宋家山隧道洞口段注浆加固围岩的抗震分析

吴旭阳，梁庆国

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州730070;2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

宋家山隧道洞口段注浆加固围岩的抗震分析

吴旭阳1，2，梁庆国1，2

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州730070;2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

根据武罐高速公路宋家山隧道洞口段围岩的实际情况，应用数值模拟方法着重讨论注浆加固洞口段围岩的抗震性能。并分析不同超越概率地震动作用下，隧道洞口段在不同注浆加固范围时的地震动力响应特点，继而提出了相应的围岩注浆加固范围建议值，可供同类情况注浆加固参考。

隧道洞口段 注浆加固围岩 抗震 地震动力响应

大量事实表明，隧道洞口段在地震中发生破坏的几率较高，其抗震能力较弱。李德武［1］和王文礼等［2］对国内外部分历史地震中隧道震害实例进行汇总，其中包含了美国、日本和台湾17次地震中118座山岭隧道的202例震害。宋胜武［3］，甘目飞［4］，李天斌［5］，高波等人［6］对汶川地震32座山岭隧道的震害资料进行了汇总，其中公路隧道22座，铁路隧道10座，共计震害99例。我们对国内外部分历史地震和汶川地震中隧道的震害情况进行了归纳整理(见表1)。结果表明:洞口边仰坡失稳和洞身衬砌裂损是发生几率较高的震害，洞门裂损、衬砌剥落和洞身坍塌移动发生几率中等，而隧道洞身段底板开裂鼓起、断层错动和其它类型的震害出现的几率相对较低。

表1 历史地震和汶川地震中震害类型及出现几率统计

针对隧道洞口段抗震弱的问题，以宋家庄隧道为例，通过数值模拟来研究注浆加固法对隧道洞口抗震效果的影响。

1 工程概况

宋家山隧道是位于武罐高速公路上的双向隧道，左线隧道长2.84 km，右线隧道长2.86 km。采用两端掘进，洞口位置岩石破碎，易受地震、降水影响引起塌方。隧道洞门采用端墙式，左侧洞口段浅埋偏压严重。该地区岩层多为砂质板岩，节理裂隙比较发育。加之风化作用，山体表层岩层破碎，裂隙宽度一般＜1 cm，充填岩石碎屑及泥质物，延伸长短不一。沿线大部分为河谷地貌，地表水及地下水较发育。隧道洞口主要为V级围岩，岩石为灰绿色、青绿色、绿色，成分以绿帘石、绿泥石为主，片理极为发育，以微片理为主。该地区处于南北地震带，即天水—武都—文县地震带中段，受东经104°南北构造带或地震带的影响，该地区地震活动频率高，强度大，历史上曾发生过多次破坏性地震。2008年汶川大地震对该地区也有一定影响，至今4级以上较大余震时常发生。

2 参数选取及数值模型

以宋家山实地环境与地质状况为依托进行MIDAS建模分析，由于左隧道洞口呈现浅埋偏压的特征，故选取左隧道为主要研究对象。围岩计算物理学参数参考同类文献中关于V级围岩的参数值［7］，注浆加固围岩［8］、初衬及二衬物理学参数采用实际设计值。注浆加固范围分别预设为2，3，4 m。地震波加速度时程采用宋家山隧道场地超越概率为10%与2%的地震波，入射方向为横向水平(x向)。

围岩、注浆加固围岩及初衬采用实体单元，二次衬砌采用板单元;边界条件采用上部为自由边界，前面在隧道衬砌拱脚以下部分加黏性边界，其余部位为黏性边界。监测特征点分布如图1所示。实体模型采取的计算范围为:x方向92 m，y方向75 m，z方向124 m。该模型共划分为156 403个单元，108 534个节点，模型如图2所示。

图1 监测点分布

3 不同注浆加固范围的地震动力响应比较

3.1 入射10%超越概率地震波的地震响应特性

在入射10%超越概率地震波作用下，对宋家山隧道洞口段注浆加固范围分别取2，3，4 m及未加固时的位移及应力进行对比分析。在对位移影响方面，由图3可直接看出各点处未注浆加固时的最大位移要比注浆加固时的略小，最大位移发生在拱顶部位，仰拱位移最小。其中，注浆加固3 m时各点位移最大，加固4 m时有所降低，加固2 m及未加固时依次降低。由此可见，注浆加固对降低隧道洞口段位移效果不佳。

图3 不同注浆加固范围洞口衬砌各控制点位移峰值

不同工况下洞口段控制点最大和最小主应力的计算结果如图4所示。

图4 不同注浆加固范围隧道衬砌最大主应力与最小主应力

从图4可以看出，不同注浆加固范围时，衬砌最大和最小主应力的降低幅度相比于最大位移低很多。其中最大主应力降低在拱顶和左右拱肩均超过50%以上，左右拱脚分别为19.5%和30.1%，但仰拱的最大应力却提高了45.7%。最小主应力的变化情况与最大主应力类似，降低最多的依然是拱顶和左右拱脚，均超过50%以上，其次为左右拱肩和右拱腰，降低幅度也超过20%以上，而仰拱也是增大了42.2%。从最大、最小主应力的绝对量值来看，要远小于混凝土的抗压和抗拉强度。因此，注浆加固围岩措施对10%超越概率地震动作用下的抗震效果是较为有效的。

3.2 入射2%超越概率地震波的地震响应特性

在入射2%超越概率地震波作用下，对宋家山隧道洞口段注浆加固范围分别取2，3，4 m及未加固时的位移及应力进行对比分析。在对位移影响方面，由图5可看出，随着注浆加固范围的增大，各控制点处的峰值位移逐渐降低，不同注浆加固范围内最大位移均出现在拱顶处，且随注浆范围增大拱顶的降低幅度最大，最小位移出现在仰拱处，注浆加固4 m比未加固时拱顶位移降低了4.4%。

图5 不同注浆加固范围洞口衬砌各控制点位移峰值

图6 不同注浆加固范围隧道衬砌最大主应力与最小主应力

从图6可以看出，采用注浆加固围岩对降低衬砌最大和最小主应力的效果非常显著。

其中，最大主应力和最小主应力均是在拱顶和左右拱肩部位降低明显，注浆4 m时最大降低幅度可达50%以上，但仰拱的应力值却都增加了40%左右。对于最大和最小主应力都是左右拱脚处最大，降低幅度也较为显著，其中最大主应力可降低28%(左拱脚)和33.9%(右拱脚)，最小主应力则分别降低16.0%(左拱脚)和35.9%(右拱脚)。

4 讨论与结论

1)注浆加固范围分别为2，3及4 m时，位移峰值变化趋势与未注浆加固时基本一致，最不利部位出现在拱顶。入射10%超越概率地震波时，注浆加固后的位移峰值反倒比未注浆加固时大，增大的位移值较小，最大增量仅0.3 mm。入射2%超越概率地震波时，位移峰值随着加固范围的增大而减小。这说明，注浆加固围岩能起到降低围岩位移的作用。

2)注浆加固范围分别为2，3及4 m时，隧道衬砌内力变化趋势与未注浆加固时基本一致，最不利部位出现在左右拱脚处，其中最大主应力在最不利位置拱脚处都有较大幅度的降低。

综上所述:注浆加固可以减弱隧道洞口段的地震动力响应，起到抗、减震的效果。注浆加固范围越大，减震效果越明显。就宋家山隧道洞口段的围岩加固范围而言，建议取4 m。

［1］李德武.断层破碎带隧道衬砌受力特性研究［D］.兰州:兰州大学，2004.

［2］王文礼，苏灼谨，林峻弘，等.台湾集集大地震山岳隧道受损情形之探讨［J］.现代隧道技术，2001，38(2):52-60.

［3］宋胜武.汶川大地震工程震害调查分析与研究［M］.北京:科学出版社，2009.

［4］甘目飞.隧道工程在汶川地震中的震害调查及病害浅析［J］.铁道工程学报，2008(增):228-233.

［5］李天斌.汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析［J］.工程地质学报，2008，16(6):742-750.

［6］高波，王峥峥，袁松，等.汶川地震公路隧道震害启示［J］.西南交通大学学报，2009，44(3):336-341.

［7］梁波，王志勇.浅埋偏压隧道地震动力特性及稳定性分析［J］.公路交通技术，2008，8(4):96-99.

［8］高洁.双层注浆小导管在软弱地质隧道进洞施工中的应用［J］.铁道建筑，2008(7):49-50.

Seismic analysis on surrounding rock reinforced by grouting in portal section of Songjiashan tunnel

WU Xuyang1，2，LIANG Qingguo1，2
(1.Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Gansu 730070，China; 2.College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

According to the surrounding rock situation of Songjiashan tunnel portal section in W uguan expressway，the tunnel portal surrounding rock seismic performance by grouting reinforcement was analyzed by using numerical simulation method，the earthquake dynamic response characteristics of tunnel portal section in different grouting reinforcement range and different exceedance probability seismic dynamic effect was analyzed，then the suggested grouting reinforcement range of surrounding rock was proposed，which could provide a reference for similar project.

T unnel portal section;Grouting reinforcement of surrounding rock;Seismic resistance;Earthquake dynamic response

U452.2+8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.20

1003-1995(2015)02-0073-03

(责任审编赵其文)

2014-02-21;

2014-11-10

长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1139);兰州交通大学“青蓝”人才工程项目(QL-08-19A)

吴旭阳(1987—)，男，河南许昌人，硕士研究生。