高烈度地震区隧道软硬围岩交接段刚柔并济抗减震技术研究*
2021-05-12崔光耀田宇航麻建飞郭艳军
崔光耀，田宇航，麻建飞，郭艳军，谢 优
(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144； 2.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)
0 引言
隧道作为交通运输网重要组成部分，其结构轻微震害将严重影响整个交通枢纽正常运行[1]。因此，对高烈度地震区隧道抗减震技术研究十分必要。
隧道减震措施主要包括隔震设计(减震层)和结构铰接(减震缝)[2-3]。隧道常用抗震措施包括结构加强与围岩加强2类：结构加强主要通过提高衬砌刚度、强度和韧性实现；围岩加强主要通过施加锚杆、注浆等措施实现[4-5]。以往研究发现，仅通过提高衬砌强度/刚度，加强软弱围岩中隧道结构抗震性能效果不明显，故学者提出 “结构加强+减震层”抗减震措施，抵抗地震作用[6]。
2008年5月12日汶川地震中，龙溪隧道、白云顶隧道和酒家垭隧道软硬围岩交接段均遭受衬砌网状开裂、渗水、错台、垮塌等严重震害，软硬围岩交接段破坏成为隧道遭受典型震害之一[7-8]。目前，针对隧道软硬围岩交接段研究主要有：基于震害资料，分析软硬围岩交接段震害机理[9]；借助振动台试验等研究软硬围岩交接段地震响应[10-11]；利用数值模拟等对软硬围岩交接段采用纤维混凝土、提高结构强度/刚度和围岩注浆等抗震措施的研究[12]；利用模型试验等研究软硬围岩交接段中减震层、减震缝等措施的减震效果[13-14]；对软硬围岩交接段施工方法研究[15]。以上研究主要集中于隧道软硬围岩交接段震害机理、地震响应、抗震技术、减震措施和施工方法，对刚柔并济法研究仅限于隧道洞口段，且多为“提高混凝土+减震层”法，对“减震层+钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)衬砌”抗减震措施研究较少。
本文以某铁路隧道为背景，借助有限差分软件FLAC3D，对“减震层+SFRC衬砌”刚柔并济方法抗减震性能进行研究，研究结果可为隧道软硬围岩交接段抗震设防提供参考。
1 研究概况
1.1 工程背景
隧道软硬围岩交接段下盘主要为中风化变粒岩，属坚硬围岩；上盘围岩以黑云母花岗岩为主，属极软岩，矿物成分大部分已蚀变，颗粒胶结较差，风化裂隙发育，岩体以砾状及破碎状、松散结构为主。
隧道为复合式衬砌，初期支护为C20喷射混凝土，厚度0.30 m，二衬为C25模筑混凝土，厚度0.50 m。
1.2 计算工况
本文设置4种工况，见表1。减震层材料选用橡胶海绵板，设于初支与二衬之间，厚度0.1 m。SFRC衬砌结构强度等级为CF25，钢纤维掺量为42 kg/m3。
表1 4种工况Table 1 Four conditions
1.3 物理参数
模型中混凝土参数参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，围岩参数由工程设计勘察资料提供，钢纤维混凝土与减震层参数由室内试验测得，主要材料物理参数见表2。
表2 主要材料的物理参数Table 2 Physical parameters of main materials
1.4 计算模型建立
基于Mohr-Coulomb准则，利用有限差分软件FLAC3D构建理想弹塑性模型。隧道埋深43 m，左右两侧围岩宽度45 m，纵向长度90 m。模型上盘为Ⅴ级围岩，下盘为Ⅲ级围岩，软硬围岩交接面倾角与隧道纵向夹角65 °，模型沿底部向上10 m为基岩层。计算模型如图1所示。
图1 计算模型Fig.1 Calculation model
动力荷载采用汶川地震中卧龙测站测得地震波加速度时程。采用Seismo Signal软件进行数字滤波处理，消除干扰波，为防止计算结束后出现残余位移，对地震波进行基线矫正，处理后地震波加速度时程曲线如图2所示(以X方向为例)。动力阻尼选用Local阻尼，阻尼系数0.157 1，边界为自由场边界。计算时地震波沿模型最底部基岩向上传播。
图2 地震波加速度时程曲线Fig.2 Time history curve of seismic wave acceleration
1.5 监测点布置
设置7个监测面(S1～S7)，监测面布置如图3所示。每个监测面设置8个测点，测点布置如图4所示。
图3 监测面布置Fig.3 Layout of monitoring sections
图4 测点布置Fig.4 Arrangement of measuring points
2 计算结果分析
2.1 结构变形
提取震后结构拱顶沉降和边墙收敛值，结构变形如图5所示。计算工况2～4相对工况1结构变形减小百分比，见表3。
图5 结构变形Fig.5 Structural deformation
表3 结构变形减小百分比Table 3 Percentage reduction of structural deformation %
由图5可知，对于隧道软硬围岩交接段，软弱围岩监测面S1处拱顶沉降与边墙收敛均为大值，由监测面S1 到监测面S7，模型横截面内硬岩范围逐渐增加，隧道软硬围岩交接段拱顶沉降和边墙收敛逐渐减小，至硬岩监测面S7时拱顶沉降和边墙收敛均为最小值。
由表3可知，结构仅施加减震层，拱顶沉降减小10.54%～81.10%，边墙收敛减小13.92%～78.77%；仅使用SFRC衬砌，拱顶沉降减小3.04%～18.02%，边墙收敛减小4.70%～32.00%；当隧道采用“SFRC+减震层”刚柔并济抗减震技术，拱顶沉降减小18.46%～83.98%，结构边墙收敛减小17.54%～85.47%。
2.2 地震动峰值加速度
提取震后隧道结构拱顶测点加速度时程曲线，如图6所示(以工况1中S3监测面为例)。由加速度时程曲线提取结构地震动峰值加速度(Peak ground acceleration，PGA)如图7所示。计算工况2～3的PGA，相对工况1 PGA变化百分比，见表4。
图6 加速度时程曲线Fig.6 Time history curve of acceleration
图7 结构地震动峰值加速度Fig.7 Peak ground acceleration
表4 PGA增大/减小百分比Table 4 Increase/decrease percentage of PGA%
由图7可知，4种工况下，由监测面S1～S7，模型截面内软岩范围逐渐减少，PGA随之减小。在坚硬围岩中PGA自由面放大作用有限，在软弱围岩中放大作用较明显。
由表4可知，相较于工况1，工况2PGA减小31.42%～72.02%，减震层阻隔地震向衬砌构传播作用明显；工况3PGA相较于工况1，增加13.95%～27.48%；工况4PGA相较于工况1减小30.00%～69.98%。工况2～4中，隧道结构PGA增大/减小百分比随模型截面内软岩范围减少逐渐减小。
2.3 结构内力
提取震后结构拱顶内力时程曲线(轴力、弯矩和安全系数)，如图8(以工况1中监测面S5为例)所示。
图8 内力时程曲线Fig.8 Time history curve of internal force
选用监测面结构安全系数最小值表征隧道结构安全性，每个监测面最小安全系数如图9所示。工况2～4中，各监测面最小安全系数较工况1增加百分比，见表5。
由图9可知，4种工况下各监测面最小安全系数随模型断面坚硬围岩范围增加而增加，结构安全性逐渐提高，监测面S7最小安全系数值最大，结构相对安全。
由表5可知，工况2结构最小安全系数较工况1增加18.04%～66.13%；工况3结构最小安全系数较工况1增加7.49%～30.99%；工况4最小安全系数较工况1增加47.95%～83.56%，隧道结构安全性显著提高。
图9 最小安全系数Fig.9 Minimum safety factors
表5 最小安全系数增加百分比Table 5 Percentage reduction of growth safety factors %
3 结论
1)对于高烈度地震区隧道软硬围岩交接段，相比工况1，工况2拱顶沉降减小10.54%～81.10%，边墙收敛减小13.92%～78.77%，衬砌结构PGA减小31.42%～72.02%，结构最小安全系数增加18.04%～66.13%。
2)“SFRC衬砌”抗震措施即工况3，相比工况1拱顶沉降减小3.04%～18.02%，边墙收敛减小4.70%～32.00%，衬砌结构PGA增加13.95%～27.48%，结构最小安全系数增加7.49%～30.99%。
3)“施作减震层+SFRC衬砌”刚柔并济抗减震措施即工况4，相比工况1拱顶沉降减小18.46%～83.98%，结构边墙收敛减小17.54%～85.47%，衬砌结构PGA减小30.00%～69.98%，结构最小安全系数增加47.95%～83.56%。
4)4种抗减震措施抗减震性能由高到低依次为：工况4>工况2>工况3>工况1，推荐隧道实际抗震设防采用“减震层+SFRC衬砌”即工况4刚柔并济抗减震措施。
