洞室间距对双洞山岭隧道地震动力响应影响分析

2021-01-21皇民赵玉如蔺世豪王浩南

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年2期

皇民，赵玉如，蔺世豪，王浩南

(河南工程学院土木工程学院,河南郑州 451191)

0 引言

近年来强震的持续活动，导致许多隧道地下结构受损严重，如2008年的汶川地震使震区很多隧道塌方，致使多条交通线路中断[1-5]。而当前隧道地下结构抗震规范中关于地下结构的条文不够深入和具体，其中针对双洞隧道的更少，越来越不能适应强震区隧道工程的建设需要[6-8]。

很多学者近年来对隧道地下结构的抗震问题进行了大量研究并取得一些成果。汪树华等[9]采用二维有限元计算模型，应用时程分析法对山岭隧道的地震动力响应进行分析，找出衬砌断面加速度、竖向位移、应力的分布规律，明确了隧道衬砌的抗震关键部位和薄弱环节；耿萍等[10]通过数值分析和模型试验相结合的方法，研究穿越断层破碎带隧道在地震作用下沿纵向的动力响应；朱正国等[11]以地处高烈度活断层地区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为背景，采用地震动力仿真分析方法，探讨采用不同措施时的隧道结构抗震机理与效果；江学良等[12]基于相似理论设计并完成了浅埋偏压小净距隧道大型振动台模型试验，研究了小净距隧道分别在X(水平)向、Z(竖直)向、XZ双向(水平竖直同时输入)多种工况汶川地震波作用下的隧道衬砌加速度和动应变响应规律；王泽军等[13]依托老鹰窝隧道工程洞口段，利用有限差分计算软件FLAC3D进行三维动力响应分析，对不同种类的围岩注浆抗震措施作用效果进行对比研究；申玉生等[14]基于成兰铁路隧道工程，对洞口段软硬交界面隧道动力响应规律及其抗震设防措施进行研究，找出双线铁路隧道洞口段穿越软硬交界面时的动力响应规律；刘晶波等[15]针对非一致地震作用下的隧道纵向响应，采用结构横断面地震整体式反应位移法基本原理，给出一种根据自由场地震反应来确定隧道纵向反应最不利变形以及最不利内力发生时刻的方法，提出进行隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法；崔光耀等[16]以白云顶隧道为研究背景，利用大型振动台试验对隧道软岩洞口段采用结构加强并设置减震层的刚柔并济抗减震措施进行模型试验研究，结果表明，这种减震措施效果较好；王秋懿等[17]基于Hilber-Hughes-Taylor时间积分法及等效黏弹性单元动力边界条件，从工程设计受力的角度对公路隧道的抗震措施进行具体抗震计算和分析，得到4种抗震措施的实际抗震效果及其优缺点；禹海涛等[18]针对地下结构抗震分析中应用广泛的波动分析与振动分析，从物理方程和有限元出发，明确了2种方法的区别与联系，分析结果表明，应根据具体场地条件，分别选择振动或波动分析进行地下结构抗震设计研究；刘国庆等[19]通过引入增量动力分析(IDA)，结合地震易损性分析方法，考虑地震的随机性，提出基于损伤系数指标的隧洞结构抗震性能评估方法，研究结果可为隧道地下结构抗减震设计提供参考。

上述研究分别采用数值分析和模型试验等多种手段，结合振动分析和波动理论，分析了地震波作用下隧道地下结构的地震响应与减震措施，反映了当今隧道抗减震分析的前沿水平和研究热点。但这些研究都是针对单洞隧道或既定间距下的双洞隧道展开研究，没有考虑隧道间距变化对隧道抗震的影响，且研究手段多为数值分析或模型试验，缺乏现场隧道震害调查第一手资料的验证。而当前交通隧道多是由两个或两个以上的隧道组成的洞群隧道结构，在强震作用下，隧道之间的地震相互作用对隧道结构具有不利影响。地下双洞洞室二维波动分析结果表明：洞室间距越小，洞室之间的相互作用就越强，其对于隧道的地震安全性的影响不容忽视[20-22]。因此，有必要进一步分析洞室间距对双洞隧道地下结构的地震动力影响情况，本文以强震区勒不果喇吉隧道为研究背景，基于FLAC3D数值分析方法结合隧道震害调查统计数据，研究隧道间距对双洞山岭隧道的地震动力响应与安全的影响。

1 工程背景与地震波分析

雅安至泸沽高速公路所处位置为强震断层区，烈度最低7度，最高9度，地震动力峰值加速度为0.15g～0.4g。勒不果喇吉隧道为分离式隧道，左洞长2 225 m，右洞长2 215 m，最大宽度为11 m，高8.2 m，隧道围岩衬砌性质如表1所示。

表1 隧道围岩与衬砌计算参数

依据隧道勘察设计文件，勒不果喇吉隧道烈度划为9度，根据公路隧道抗震设计规范[8]，隧道地震计算可以采用E1级地震波，地震波采用人工模拟方法合成，以50 a超越概率10%，即重现期为475 a的地震加速度取值，分析得到隧道基岩加速度峰值,再以隧道基岩加速度反应谱作为目标谱，最后合成符合场地烈度要求的加速度时程，其峰值为0.4g，如图1所示。用MATLAB对地震波进行Fourier、Power和时频分析，结果如图2～3所示。

图1 隧道地震波加速度时程曲线

图2 隧道地震波的Fourier谱与Power谱

图3 时域和频域三维分解隧道地震波

从图2～3可以看出，地震波在5,10,15 s时对应的地震波能量峰值较高，其频率≤12 Hz，超过这个时刻与频率的地震波能量占比很小。因此，为了节省计算时间，可以截取地震波时程的前20 s计算，并对地震波进行低通滤波，去除地震波的高频成分，以提高计算效率。在此采用Fourier变换对地震波进行处理，并截取前20 s时程进行计算。

地震波中除了测量和计算原因之外，还存在一定的干扰误差，若不校正，会导致计算结果产生偏差。因此，需要对原始地震波进行基线校正[23-25]。在此采用MATLAB工具箱，对原始地震波进行修正，校正情况如图4所示。

图4 原始地震波位移时程与修正后的位移时程

2 数值计算与分析

研究表明，动力数值分析的计算模型范围应不小于隧道结构直径的5倍，以消除边界效应[27]。在此选取数值计算模型纵向长度为6倍隧道洞室直径，即隧道底部边界距隧道中心为6倍隧道洞室直径。分别选取两隧道净间距为0.5倍隧道洞室直径、1倍隧道洞室直径、2倍隧道洞室直径、4倍隧道洞室直径、8倍隧道洞室直径工况建立数值计算模型，如图5所示。图5中D为隧道直径。模型边界条件采用黏性动力边界；隧道围岩本构关系为摩尔库伦准则，衬砌则为弹性本构；地震波输入则是将加速度波积分为位移波后，再将其与隧道围岩的波阻抗相乘获得地震应力波，然后以应力波形式按照时间间隔0.02 s从隧道模型底部输入。由于在横向激励作用下，隧道结构地震动力响应更加强烈[27]，故此处地震波作用方向采用隧道横向(垂直于隧道轴线)激励，垂直入射。其他角度入射下的隧道结构地震响应规律与垂直入射基本类似[22]，限于篇幅，此处不再赘述。

双洞隧道随间距变化的地震动力响应如图6～9所示。计算结果表明，双洞间距对双洞隧道的地震响应具有重要影响。

图5 不同间距下双洞隧道数值分析模型

图6 不同间距下的双洞隧道左洞与右洞峰值位移

图7 不同间距下的双洞隧道左洞与右洞峰值弯矩

由计算结果可知：

(1)施加地震波后，双洞隧道的峰值内力和位移基本呈轴对称分布。

(2)对于不同隧道间距情况，地震作用下的隧道仰拱处峰值位移均为最大，隧道各监测点峰值位移随两洞间距的减小而增大。当两洞间距为8D时位移最小，其中,左洞仰拱为7.27 cm，右洞仰拱为7.25 cm，在0.5D间距下峰值位移达到最大值，其中,左洞仰拱为10.81 cm，右洞仰拱为10.79 cm，相比8D间距时的峰值位移，提升幅度分别为48.69%和48.83%。

图8 不同间距下的双洞隧道左洞与右洞峰值轴力

图9 不同间距下的双洞隧道左洞与右洞峰值剪力

(3)地震作用下的隧道墙角处峰值弯矩最大，且为负弯矩，其次为仰拱部位，拱腰处弯矩最小。各监测点峰值弯矩随两洞间距的减小而增大。当两洞间距为8D时隧道整体峰值弯矩值最小，其中左洞左墙角为-141 kN·m，左洞右墙角为-155 kN·m，右洞左墙角为-151 kN·m，右洞右墙角为-139 kN·m。在0.5D间距下隧道整体峰值弯矩值达到最大值，其中左洞左墙角为-221 kN·m，左洞右墙角为-314 kN·m，右洞左墙角为-307 kN·m，右洞右墙角为-199 kN·m，相比8D间距时的峰值弯矩绝对值，提升幅度为56.74%，102.58%，103.31%，43.17%。

(4)地震作用下的隧道墙角处峰值剪力最大，其次为拱腰与拱肩处，仰拱处峰值剪力最小。各监测点峰值剪力随两洞间距减小而增大。当两洞间距8D时隧道整体峰值剪力值最小，其中左洞左墙角为-289 kN，左洞右墙角为295 kN，右洞左墙角为-287 kN，右洞右墙角为286 kN。在0.5D间距下隧道整体峰值剪力值达到最大值，左洞左墙角为-301 kN，左洞右墙角为665 kN，右洞左墙角为-654 kN，右洞右墙角为418 kN，相比8D间距时的峰值剪力绝对值，提升幅度分别为4.15%,125.42%,127.87%,46.15%。

(5)地震作用下不同间距的双洞隧道断面各监测点轴力值分布比较复杂。其中各个间距下，墙角与拱肩处峰值轴力最大，但其值随着隧道间距的减小而增加的幅度不大或者变化不明显。拱顶与仰拱处峰值轴力最小，但其值随着隧道间距的减小，其峰值轴力值增加较为显著。

在双洞隧道间距从8D减为0.5D的过程中，左洞拱顶峰值轴力从-770 kN增至-1 340 kN，绝对值增加幅度为74.03%；右洞拱顶峰值轴力从-865 kN增加到-2 265 kN，绝对值增加幅度为161.85%；左洞仰拱峰值轴力从-476 kN增至-1 790 kN，绝对值增加幅度为276.05%；右洞拱顶峰值轴力从-546 kN增至-1 570 kN，绝对值增加幅度为187.55%。

拱肩处峰值轴力随间距变化则没有那么显著，当两洞间距为8D时，左洞左拱肩峰值轴力为1 880 kN，左洞右拱肩为2 480 kN，右洞左拱肩为2 190 kN，右洞右拱肩为1 880 kN。在0.5D间距时，左洞左拱肩峰值轴力为1 800 kN，左洞右拱肩为3 280 kN，右洞左拱肩为3 160 kN，右洞右拱肩为2 460 kN，相比8D间距时的峰值轴力绝对值，提升幅度分别为-4.26%,32.26%,44.29%,30.85%。

(6)包括弯矩、剪力和轴力在内的隧道衬砌峰值弯矩在不同的间距下，隧道左洞右侧与右洞左侧的内力值均大于其余两侧，表明在地震作用下，双洞隧道之间存在强烈的相互地震作用，且随着间距的减小，其动力相互作用更加强烈。

以《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)规定的混凝土设计强度为依据，设定地震作用下的隧道衬砌峰值内力与设计强度的比值为内力安全系数，≥1的可以认定为安全，而<1则视为不满足设计强度要求，由于左右隧道的内力分析基本呈对称分布，此处以右洞隧道为例，其断面监测点地震动力安全系数如图10所示。

图10 右洞隧道监测点地震安全系数

由图10可知：隧道间距越小，隧道地震安全系数越小，隧道间距为0.5D时，各监测点安全系数最小，其数值均小于1，说明此时的结构地震安全性已无法满足安全要求；隧道间距超过1D后，拱顶和拱肩拱腰处的地震安全系数均大于1，而墙角处的地震安全系数均小于1，说明墙角是隧道抗震的薄弱环节；仰拱处的安全系数也较小，其数值略大于墙角，也属于隧道抗震的关键部位；当隧道间距为2D时，除了两个墙角处的地震安全系数略小于1之外，其他监测点的安全系数均大于1，且随着隧道间距的增加，其地震安全系数也在稳定增长，故可以将2D设定为地震作用下的双洞隧道临界间距。

图11～18所示为地震波作用20 s停止不同间距下的右洞隧道衬砌弯矩和双洞围岩塑性破坏图。由图11～18可知：双洞隧道间距越小，衬砌在地震作用下的内力与动应力越高，相应的隧道围岩损伤也越严重；当间距为0.5D时，双洞隧道围岩明显出现大面积的塑性破坏，说明双洞隧道之间确实存在较强的地震动力相互作用；当隧道间距达到临界间距2D时，围岩塑性破坏区显著减小，且随着隧道间距的增加，其塑性破坏区的范围逐步减小。

图11 0.5D间距时右洞弯矩Fig.11 Bending moment of right tunnel with 0.5D interval

图12 2D间距时右洞弯矩Fig.12 Bending moment of right tunnel with 2D interval

图13 4D间距时右洞弯矩Fig.13 Bending moment of right tunnel with 4D interval

图14 8D间距时右洞弯矩

图15 0.5D间距时双洞隧道围岩Fig.15 Double tunnel rock with 0.5D interval

图16 2D间距时双洞隧道围岩

图17 4D间距时双洞隧道围岩 Fig.17 Double tunnel rock with 4D interval

图18 8D间距时双洞隧道围岩

3 隧道震害调查对比

以2008年汶川8.0级大地震中都汶公路隧道震害调查情况为例[4-5]。调差范围为都汶公路沿线14座隧道，其中双洞隧道3座，在地震中均为严重受损状态；其余11座为单洞隧道，其中严重受损仅1座，中度受损7座，轻微受损3座。可见在同一地震作用下，由于洞室间距的动力相互作用影响，双洞隧道的震害明显高于单洞隧道。

由于都汶公路各隧道围岩地层以及震中距等指标存在一定差异，为使震害调查结果更具有客观性和可比性，在此以都汶公路中震中距最接近且隧道围岩类别和埋深等参数均比较接近的龙溪隧道(双洞)与龙池隧道(单洞)两座隧道的震害情况进行对比。两座隧道的震害情况对比如表2所示，图19～22分别为龙池隧道和龙溪隧道的震害现场情况。

表2 汶川地震隧道震害比较

图19 龙池隧道洞口地板底鼓Fig.19 Floor swelling at Longchi tunnel entrance

图20 龙池隧道衬砌开裂渗水

图21 龙溪隧道钢拱架扭曲变形Fig.21 Distortion of steel arch of Longxi tunnel

图22 龙溪隧道衬砌塌方

由以上图表可知，龙池隧道震害只是隧道洞口段存在地板底鼓现象以及洞身衬砌有衬砌开裂渗水现象；龙溪隧道震害则严重得多，不仅隧道地板底鼓严重，而且存在衬砌塌方，钢筋扭曲变形，钢拱架扭曲破坏失去承载力等严重震害。由此可见，两座隧道围岩参数接近，震中距相近，但龙溪隧道震害明显比龙池隧道严重，其原因正是由于龙池隧道为单洞隧道，而龙溪隧道为双洞隧道，且多数地段洞室间距为15～30 m，已经达到甚至超过双洞隧道地震安全临界间距，故在同样地震波作用下，其震害较为严重。这一现象与双洞隧道地震响应数值分析计算结果相一致。