震响应特性进行研究，以便为类似偏压隧道的抗震设计与施工提供参考。

1 工程概况

大虎峪1JHJ隧道位于山西省绛县冷口乡大虎峪村，为闻垣高速公路上的一座四车道双洞分离式隧道，左洞起讫里程K24+080～K24+413，长333 m。其中洞身IV级围岩250 m，V级围岩83 m;右洞起讫里程YK24+080～YK24+410，长330 m，其中IV级围岩270 m，V级围岩60 m。隧道左右洞净距从闻喜端向济源端逐步扩大，闻喜端16 m，济源端19.5 m，整个隧道按照小净距隧道考虑。隧道隧道内轮廓采用三心圆形式，单洞净跨约13.5 m。隧道洞身基岩为太古界混合花岗片麻岩，遭受过多次地质构造运动，根据《中国地震动参数区划图》(GB 180036—2001)，场地地震动峰值加速度为0.1g。

2 计算模型

2.1 计算范围及网格划分

选取大虎峪1号隧道洞口段埋深较浅、围岩条件差(Ⅴ级)的典型断面进行横向地震响应分析。模型计算范围水平方向上自隧道中心位置向外侧分别取42 m，垂直方向上自隧道中心位置向下取44 m(约相当于3.5倍洞跨高度)，向上取至地表。计算模型网格如图1所示。

图1 计算模型网格Fig.1 Computational model meshing

2.2 材料本构关系与物理参数

土层材料性质采用弹塑性本构关系，划分为四节点平面应变单元，材料特性采用弹塑性增量本构和Mohr－Coulomb屈服准则描述;二次衬砌采用弹性曲梁单元模拟。为避免锚杆设置对动力分析时步的影响，计算中锚杆对围岩的加强作用通过提高锚固区围岩的力学参数来模拟。

土层及支护结构的材料采用《大虎峪1号隧道设计说明》给定值取值，相关物理力学参数见表1。

表1 围岩和衬砌结构的力学参数Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and lining

2.3 动力边界

为消除散射波在截断边界上的反射，较好地模拟远场地球介质的弹性恢复性能，模型两侧和底部分别采用自由场边界和Lysmer等［9］提出的粘滞边界。

2.4 地震波输入

计算输入的地震激励如图2所示，它是基于1989年Loma Prieta实测地震加速度时程(即Loma波)，并根据大虎山隧道区场地特征调幅至0.10g获得。已有研究表明，地震波入射方向对衬砌结构的动力响应影响较大，对于同一种地震波，衬砌结构在地震波水平入射条件下的受力情况要比在地震波垂直入射条件下的更为不利。基于此，计算时地震激励从模型底部沿水平方向输入。

图2 地震波加速度时程Fig.2 Acceleration history of inputted seismic wave

3 计算结果分析

3.1 轴力响应

衬砌结构典型部位的轴力时程曲线见图3，地震作用5.0 s时的衬砌轴力分布见图4。地震荷载作用下衬砌结构各部位轴力变化结果见表2。

图3 衬砌结构的轴力时程Fig.3 Axial force history of the lining structures

图4 衬砌结构的轴力分布Fig.4 Axial force distribution of the lining structures

表2 地震荷载作用下衬砌结构轴力变化Table 2 Axial force of the lining structures under seismic loading kN

从图3、图4和表2可以看出:埋深较深的右洞衬砌结构的轴力及轴力增幅整体上要比埋深较浅的左洞衬砌结构的大;在地层偏压情况下，地震作用过程中衬砌结构各部位的轴力分布不均，左洞衬砌轴力绝对增量最大约920 kN，发生在右侧边墙附近，右洞衬砌轴力绝对增量最大约1220 kN，发生在左侧拱肩附近;地震荷载对边墙及边墙以下底部结构的轴力影响较大。

3.2 剪力响应

衬砌结构典型部位的剪力时程曲线见图5，地震作用5.0 s时刻的衬砌轴力分布见图6，地震荷载作用下衬砌结构的剪力变化情况如表3所示。

图5 衬砌结构的剪力时程Fig.5 Shear force history of the lining structures

图6 衬砌结构的剪力分布Fig.6 Shear force distribution of the lining structures

表3 地震荷载作用下衬砌结构剪力变化Table 3 Shear Force of the Lining Structures under Seismic Loading kN

从图5、图6和表3可以看出:左洞衬砌结构的剪力与右洞衬砌结构的剪力分布规律相差较大;在地震荷载作用下，埋深较浅的左洞衬砌结构的剪力及剪力增幅整体上要比埋深较深的右洞衬砌结构的大，其中左洞衬砌的剪力绝对增量最大约158 kN，发生在左侧边墙附近，右洞衬砌的剪力绝对增量最大约70 kN，发生在结构顶部及左侧拱肩部位;地震荷载对结构起拱点以上顶部的剪力影响较大，特别是左右隧道相邻侧的拱肩和拱顶等部位。

3.3 弯矩响应

衬砌结构典型部位的剪力时程曲线见图7，地震作用5.0 s时刻的衬砌轴力分布见图8，地震荷载作用下衬砌结构的弯矩变化情况见表4。

表4 地震荷载作用下衬砌结构弯矩变化Table 4 Bending moment of the lining structures under seismic loading kN·m

图7 衬砌结构的弯矩时程Fig.7 Bending moment history of the lining structures

图8 衬砌结构的弯矩分布Fig.8 Bending moment distribution of the lining structures

分析图7、图8及表4可知:埋深较浅的左洞衬砌结构的弯矩总体上要比埋深较深的右洞衬砌结构的弯矩大。地震荷载作用下，左洞衬砌弯矩绝对增量最大约300 kN·m，发生在左侧拱脚;右洞衬砌弯矩绝对增量最大约67 kN·m，发生在左侧拱脚;从弯矩分布来看，左、右两洞衬砌结构的弯矩分布不均，弯矩较大部位集中在两洞拱肩和拱脚部位;对于左洞隧道，在左侧拱肩和右侧拱脚位置，衬砌结构为外部受拉，在右侧拱肩和左侧拱脚部位为内侧受拉，在仰拱部位为内侧受拉;对于右洞隧道而言，在两侧拱肩和拱脚位置，衬砌结构均为外部受拉，在仰拱部位为内侧受拉。从结构弯矩增幅来看，地震荷载对埋深较浅的左洞衬砌结构的受力更为不利，其中不利部位主要分布在拱肩和拱脚等位置。

3.4 动力安全系数

为了保证衬砌结构安全性，在算出隧道衬砌结构的内力后，应进行强度检算。对于混凝土偏心受压构件的受压构件的抗压强度应满足下式［10］:

按抗裂要求，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应满足下式:

式中:K为结构或构件的安全系数;e0为轴向力偏心距;N为轴向力;Ra为混凝土或砌体的抗压极限强度;b，h分别为截面的宽度和厚度;φ和α分别为构件的纵向弯曲系数和偏心影响系数，按公路隧道设计规范取值。

通过式(1)和(2)可得到任一时刻衬砌结构的安全系数，计算结果见表5。

表5 地震荷载作用下衬砌结构的安全系数KTable 5 Safety coefficient of the lining structures under seismic loading

从表5可知:埋深较深的右洞，其衬砌结构各部位的安全系数均满足规范规定的承载力安全要求，也就是衬砌结构满足抵抗地震荷载的抗压、抗拉强度要求;而埋深浅的左洞除仰拱、及右侧拱脚，其他结构部位均不满足抵抗地震荷载的强度要求;地震荷载对埋深浅的洞室稳定性影响较大。地震荷载作用下，左洞最不安全部位为左侧拱脚附近，右洞最不安全部位为右侧拱脚附近。

4 结论

(1)水平地震荷载致使左、右两洞衬砌结构的内力不同程度增长。就轴力而言，埋深较深的右洞衬砌结构的轴力及轴力增幅要比埋深较浅的左洞衬砌结构的大;而剪力和弯矩则相反。

(2)衬砌结构的地震响应、受力状态与地形条件密切相关。在两洞埋深差异较大的情况下，埋深较浅的左洞的地震响应明显比右洞剧烈，其受力要比右洞更为不利。

(3)位于埋深较深侧的右洞满足抗震强度要求，而位于埋深较浅侧的左洞不满足抗震的强度要求，需要采取一定的抗震加固措施。在偏压隧道抗震设计中，浅埋侧衬砌结构抗震性能应是设计的关键控制点。

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