强震区跨断层隧道减震缝减震技术研究

2019-03-13倪嵩陟左奎现

高速铁路技术 2019年1期

涂瀚倪嵩陟左奎现

(1.中铁隧道集团四处有限公司，南宁 530003; 2. 北方工业大学，北京 100144)

随着我国隧道交通工程的快速发展，在其选址时不可避免地会穿越断层破碎带，而这些断层地区往往出现在高烈度地震区。地震时，跨断层隧道结构将受到严重破坏，造成围岩垮塌、二衬破坏等严重震害，因此，跨断层隧道的抗减震技术问题受到人们越来越多的关注[1-3]。

目前，国内外专家、学者对跨断层隧道的抗减震技术进行了部分研究，主要有：设置不同减震缝间距减震效果的计算分析[4-7]；高烈度地震区隧道设置减震层减震措施、减震效果的研究[8-10]；跨断层隧道设置常规抗减震措施研究[11]等。以上研究主要集中在设置减震层和二衬结构设置减震缝等方面，而对初支和二衬均设置减震缝技术方面的研究较少。因此，本文依托某铁路隧道穿越F6-6断层段，利用有限差分数值计算软件对初支和二衬均设置减震缝技术的减震性能进行研究。研究成果可为类似跨断层隧道的抗震设防设计提供参考。

1 隧道断层段概况

1.1 地质条件

隧道位于四川省青川县骑马乡与观音店乡交界地段，断层为压性逆断层，受断层和岩性影响，场地内出现次级断裂,节理裂隙较发育，岩体较破碎。

F6-6断层隧道在K 22+780～K 24+630段存在绢云母千枚岩、碎块岩等岩体，该处韧性剪切带宽度最宽可达10 m，围岩整体性较差，节理裂隙较发育，岩体较破碎，围岩等级为V级。

1.2 衬砌结构设计

隧道支护结构断面为五心圆马蹄形，隧道跨度为12.54 m，高度为9.79 m；隧道初支采用C25喷射混凝土，初衬厚度为30 cm，二衬采用钢-玄武岩混杂纤维混凝土(SBHFRC)，厚度为40 cm。

2 研究情况

2.1 计算模型

以某隧道F6-6断层为研究背景，建立计算模型，本构模型为弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦准则。模型宽90 m，仰拱以下高55 m，拱顶埋深最高处55 m，最低埋深22 m，隧道纵向长度为75 m，断层厚度为1 m，位于隧道中间部位，断层倾角约为75°。模型底部采用刚性地基模拟地下条件并传导地震波，故在模型底层处另增加10 m基岩，减震缝施设在初支和二衬结构，间距为12 m。静力分析时模型的边界条件为下边界与四周边界全约束，上边界无约束。动力分析时，模型各水平方向施加自由场边界，计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 计算参数

以实际地勘资料及实验研究结果得到模型的计算参数，如表1所示。

表1 计算模型参数

2.3 计算工况

计算工况如表2所示。

表2 计算工况

2.4 动力参数

选用自由场边界条件进行模拟计算，计算阻尼选用局部阻尼，局部阻尼系数为0.157 1。采用常规动力加载方式，将三个方向(x，y，z)的地震波同时通过模型底部向上部结构传递。地震波选取汶川地震加速度波(卧龙测站)，按8度地震烈度标准化，持续时间为15 s。利用滤波软件进行滤波和基线校正，处理后的地震波加速度时程曲线，如图2所示。

图2 加速度时程曲线

2.5 监测断面及测点布置

模型以中间断层为分界，上盘、下盘各5个监测断面，监测断面布置如图3所示。上盘监测断面分别为P10、P11、P12、P13、P14。由于越靠近断层位置，隧道衬砌内力分布越复杂，变化程度越快，规律性降低，所以靠近断层处的监测面布置相对密集，远离断层处的监测面布置相对稀疏，模型边界附近不设置监测面。

图3 监测断面布置示意图(m)

提取各监测断面二衬结构的拱顶、左拱腰、左边墙、左拱脚、右拱腰、右边墙、右拱脚、仰拱等8个测点的数据进行减震效果分析，测点布置如图4所示。

图4 测点布置示意图

3 减震效果分析

3.1 主应力分析

提取隧道最不利时刻的最大主应力(以拱顶为例)，分析地震作用对跨断层隧道纵向结构的影响，如图5所示。

图5 最大主应力纵向分布图

由图5可知，3种工况整体趋势基本相同，以断层处为原点，距离断层越远最大主应力峰值越小，且靠近断层处变化快，远离断层处变化平缓。仅在上盘位置，无设缝工况在靠近断层处最大主应力出现极小情况。

从数值上分析，无设缝工况最大主应力峰值为8.15 MPa，常规设缝工况为8.69 MPa，交错设缝为8.72 MPa。相比无设缝工况，常规设缝工况上升了6.6%，交错设缝工况上升了7.0%。

3.2 内力分析

由最大主应力分析可知，距离断层越近，隧道结构的安全性越差，因此，提取靠近断层附件的P10、P20断面各监测点的计算量测数据，计算结构的轴力、弯矩及安全系数，并计算其减震效果。

3.2.1 轴力

各工况监测点的轴力如图6所示。

图6 主要监测面轴力图(kN)

由图6可知，下盘位置无设缝工况左、右拱肩轴力较大，最大值为 2 967 kN，常规设缝与交错设缝轴力值最大值均在右边墙处，分别为 2 792 kN(常规设缝工况)和 2 669 kN(交错设缝工况)。

上盘处，无设缝工况左、右拱脚处轴力值较大，最大值为 6 030 kN；常规设缝工况与交错设缝工况左、右拱肩轴力也较大，但最大值均在左边墙处，分别为 2 749 kN(常规设缝工况)和 3 162 kN(交错设缝工况)。

从整体数值上看，使用减震措施后的隧道衬砌轴力值大部分位置有一定程度降低。相比未设缝工况，轴力最大值上盘常规设缝工况降低了54.4%，交错设缝降低了47.6%；下盘位置常规设缝工况降低了5.9%，交错设缝工况降低了10.0%。

3.2.2 弯矩

各工况监测点的弯矩如图7所示。

图7 主要监测面弯矩图(kN·m)

由图7可知，上盘处，无设缝工况弯矩最大值出现在左、右拱脚，值为71.9 kN·m。常规设缝工况与交错设缝工况分布趋势基本相同，均在左拱肩处出现较大弯矩，分别为41.8 kN·m和40.9 kN·m，分别降低了41.9%和43.1%。

下盘位置，3种工况弯矩分布基本相同，弯矩较大处均在拱顶、右拱肩、右边墙，其中拱顶处最大，无设缝、常规设缝工况与交错设缝的最大值分别为-71 kN·m、-54.4 kN·m、-52.8 kN·m，相比未设缝,常规设缝工况与交错设缝分别降低了23.4%和25.6%。

3.2.3 安全系数

各工况监测点的最小安全系数，如图8所示。

图8 主要监测面最小安全系数

由图8可知，无设缝工况在上盘的P10断面左、右拱脚处安全系数极低，分别为1.6和1.8，在下盘除仰拱位置较高外，其余部位安全系数均较低，在左、右拱肩处最低为3.2。设置减震缝后，隧道各部位安全系数均有不同程度提高，仰拱处仍保持较高的安全系数。常规设缝工况上、下盘安全系数最小值分别为3.5和3.4；交错设缝工况上、下盘安全系数最小值均为3.6。设置减震缝后，隧道上盘最大减震效果分别增大了54.3%、55.6%；隧道下盘最大减震效果分别增大了5.9%、11.1%。