罕遇地震隧道动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋技术

崔光耀，赵瑞华，刘维东，王明年，林国进

（1.北方工业大学建筑工程学院，北京 100144；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；3.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，成都 610041）

罕遇地震隧道动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋技术

崔光耀1，赵瑞华1，刘维东1，王明年2，林国进3

（1.北方工业大学建筑工程学院，北京 100144；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；3.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，成都 610041）

为改变隧道洞口段抗震“大震偏弱”的现状，引入了二衬防垮塌单层配筋抗震技术，与传统的双层配筋抗震技术相配合，共同进行隧道动力学洞口段的抗震设防设计。根据公路和铁路隧道现行抗震规范规定，提出了隧道动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋准则，并利用有限差分数值模拟技术研究了防垮塌抗震配筋适用范围，研究结果表明：设防烈度7度情况下，洞口浅埋段采用单层配筋抗震技术，洞口影响过渡段不需采取抗震设防措施；设防烈度8度情况下，洞口浅埋段采用双层配筋抗震技术，洞口影响过渡段采用单层配筋抗震技术；设防烈度9度况下，洞口浅埋段和洞口影响过渡段均采用双层配筋抗震技术进行抗震设防。研究成果对隧道动力学洞口段抗震技术的发展具有重要的意义。

罕遇地震；动力学洞口段；防垮塌；单层配筋；双层配筋

我国隧道大量修建在20世纪90年代以后，2008年5月12日前尚未经受过破坏性地震的考验。我国公路和铁路隧道抗震设防现行规范是《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004－89）和《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）隧道部分，两规范中均规定隧道洞口浅埋段为抗震设防地段，通常采用二衬双层配筋进行抗震设防［1－2］。

汶川地震前，多遇地震或设防地震情况下隧道震害表明：洞口浅埋段（抗震设防段）隧道结构无震害或可维修轻微震害，无衬砌垮塌或围岩垮塌等严重震害；普通段隧道基本无震害［3－4］。

动力学隧道洞口段包括洞口浅埋段（静力学洞口段）和洞口影响过渡段［5－6］。

5.12汶川地震对我国隧道进行了一次实实在在的检验，在这次地震中首次出现了隧道受到严重破坏的情况，如龙溪隧道F8断层段出现了围岩垮塌的严重震害，堵塞了隧道。汶川地震隧道震害表明：罕遇地震情况下，隧道洞口浅埋段由于采取了抗震设防措施（双层配筋），二衬仅出现开裂、渗水，混凝土剥落、掉块，施工缝开裂等震害，未出现二衬垮塌、围岩垮塌等严重的震害类型；隧道洞口影响过渡段出现了二衬垮塌的严重震害类型，如龙溪隧道洞口影响过渡段二衬垮塌严重（图1）［5－8］。

图1 龙溪隧道洞口影响过渡段二次衬砌垮塌Fig.1 Secondary lining collapse of Longxi tunnel portal transition section

综上所述，多遇地震或设防地震情况下，现行隧道抗震设防规范是偏于安全的。罕遇地震情况下，隧道洞口浅埋段出现了较严重的震害，但未出现二衬垮塌等危害洞内人员和车辆安全的严重震害；隧道洞口影响过渡段出现了二衬垮塌等危害行车安全的严重震害。也即现行隧道动力学洞口段抗震处于“大震偏弱”的状态，未满足“大震不垮”的设防目标。为解决这一难点，引入单层配筋抗震技术，与双层配筋抗震技术相配合，共同进行抗震设防设计。

单层配筋指仅在二衬临空面侧布置钢筋，其作用主要是环箍和拉扯震时碎裂的混凝土块，尽可能减小震时二衬垮塌的范围和程度，保护洞内人员和车辆的安全。单层配筋与双层配筋的区别：单层配筋是构造配筋；双层配筋是受力配筋。单层配筋构造示意如图2所示。

目前，隧道抗震措施主要是加强配筋、提高衬砌混凝土标号及采用新的衬砌材料（如钢纤维混凝土衬砌）等。国内外有关专家、学者［6，9－15］对隧道抗震技术的研究，主要集中在设防地震情况下隧道结构的抗震技术，而对罕遇地震情况下隧道结构抗震技术研究很少。本文以汶川地震隧道震害为研究背景，采用双层配筋和单层配筋相配合的抗震配筋技术，对罕遇地震情况下隧道动力学洞口段二衬结构防垮塌抗震配筋技术进行研究，这对隧道动力学洞口段抗震技术的发展具有重要的意义。

图2 二衬单层配筋示意图Fig.2 Sketch of second liner monolayer reinforcement

1 防垮塌抗震配筋准则

我国公路和铁路隧道抗震设防现行规范对二衬结构强度验算要求是一致的，见表1［1－2］。

表1 结构强度安全系数Tab.1 Safety factor of structural strength

由表1可知，当二衬结构安全系数小于钢筋混凝土衬砌规定值时，需要对二衬进行双层配筋设计，以达到设防地震烈度（设防烈度）情况下震时结构安全的设防目的；当二衬结构安全系数介于钢筋混凝土和素混凝土衬砌结构安全系数规定值之间时，采用横向单层配筋结合现行拱部纵向构造配筋方式，确保设防烈度条件下震时结构安全的设防目的，并起到在罕遇地震烈度（罕遇烈度）条件下，防止二衬垮塌，危害震时洞内人员和车辆安全的目的；当二衬结构安全系数大于素混凝土衬砌结构安全系数规定值时，不需采取抗震措施进行抗震设防。故动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋准则见表2。

表2 二衬防垮塌抗震配筋准则Tab.2 Aseism ic reinforcement criterion of second liner collapse control

2 工程案例分析

2.1 计算模型

为了分析隧道动力学洞口段二衬结构防垮塌抗震配筋（双层配筋和单层配筋）适用范围，利用有限差分数值计算方法进行三维动力学数值分析。计算模型以龙溪隧道汶川端为背景进行建模，长为250m，高为160 m，纵向长度为100 m。初支为C20喷射混凝土，厚20 cm；二衬为C25模注混凝土，厚40 cm。如图3～4所示［5］。

计算模型洞口段坡度为35°，覆盖层厚30 m，Ⅴ级围岩。硬岩为IV级围岩，基岩为Ⅱ级围岩。计算模型物理力学参数见表3。

表3 计算模型物理力学参数Tab.3 Physico-mechanical parameters ofm odel

图3 计算模型示意图（单位：m）Fig.3 Sketch of calculationmodel（unit：m）

图4 计算模型Fig.4 Computation model

2.2 动力边界及阻尼

计算模型采用理想弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb强度准则，动力边界采用自由场边界。阻尼采用Rayleigh阻尼，Rayleigh阻尼主要包括体系的基频ωmin和临界阻尼比ξmin。由模态分析计算可知，基频ωmin为6.4 Hz；根据工程经验，临界阻尼比ξmin取为0.05。

2.3 计算工况及地震动参数

多遇地震烈度（多遇烈度）为建筑所在地区在设计基准期内出现频度最高的烈度，超越概率为63.2%，为抗震设防第一水准烈度，也称小震烈度，重现期为50年。设防烈度在设计基准期内超越概率约10%，为抗震设防第二水准烈度，也称中震烈度，重现期为475年。罕遇烈度在设计基准期内超越概率为2%～3%，为抗震设防第三水准烈度，也称为大震烈度，重现期约为2000年。根据概率分布分析，设防烈度比多遇烈度大1.55度，罕遇烈度比设防烈度大1度［6，10］。

研究隧道动力学洞口段二衬结构防垮塌抗震配筋适用范围的计算工况可见表4。

表4 计算工况Tab.4 Calculation condition

地震动参数选用5.12汶川8.0级地震卧龙测站地震波，时间间隔为0.005 s，计算选用地震波持时为40 s（截取了能量占原始波90%以上的5～45 s原波）。按8、9、10度烈度标准化，并对地震波加速度时程进行基线校正，如图5所示（以9度为例）。

图5 加速度时程曲线Fig.5 Acceleration-time curve

2.4 监测断面及监测点

计算模型由洞外向洞内布置了间隔距离为10 m的监测断面，共20个监测断面（图6），每个监测断面布置了8个监测点（图7）。

图6 监测断面布置Fig.6 Arrangement of testing section

图7 监测点示意图Fig.7 Arrangement ofmeasuring point

3 防垮塌抗震配筋适用范围

3.1 设防烈度7度

提取每个监测断面各测点的轴力和弯矩时程曲线，计算出每个监测断面各测点的最小安全系数时程曲线，挑选出每个监测断面最小安全系数的最小值，绘制各监测断面最小安全系数最小值沿隧道纵向分布图，如图8～9所示。

图8 受拉控制（设防烈度7度）Fig.8 Tension control（7degree seismic intensity）

图9 受压控制（设防烈度7度）Fig.9 Compression control（7degree seismic intensity）

由图8～9可知，设防烈度7度条件下，距离洞口约45m范围内（1.125倍浅埋段长度）衬砌动力安全系数介于钢筋混凝土和素混凝土衬砌结构安全系数规定值之间，需使用单层配筋抗震措施。大于45 m，衬砌不需采取抗震设防措施。

3.2 设防烈度8度

设防烈度8度时，各监测断面最小安全系数最小值沿隧道纵向分布，如图10～11所示。

图10 受拉控制（设防烈度8度）Fig.10 Tension control（8degree seismic intensity）

图11 受压控制（设防烈度8度）Fig.11 Compression control（8degree seismic intensity）

由图10～11可知，设防烈度8度条件下，距洞口43m范围内（1.075倍浅埋段长度）衬砌安全系数小于钢筋混凝土衬砌结构安全系数规定值，需采用双层配筋抗震措施；距洞口43m至118m范围内（1.075～2.95倍浅埋段长度）衬砌动力安全系数介于钢筋混凝土和素混凝土衬砌结构安全系数规定值之间，需使用单层配筋抗震措施，这个范围约等于1.875倍浅埋段长度，这与隧道洞口影响过渡段范围基本一致（过渡段长度约为浅埋段长度的1～2倍）。大于118m，衬砌不需采取抗震设防措施。

3.3 设防烈度9度

设防烈度9度时，各监测断面最小安全系数最小值沿隧道纵向分布，如图12～13所示。

图12 受拉控制（设防烈度9度）Fig.12 Tension control（9 degree seismic intensity）

图13 受压控制（设防烈度9度）Fig.13 Compression control（9 degree seismic intensity）

由图12～13可知，设防烈度9度条件下，距洞口115m范围内（2.875倍浅埋段长度）衬砌安全系数小于钢筋混凝土衬砌结构安全系数规定值，需采用双层配筋抗震措施，这个范围基本包含了隧道洞口浅埋段和洞口影响过渡段。即设防烈度9度条件下，可对隧道动力学洞口段二衬采用双层配筋抗震措施进行设防。

3.4 适用范围

综合考虑抗震设防的安全性及施工方便性，隧道动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋适用范围见表5。

表5 二衬防垮塌抗震配筋适用范围Tab.5 Aseism ic reinforcement scope of second liner collapse control

4 结 论

（1）首次提出了隧道二衬防垮塌单层配筋抗震技术。单层配筋属构造配筋，主要作用是环箍和拉扯震时碎裂的混凝土块，尽可能减小震时二衬垮塌的范围和程度，保护洞内人员和车辆的安全。

（2）提出了隧道动力学洞口段二衬防垮塌抗震配筋准则并确定了适用范围。设防烈度7度情况下，洞口浅埋段采用单层配筋抗震技术，洞口影响过渡段不需采取抗震设防措施；设防烈度8度情况下，洞口浅埋段采用双层配筋抗震技术，洞口影响过渡段采用单层配筋抗震技术；设防烈度9度情况下，洞口浅埋段和洞口影响过渡段均采用双层配筋抗震技术进行抗震设防。

（3）通过采用双层配筋和单层配筋相配合的抗震配筋技术，弥补了现行隧道动力学洞口段抗震“大震偏弱”的缺点，实现了“小震不坏，中震可修，大震不垮”的设防目标。

致谢 研究成果已应用于广甘高速杜家山隧道洞口试验段，成果应用过程中得到了四川省交通厅公路规划勘察设计研究院隧道处的大力支持，在此表示衷心的感谢！

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Aseism ic reinforcement technology for a dynamic portal section under rare earthquake

CUIGuang-yao1，ZHAO Rui-hua1，LIUWei-dong1，WANGMing-nian2，LIN Guo-jin3
（1.College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China；
2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；
3.Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Sichuan Provincial Communications Department，Chengdu 610041，China）

In order to improve weaker aseismic behavior of a tunnel structure’s fault rupture zone under large earthquakes，the monolayer reinforcement aseismic technology for the second liner collapse control was proposed cooperating with the traditional double reinforcement aseismatic technology.The aseismic design of a tunnel dynamic portal section was performed.According to the regulations of highway and railway tunnel current aseismic code，the rules of tunnel portal section second liner collapse control aseismic reinforcement were presented，and the finite difference numerical simulation technologywasused to study the application scope of collapse prevention aseismic reinforcement.The results showed that themonolayer reinforcement aseismic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，the tunnel portal effect transition section needs not to take the aseismic fortification measures under 7 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，and themonolayer reinforcement aseismatic technology is taken on the tunnel portal effect transition section under 8 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section and the tunnel portal effect transition section under 9 degree earthquake intensity.These resultswere significant for the development of dynamic portal section aseismatic technology.

rare earthquake；dynamic portal section；collapse control；monolayer reinforcement；double-layer reinforcement

U45；TU47

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.034

国家自然科学基金（51408008）；西部交通建设科技项目（200831800026）；西部交通建设科技项目（200831800098）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU10XS05）

2013－08－07 修改稿收到日期：2013－11－21

崔光耀男，博士，讲师，1983年生