强震区跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗震效果分析*

2021-07-12刘天旺郭艳军

中国安全生产科学技术 2021年6期

安栋，刘天旺，郭艳军

(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

我国西南地区的交通基础设施建设随着经济迅猛发展得到快速推进。但由于西南地区大多位于高烈度地震带，同时受到地形、地质的影响，隧道的建设不可避免地会通过高烈度地震区的跨断层地带[1-2]。纤维混凝土是纤维和水泥基料组成的复合材料，和素混凝土相比，其各种力学性能均有显著提升，因此在隧道工程中应用纤维混凝土材料可达到衬砌结构加固的目的，并且容易操作[3]。

目前，对于跨断层隧道的抗震技术，国内外的学者对其进行大量研究：文献[4-6]利用数值仿真软件对隧道在强震区的减震层减震效果进行分析研究；文献[7-9]采用模型试验及数值仿真对强震区隧道围岩注浆加固机制和抗震效果进行分析；文献[10-12]采用模型试验的方式对衬砌采用纤维混凝土材料的承载能力进行研究。

综上所述，现有文献主要是讨论隧道中布置减震层引起结构减震效果变化、围岩注浆的加固机制及隧道衬砌采用纤维混凝土的承载能力等内容，但对纤维混凝土隧道在跨断层抗震性能的研究较少。因此，本文采用替换衬砌材料为纤维混凝土的方法来实现结构的加固，从而加强隧道在跨断层的抗震性能；依托达万高速天坪寨隧道F1断层段，利用ABAQUS对隧道衬砌采用钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC)和钢-玄武岩混杂纤维混凝土(Steel Basalt Hybrid Fiber Reinforced Concrete，简称SBHFRC)的抗震效果进行研究。

1 天坪寨隧道F1断层段概况

1.1 地质条件

该断层段分布于拟建隧道所穿越的背斜轴部西侧，几乎纵贯峨层山背斜全程，断层走向与背斜轴向一致。呈N30～40°E展布，倾向NW，倾角35～75°，在隧址区内其倾角约75°。上下盘均为砂岩(T1)，Ⅳ级围岩。破碎带主要由断层角砾和断层泥组成，Ⅴ级围岩，密实-半胶结状。

1.2 衬砌结构设计

该隧道断层段采用复合式衬砌结构。初支的厚度为0.25 m，其使用C20喷射混凝土。二衬的厚度为0.45 m，其使用C25模筑混凝土。

2 研究情况

2.1 计算模型

以天坪寨隧道F1断层段为背景建立计算模型，采用Mohr-Coulomb准则为屈服强度准则。隧道纵向开挖深度为100 m，埋深40 m，隧道基岩厚20 m。隧道左右两侧宽度取4～5倍洞宽(约为38 m)，断层的倾角为75°，破碎带宽度为11 m。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 计算参数

依据试验相关结果以及材料参数参考实际地勘资料得计算模型参数，见表1。

表1 计算模型参数

2.3 计算工况

计算工况见表2。

表2 计算工况

2.4 动力参数

本文模型采用理想弹塑性本构模型，模型底面与四周采用无限元边界并限制其所有自由度，顶面无约束[13]。地震波3个方向(x，y，z)同时从模型底部向上部传递[14]。地震波选取汶川地震中(卧龙测站)所测的加速度波，根据7度地震烈度进行调整，持续时间为15 s。校正滤波和基线后，处理后加速度时程曲线如图2所示(以x向为例)。

图2 加速度时程曲线

2.5 测点布置

该模型共11个监测断面，间距10 m，从中提取各断面8个测点的位移、应力等数值分析抗震效果，测点布置如图3所示。

图3 测点布置

3 抗震效果分析

3.1 结构位移分析

提取各工况断层破碎带段隧道结构的横向、纵向和竖向位移云图，如图4～6所示。提取工况2～3衬砌位移最大值并分析抗震效果(与工况1对比)，见表3。

图4 二衬结构横向位移云图

图5 二衬结构纵向位移云图

由表3可知，素混凝土(工况1)的最大横向、纵向和竖向位移分别为11.06，10.47，4.70 mm。当二衬结构采用纤维混凝土(工况2～3)材料之后，整体的最大位移值有所上升，抗震效果下降。使用纤维混凝土会导致位移的增大，但最大变形量仅为跨径的0.03%，对抗震效果影响有限。当二衬结构采用SFRC材料时最大横向、纵向和竖向位移分别为12.45，10.62，3.11 mm，相较于素混凝土二衬结构横向位移增大12.57%，纵向位移增大1.43%，竖向位移减小33.83%；当二衬结构采用SBHFRC材料时最大横向、纵向、竖向位移分别为11.80，12.81，5.89 mm，相较于素混凝土二衬结构分别增大6.69%，22.35%，25.32%。

表3 二衬结构最大位移值及抗震效果

3.2 内力分析

3.2.1 主应力分析

各工况破碎带段隧道的主应力最大值、最小值云图如图7～8所示。根据衬砌的最大、最小主应力计算工况2～3的抗震效果(相较于工况1)，见表4。

图6 二衬结构竖向位移云图

图7 二衬结构主应力最大值云图

由表4可知，素混凝土二衬结构(工况1)最大、最小主应力分别为2.53，-8.33 MPa。当二衬结构采用纤维混凝土后，整体应力值有所增大。二衬结构采用SFRC材料(工况2)时，最大、最小主应力分别为3.19，-9.97 MPa，相较于素混凝土分别增大26.09%，19.69%；二衬结构采用SBHFRC材料(工况3)时，最大、最小主应力分别为2.61，-8.51 MPa，相较于素混凝土分别增大了3.16%，2.16%。

表4 最大，最小主应力及抗震效果

图8 二衬结构主应力最小值云图

3.2.2 剪应力分析

各工况衬砌结构剪应力云图如图9所示。提取衬砌结构剪应力最大值，进而计算工况2～3的抗震效果(相较于工况1)，见表5。

图9 二衬结构剪应力云图

由表5可知，素混凝土二衬结构(工况1)最大剪切应力为8.07 MPa。当二衬结构采用纤维混凝土时(工况2～3)，最大剪切应力分别为9.75，8.25 MPa，相较于素混凝土二衬结构分别增大了20.82%，2.23%。

表5 最大剪应力及抗震效果

3.2.3 安全系数分析

通过计算结果得到各个监测点的量测数据，从而由公式(1)～(2)计算出各监测点的结构安全系数，并提取出各监测点的安全系数最小值[15]，计算其抗震效果(相较于工况1)，如式(1)～(2)所示：

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：N为轴力，N；α为轴向力偏心影响系数；b为截面宽度，m，取1 m；h为截面厚度，m；Ra为混凝土抗压极限强度，MPa；φ为构件纵向弯曲系数；R1为混凝土抗拉极限强度，MPa；K为安全系数；e0为轴向力偏心距，m。

监测断面最小安全系数及抗震效果见表6。

表6 监测断面最小安全系数及抗震效果

由表6可知，相较于二衬结构采用素混凝土材料，当采用纤维混凝土材料后，最小安全系数均大于素混凝土二衬结构，其抗震效果显著提升。当二衬结构采用SBHFRC时最小安全系数大于结构采用SFRC时的最小安全系数。因为本文主要研究隧道跨断层抗震效果，S6面为隧道断层面，所以取S6面说明，在断层破碎段，二衬结构采用SFRC相较于采用素混凝土抗震效果提升59.72%，二衬结构采用SBHFRC相较于采用素混凝土抗震效果提升54.74%。