下穿高铁城市矩形隧道减震层材料优选分析

魏杭杭 郭艳军 谢 优 崔光耀

(1.北方工业大学，北京100144；2.四川电力设计咨询有限责任公司，成都 610041)

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，我国的基础设施发展迅速，人们对隧道抗震问题的重视程度越来越高，特别是近年来我国发生几起较大地震，多个公路隧道遭到较为严重的破坏，人民生命财产安全受到极大危害，隧道抗震问题愈加突出。

目前，在隧道减震技术方面的研究有了长足的进步，其中在减震层方面的研究主要有强震区跨断层隧道减震效果技术研究[1-2]，对隧道施设减震层减震机制的研究[3-4]，减震层对隧道地震响应影响的试验研究[5-6]，减震层对跨断层隧道的抗震效果研究[7-9]。对减震层的研究有很多，但是对下穿高铁城市浅埋隧道施设减震层的减震技术研究较少。因此，笔者以某下穿高铁城市的浅埋双连拱矩形隧道工程为例，分析减震层材料对减震效果的影响，进行减震层材料的优选研究。

1 某城市隧道概况

1.1 地质条件

根据地质勘测，该城市浅埋双连拱矩形隧道工程下穿高铁，所处位置岩层主要为砂岩，成分主要以石英、长石为主，粒状结构，层状构造，泥质胶结，为Ⅳ级围岩。

1.2 衬砌结构设计

该浅埋双连拱隧道为矩形隧道，隧道底板厚110 cm，侧墙厚100 cm，中隔墙厚80 cm，顶板厚80 cm，隧道结构整体混凝土强度等级为C40，垫层为C20混凝土，隧道高8 m，跨度24 m。

2 隧道计算模型及参数设置

2.1 计算模型

根据该隧道工程的地质资料和水文地质条件建立有限元模型。建立有限元模型时，隧道左右宽度取6倍洞宽，该城市矩形隧道宽24 m，故模型宽度取290 m，纵向开挖深度20 m，隧道顶板距高铁8 m，底部基岩厚度取模型底部向上20 m，隧道围岩取Ⅳ级围岩，减震层施设于衬砌与围岩之间。计算模型的边界条件为底部和四周约束所有自由度，上边界没有约束。计算模型如图1所示。

图1 计算模型图

2.2 计算参数

减震层材料为硬质聚氨酯板和海绵橡胶板，围岩条件根据地质勘测选取Ⅳ级围岩，基岩为Ⅱ级围岩，计算参数如表1所示。

表1 模型参数设置

2.3 计算工况

笔者主要进行下穿高铁城市矩形隧道减震层材料优选研究，计算工况如表2所示。

表2 减震效果计算工况

2.4 动力参数

地震波选取汶川地震加速度波(卧龙测站实测)，地震波经调幅、相似变换、滤波和基线校正。加载时将按7度地震烈度标准化，持续15 s的地震波同时从模型底部沿(x,y,z) 3个方向向上部传递。地震波加速度时程曲线(以x方向为例)如图2所示。

图2 加速度时程曲线

2.5 测点布置

隧道设置1个监测断面，断面的位置为隧道纵向中间界面，该监测断面共设置9个测点。测点布置如图3所示。

图3 测点布置

3 减震效果分析

3.1 最大主应力

在减震效果分析的计算中，最大主应力为第1主应力，最小主应力为第3主应力。

通过数值模拟分析得到，3种工况隧道结构拱顶最大主应力达到最大值时(2个拱顶取最大值)9个监测点的最大主应力，结果如表3所示。

表3 监测点最大主应力

由表3可知，施加减震层后，即工况2、工况3相较于工况1最大主应力都有明显下降。3种工况的最大主应力的分布趋势基本相同，中墙是3个监测断面的最大主应力最大值所处的位置，工况1最大，为2.83 MPa；工况2为2.40 MPa，工况3为2.48 MPa。监测断面的最大主应力最小值出现在左拱肩和左、右底板处，工况1最大主应力最小出现在左拱肩处，为0.35 MPa，工况2为0.24 MPa，工况3为0.26 MPa。

最大主应力减震效果计算公式如下：

(1)

式(1)中，ρσ为减震效果；σq为无减震层隧道结构的最大主应力；σh为施设减震层后隧道结构的最大主应力。

根据各工况隧道结构最大主应力计算减震效果，计算结果如表4所示。

表4 监测点最大主应力减震效果

由表4可知，2种工况的减震效果较为不同，工况2左侧部位减震效果较好，工况3右侧部位减震效果较好。工况2减震效果最小值出现在隧道右底板处，最小值为4.84%，减震效果最大值出现在左底板处，最大值为40.71%；工况3减震效果最小值出现在隧道左拱顶处，最小值为1.61%，减震效果最大值出现在右拱顶处，最大值为64.45%。由最大主应力分析可知，施设10 cm厚海绵橡胶板的抗震效果较好。

3.2 结构内力

通过数值模拟分析，得到3个工况隧道结构拱顶最大主应力达到峰值时(2个拱顶取最大值)9个监测点的轴力、弯矩，并对工况2、工况3进行减震效果分析。

3.2.1 轴力

通过数值模拟分析得到3个工况各监测点的轴力，结果如表5所示。

表5 各监测点轴力

由表5可知，施设减震层后，隧道结构所受轴力整体呈下降趋势。其中，工况1的右底板测点处受拉应力影响，其余各处均为压应力状态，轴力最大值出现在中墙处，最大值为-2 513 kN；工况2的监测断面轴力分布趋势和工况1相同，最大值出现在中墙处，为-2 144 kN；工况3的监测断面轴力均呈现压应力状态，最大值在中墙处，为-1 958 kN。

3.2.2 弯矩

提取各工况监测点弯矩，如表6所示。

表6 各监测点弯矩

由表6可知，工况1监测断面弯矩最大值出现在右底板处，受力状态为外侧受压，最大值为-203.5 kN·m；工况2弯矩最大值出现在左底板处，受力状态为外侧受压，最大值为-184.3 kN·m；工况3弯矩最大值出现在左底板处，受力状态为外侧受压，最大值为-197.2 kN·m。

3.3 结构安全系数

通过数值模拟分析得到3个工况隧道结构拱顶最大主应力达到最大值时(2个拱顶取最大值)9个监测点的数据计算安全系数，并进行减震效果分析，安全系数计算按照公路隧道设计规范[10],计算公式如下：

KN≤φαRabh

(2)

(3)

式(2)和式(3)中，K为安全系数；N为轴力；φ为构件纵向弯曲系数；α为轴向力偏心影响系数；Ra为混凝土抗压极限强度；b为界面宽度，取b=1 m；h为界面厚度；Rl为混凝土抗拉极限强度；e0为偏心距。当隧道为小偏心受压时采用式(2)计算安全系数，当隧道为大偏心受压时采用式(3)计算安全系数。

3个工况各个监测点的安全系数的计算结果，如表7所示。

表7 监测点安全系数

由表7可知，施设减震层后，隧道结构各监测点安全系数均有增大的趋势。3个工况监测点安全系数最小值均出现在左拱顶处，工况1左拱顶处的安全系数最小，为5.34；工况2最大，为5.44。工况1的安全系数最大值出现在右边墙处，为46.21，工况2、工况3的安全系数最大值均出现在左拱肩处，分别为122.92和105.71。

安全系数减震效果计算公式如下：

(4)

式(4)中，ρK为安全系数的减震效果；Kh为施设不同材料减震层后隧道结构的安全系数；Kq为无减震层隧道结构的安全系数。

提取各工况隧道结构安全系数进行减震分析，计算结果如表8所示。

表8 监测点安全系数减震效果

由表8可知，工况2和工况3的减震效果整体趋势基本相同，整体减震效果较好。2个工况的减震效果最大值出现在左拱肩处，工况2的减震效果最大值为249.20%，工况3的减震效果最大值为200.31%；2个工况的减震效果最小值出现在左拱顶处，工况2为1.87%，工况3为1.69%。由结构安全系数可知，施设10 cm厚海绵橡胶板效果最佳。

4 结论

以某城市浅埋隧道工程为背景，通过数值模拟对不同材料减震层的减震效果进行了研究，研究结果如下：

(1)施设10 cm厚海绵橡胶板时，最大主应力减震效果最小为4.84%，最大为40.71%；安全系数减震效果最小为1.87%，最大为249.20%。

(2)施设10 cm厚硬质聚氨酯板时，最大主应力减震效果最小为1.61%，最大为64.45%；安全系数减震效果最小为1.69%，最大为200.31%。

(3)综合各项分析可知，海绵橡胶板减震抗震效果较好，下穿高铁城市隧道减震层材料优先选择海绵橡胶板。