减震层对浅埋双洞隧道衬砌结构的减震作用

白 哲，王海有，周海涛，郑 超，张永存，薛 娜，肖 贝

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036； 2.平顶山市公路事业发展中心，河南 平顶山 467036；3.聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059)

我国地处环太平洋地震带，地震活动频繁、强烈，全国有超过一半的城市位于地震基本烈度Ⅶ度或Ⅶ度以上地区[1-3]。在1995年的日本阪神地震、2008年汶川地震和2013年雅安地震发生期间，大量地下结构发生破坏，颠覆了地下结构天然抗震性能良好的传统观念，同时也促进了各国学者对高烈度地震区隧道及地下结构抗减震技术问题的重新理解和认识，推动了隧道及地下结构抗减震理论的进一步发展[4-7]。

已有众多学者对地下结构的抗减震措施进行研究，结果表明：设置减震层等措施能在一定程度上减轻结构的震害，并且隧道埋深越小，其受到的地震作用越强，引起的破坏程度越严重[8-10]。上述研究大多以单洞隧道为基础，且主要分析地震对隧道衬砌结构应力的影响，而针对双洞隧道，分析地震对隧道衬砌结构内力影响的研究较少。考虑到我国大多数交通隧道是双洞隧道，结构内力是影响隧道衬砌结构设计的直接因素，因此，有必要针对浅埋双洞隧道，进一步分析减震层对隧道衬砌结构内力的动力影响规律，揭示双洞隧道间的动力相互影响，为浅埋双洞隧道衬砌结构的地震安全性评价提供依据。

本文以河北省涿鹿县宋家庄隧道为依托，通过研究减震层对隧道衬砌结构内力、位移的影响及双洞隧道的动力相互作用，分析减震层的减震作用，为浅埋双洞隧道的抗震设防提供参考。

1 工程背景

宋家庄隧道位于河北省涿鹿县宋家庄村附近，隶属于张(张家口)涿(涿州)高速公路，呈南北走向展布。隧道进出口靠近省道宝平线，可通汽车，交通较为方便。宋家庄隧道为单向两车道双洞隧道，隧道左幅长269 m，右幅长288 m，双洞间的平均净距约15 m，属浅埋小净距短隧道。宋家庄隧道的外开挖宽度为14.6 m，高度为10.8 m，平均埋深约29 m，采用六心圆曲墙拱形断面。

隧道区位于太行山地区，隧道区地势起伏属重山区，地形较复杂，洞口处为岩石地貌，洞口坡度较陡，总体走向呈北东20°～40°。根据工程地质测绘及钻探揭露，隧道区地层为第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)松散堆积土体和燕山期岩体(γ53)。在揭示范围内地层岩性为：第四系地层为全新统冲洪积层(Q4al+pl)，隧道区内部分地段分布薄层角砾土；燕山期地层(γ53)岩性为粗粒二长花岗岩，伏于第四系冲洪积层之下。

隧道区位于华北地震区，太行山前属华北平原地震带，根据河北省工程地震勘察院所提交的《张家口至涿州公路张家口段工程场地地震安全性评价报告》，隧道区的地震动峰值加速度值为0.2 g，对应于地震基本烈度Ⅷ度，该区域的地震活跃性较强。

2 动力计算模型及计算条件

2.1 模型范围及材料参数

宋家庄隧道的外开挖宽度B为14.6 m，平均埋深约为隧道宽度的2倍，即2B，双洞间的平均净距约等于隧道宽度，即1B。根据该隧道建筑界限、地形及地质条件，并考虑到动力计算的边界效应问题，计算模型宽度沿两隧道中线各向外取3B，合计8B；计算模型高度取隧道仰拱以下40 m，拱顶以上取2B；计算模型纵向长度取50 m。建立实际工况模型，记为工况1，如图1所示。工况1共有24 860个单元，27 027个节点。

图1 实际工况模型

在隧道二次衬砌和初期支护之间加设一层橡胶基高分子复合材料作为减震层，厚10 cm，建立设置减震层的隧道模型，记为工况2。为考察双洞隧道的相互影响，工况2又分为7种，分别记为工况2-1～工况2-7，对应的隧道净距分别为0.5B、B、2B、3B、4B、5B、6B。

各计算模型中，围岩采用实体单元模拟，并采用Mohr-Coulomb屈服准则和弹塑性增量本构关系；二次衬砌为C20混凝土，厚度50 cm，采用shell结构单元模拟。地层、二次衬砌及减震层的计算参数如表1所示。

表1 材料计算参数表

2.2 地震波加载

在地下结构地震动力时程分析中所采用的地震波主要有三种：拟建场地的实际地震记录、有代表性的过去强震记录和人工合成地震波。本文的动力分析采用汶川地震波，考虑到计算时间的缩短，取前 10 s 进行计算。隧道所在区域的地震动峰值加速度值为0.2 g，相对应的地震基本烈度为Ⅷ度，因此将汶川波的加速度峰值进行调整，使实际输入的地震波加速度峰值为2.0 m/s2，其加速度时程曲线如图2所示。

图2 汶川波加速度时程曲线

2.3 阻尼及边界条件

FLAC3D在动力计算时，提供了3种阻尼形式，分别是瑞利阻尼、局部阻尼和滞后阻尼。由于瑞利阻尼的理论与常规动力分析方法类似，本文选用瑞利阻尼进行动力学分析，其临界阻尼比取5%。在动力分析时，边界上会存在波的反射，对动力分析结果产生影响。为减小边界反射影响，在模型四周施加自由场边界，如图3所示。

图3 实际工况模型的自由场边界

3 数值试验结果与分析

地震动力响应数值模拟分析过程分为三个步骤：第一步为设定自然地质条件下的初始应力场计算；第二步为全断面一次隧道开挖衬砌之后的静力平衡；第三步为施加动力荷载后的地震动力响应分析。

3.1 减震层对竖向位移的影响

对工况1与工况2-2模型进行数值模拟，记录地震作用下衬砌结构拱顶的竖向位移，得到无减震层与设置减震层两种情况下的拱顶竖向位移时程曲线，如图4所示。

图4 拱顶竖向位移的时程曲线

由图4可知：拱顶的初始竖向位移约为-5.2 mm，负号表示初始位移是竖直向下的；无减震层时，最大正位移为20.8 mm，最大负位移为-45.6 mm，即拱顶位移在-45.6～20.8 mm范围内上下波动，其位移的振幅较大，达66.4 mm；设置减震层后，拱顶的最大正位移为19.8 mm，拱顶的最大负位移为-45.7 mm，即拱顶位移在-45.7～19.8 mm范围内上下波动，其位移振幅达65.5 mm；地震作用结束后，拱顶最终产生的竖向位移约为-16 mm，比初始位移增大了10.8 mm，表明在地震作用下衬砌结构会产生较大位移，可能会影响隧道的正常使 用；设置减震层后拱顶竖向最大正位移减小 1mm，约5%，拱顶竖向最大负位移基本不 变，表明设置减震层对隧道衬砌结构的峰值 位移有一定影响，但影响程度较小，这是因为 虽然减震层的弹性模量较低，但其厚度较薄， 仅为10cm，所以对位移的影响非常有限；两 种工况下，拱顶位移时程曲线的形状基本一 致，表明设置减震层并不会显著改变衬砌结 构的频谱特性。

3.2 减震层对二次衬砌结构内力的影响

对工况1与工况2-2模型进行数值模拟，记录地震作用下衬砌结构的峰值内力，得到无减震层与设置减震层两种情况下的衬砌结构峰值内力，如表2所示。

表2 衬砌结构的峰值内力

由表2可以看出：设置减震层后，正、负弯矩分别减小16%、10%；峰值轴力减小8%；正、负剪力均减小22%；峰值剪力减小幅度最大，为22%，峰值轴力减小幅度最小，为8%；设置减震层后，衬砌结构的峰值内力均有不同程度的减小。

综上所述，设置减震层对衬砌结构的位移影响较小，而使衬砌结构峰值内力有相当程度的减小，因此，通过设置减震层来减小衬砌结构受力从而提高隧道抗震性能的手段是较为有效的。

3.3 双洞相互影响

对工况2的7种模型进行数值模拟，监测其横向峰值内力，结果见表3；绘制内力绝对值与隧道净距之间的关系曲线，如图5所示。

表3 衬砌结构的峰值内力(工况2)

由表3及图5可知：隧道净距从0.5B逐步增大到6B，峰值内力分别降低12%、6%、5%、10%、11%，表明随着隧道净距的增大，衬砌结构的横向峰值内力呈逐渐减小的趋势；当隧道净距超过5B后，峰值内力逐步趋于一个稳定值，并接近于单洞时的地震响应；净距对剪力的影响程度明显高于对轴力的影响；隧道净距较小时，两隧道衬砌结构远端的拱脚部位所受内力较大，是设计时需重点加强的部位；地震波在两个隧道之间反复相互作用，引起两洞室之间产生明显的相互作用，并且隧道间距越小，其相互作用越强烈。

图5 内力绝对值与隧道净距的关系

4 结论

以河北省涿鹿县宋家庄隧道为依托，通过研究减震层对隧道衬砌结构内力、位移的影响及双洞隧道的相互作用，得到以下结论：

(1) 设置减震层并不会显著改变衬砌结构的频谱特性，但可以减小传递至隧道衬砌结构的地震能量，从而使衬砌结构的峰值内力与峰值位移有所减小，但减震层对峰值内力的减小幅度大于对峰值位移的减小幅度。

(2) 隧道净距越小，其衬砌结构的地震响应就越强烈，表明双洞隧道之间存在明显的相互作用；随着隧道净距的增大，衬砌结构峰值内力逐渐减小，并逐渐接近单洞时的地震响应。

(3) 双洞隧道衬砌结构远端的拱脚部位所受内力较大，在设计时需重点加强，通过设置减震层来减小衬砌结构受力从而提高隧道抗震性能的手段是较为有效的，所得结论可为今后高烈度地震区浅埋双洞隧道的抗震设防提供一定参考。