强震区隧道洞口软硬岩交接段围岩注浆抗震措施效果分析

2018-09-20王泽军陈铁林崔光耀马军辉

中国地质灾害与防治学报 2018年4期

王泽军,陈铁林,崔光耀,马军辉,张玉

(1.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044；2.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；3.中铁七局集团郑州工程有限公司，河南郑州 450052)

0 引言

随着我国西部大开发战略的实施，西部交通基础设施建设蓬勃开展起来。我国西部山区多处于高烈度地震区，强震区交通隧道建设不可避免的大量涌现。隧道洞口段是隧道抗震设防的薄弱环节[1-4]，其震害类型主要包括洞门开裂、端墙破损、崩落土石；洞身内路面隆起，二衬开裂、掉块、渗水，施工缝开裂，防火涂料脱落等等。其主要原因在于该区域一般地质条件差，常常存在软硬围岩交接段，交界面两侧岩体性质差异大，特别是软岩部分由于自身裂隙多、强度低，从而导致抗震能力弱[5]。如何解决隧道洞口软硬围岩交接段的抗减震问题显得尤为重要。目前，国内对这方面的问题研究较少，崔光耀等[6-7]通过对汶川地震震害资料的分析，认为洞口段震害主要由强制位移和地震惯性力引起，并提出采用注浆、设置减震层的方式进行防治；邹成路等[8-9]对穿越不同软硬岩交界面倾角隧道结构进行地震动分析，指出倾角小于45°时，地震动对隧道上部结构影响较大，反之，则对下部结构影响较大；王维嘉[10]对穿越软硬岩交界面时隧道横截面方向围岩的剪应力进行分析，得出在交界面附近，隧道衬砌动剪应力幅值变化较大。综上，目前研究多集中在穿越软硬岩交界面震害作用机理方面，而对于解决这一问题的方法未作详细的说明和论证。

本文以老鹰窝隧道洞口软硬围岩交接段为研究背景，对全环接触注浆[11-12]和全环间隔注浆[13-14]两种围岩注浆抗震措施的作用效果进行了对比分析研究，这对于高烈度地震区交通隧道洞口段抗震设防设计具有重要的意义。

1 工程概况

老鹰窝隧道位于云南省半角至新村三级公路上，地震带烈度为Ⅸ级。隧道起点中心桩号为K5+865，终点中心桩号为K10+429，设计全长4 564 m。隧道进口边坡下部岩体为白云岩，属岩质侧向坡，边坡岩体稳定性较好；上部为第四系巨厚土质边坡，自然边坡坡度35°，地形较平缓，边坡整体稳定性较好，地质建议边坡开挖坡比1∶1。隧道围岩为白云岩，微裂隙、断层发育，主要为Ⅱ～Ⅴ级围岩。

隧道埋深为45 m，单洞净宽9 m，建筑界限净高5.5 m，洞口段采用削竹式洞门，坡度为1∶1。隧道进洞50 m处岩体性质发生突变，由Ⅴ级围岩转变成Ⅲ级围岩，软硬岩交界面与水平面大致呈65°夹角。初期支护主要为C20喷射混凝土，厚20 cm，二次衬砌采用C25模筑混凝土，厚40 cm。

2 研究情况

2.1 计算模型

为分析洞口段地震响应情况，综合考虑地形和地质条件，利用有限差分软件FLAC3D进行三维数值分析，计算模型如图1所示。本文中模型长100 m，高80 m，纵向长度为100 m，软硬围岩交界面距离洞口处50 m。软岩部分为V级围岩，硬岩部分为Ⅲ级围岩，基岩为Ⅱ级围岩。计算采用Mohr-Coulomb屈服准则以及弹塑性本构模型，山体与衬砌单元用solid45实体单元模拟。

图1 老鹰窝隧道洞口段计算模型Fig.1 Portal analysis model of Laoyingwo tunnel

2.2 计算工况

全环接触注浆和全环间隔注浆示意图如图2所示。依据现场工程地质条件及工程类比确定间隔区和注浆区的厚度均为2 m，计算工况见表1。

图2 不同注浆方式示意图Fig.2 Sketch map of different grouting methods

2.3 计算参数

根据地勘报告及《隧道设计细则JTG TD 70-2010》[15]，确定各岩层数值计算材料参数如表2所示。

表1 模型计算工况

表2 计算模型物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of calculation model

2.4 监测布置

为观察注浆加固效果，沿着软硬岩交界面左右各设置4个监测断面，监测断面间距为6 m，如图3(a)所示；考虑到隧道震害的破坏形式一般发生在拱顶、仰拱、边墙位置，故每个监测断面各设置4个监测点，如图3(b)所示。

图3 监测布置图Fig.3 Layout of monitoring

2.5 动力荷载及动力边界

FLAC3D动力计算输入的是印度柯伊拉腊地震波，加速度时程时间间隔0.01 s，持时12.76 s。使用SeismoSignal软件滤波(截去高频部分，地震能量主要集中在低频区)后，结果如图4所示。动力计算时同时输入三个方向的地震波加速度时程。

图4 地震波加速度时程曲线Fig.4 The time history curve of seismic acceleration

FLAC3D中阻尼分为Rayleigh阻尼、局部阻尼、滞后阻尼三种[16]。本文采用Rayleigh阻尼进行计算，其主要包括体系的基频wmin和临界阻尼比ξ min两个参数，根据动力计算结果确定wmin约为6 Hz，临界阻尼比ξ min按照经验取0.05，边界条件为自由场边界。

3 计算结果分析

3.1 最大主应力

为了表征两种注浆方式对交接段的加固效果，在地震荷载作用下，以未注浆模型中交界面处拱顶点时刻作为分析标准。同时，由于交界面是倾斜的，为简化处理，将4、5号监测断面值取平均值作为交界面的最大主应力值，3.2节结构内力分析中也做类似处理。在工况k-1中，软硬围岩交界面处拱顶点由地震荷载产生最大主应力时程曲线如图5所示。

图5 地震荷载下交界面处拱顶点最大主应力时程曲线Fig.5 The time history curve of maximum principal stress at the interface of the arc crown under earthquake

图6 最大主应力峰值沿纵向分布Fig.6 The distribution of the maximum peak value of principal stress along the longitudinal direction

由图5可知，当t=4.50 s时，交界面处拱顶点最大主应力达到峰值2.28 MPa。在k-1、k-2、k-3三种工况下，各个监测断面上拱顶、仰拱、边墙最大主应力峰值沿隧道纵向分布如图6所示。考虑到二衬左、右边墙的对称性，将左、右边墙最大主应力值取平均值作为边墙的最大主应力值，横坐标中负值表示软岩隧道，正值表示硬岩隧道。

从图6(a)、(b)、(c)可以看出，拱顶、仰拱中部、边墙最大主应力峰值均出现在软硬围岩交界面处，且距离交界面位置越远，最大主应力峰值越小；注浆加固后同一位置σ1峰值都有所减小，交界面附近最大主应力减少幅度最大；软岩内拱顶和边墙的最大主应力峰值减少较明显，其中软岩内边墙σ1峰值注浆后由1.58 MPa降至0.50 MPa,下降幅值为68.35%;硬岩内，隧道各部位σ1峰值也呈下降趋势，但下降幅度较平缓；说明软岩隧道对地震动“敏感性”更强烈，注浆加固对软岩隧道抗震效果优于硬岩。

3.2 结构内力

提取t=4.50 s时刻各监测点的应力，经计算各监测点的动力弯矩值、轴力值、安全系数如图7～9所示。其中边墙值为左、右边墙的平均值，安全系数的计算方式可参考《隧道设计细则JTG TD 70—2010》。

图7 不同工况下弯矩峰值沿纵向分布Fig.7 The distribution of peak moment along the longitudinal direction

由图7可知，注浆加固模型相对于未注浆模型而言，二衬结构相应监测点动力弯矩值整体上均有减小。拱顶位置地震反应最强烈，交界面处拱顶弯矩值由-60 kN·m降至-25 kN·m，降低了58.33%。值得注意的是，不同工况下，仰拱和边墙的弯矩峰值均出现在软岩隧道内，表明地震对软岩内二衬仰拱和边墙弯矩影响很大，进行衬砌结构设计需引起重视。注浆加固对硬岩隧道二衬弯矩影响较小，地震动作用下，硬岩内二衬弯矩减小较平缓。就减小二衬弯矩的角度而言，间隔注浆优于接触注浆。

图8 不同工况下轴力峰值沿纵向分布Fig.8 The distribution of peak axial force along the longitudinal direction

从图8(a)、(b)、(c)可以看出，采用注浆加固以后，二衬结构各监测点的轴力均有所减小：接触注浆和间隔注浆对于拱顶轴力峰值的作用效果差别不大；而对于仰拱、边墙轴力值的降低，两种注浆方式均表现出良好的效果，交界面处拱顶点轴力值由350 kN减小至181 kN，仰拱点由150 kN减小至62 kN，边墙点由-596 kN增大至-308 kN；未采取抗震措施时，软岩内二衬轴力的动力响应强于硬岩，注浆后软硬岩内变化较接近。考虑对二衬轴力的作用效果，全环间隔注浆优于全环接触注浆。

图9 不同工况下安全系数沿纵向分布Fig.9 The distribution of safety factor along the longitudinal direction

在图9中，工况k-2、k-3相对于k-1来说，软岩隧道、硬岩隧道内拱顶、仰拱、边墙安全系数都有明显增大；交界面处除拱顶、边墙增长相对较小外，仰拱安全系数也有大幅度提高，表明注浆对隧道洞口段抗减震效果显著。整体上硬岩内安全系数大于软岩，表明硬岩抗震性优于软岩，安全系数最大值出现在硬岩内7号监测断面，注浆后，拱顶、仰拱、边墙最大值分别为126、178、93(图10)，而软岩内最大值分别为63、85、25。从增加安全系数的角度来看，间隔注浆优于接触注浆。