麻建飛 郭艷軍 余君宇 葛 婧 崔光耀

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司， 成都 610041)

在我國西部地區(qū)大量的鐵路隧道需穿越軟硬圍巖交接帶，汶川地震的震害資料顯示隧道軟硬圍巖交接帶在強(qiáng)震中遭受了嚴(yán)重的震害，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的正常使用和災(zāi)后重建工作。因此，如何提高強(qiáng)震區(qū)隧道軟硬圍巖交接帶的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性是保證隧道安全運(yùn)行的重要因素。

國內(nèi)對于隧道軟硬交接帶的研究主要有：依托仁閣隧道等實(shí)際工程對隧道軟硬圍巖交接帶施工技術(shù)的研究[1-2]；利用汶川地震的震害資料對隧道洞口軟硬圍巖交接帶的破壞機(jī)理的研究[3-4]；采用數(shù)值模擬和大型振動(dòng)臺試驗(yàn)對隧道洞口軟硬圍巖交接帶的地震響應(yīng)的研究[5-6]；采用模型試驗(yàn)對隧道軟硬圍巖交接帶中設(shè)置減震縫、減震層的減震效果的研究[7-8]；利用數(shù)值模擬對隧道軟硬圍巖交接帶采用圍巖注漿等抗震措施的抗震效果的研究[9-10]；利用數(shù)值模擬研究淺埋隧道跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面的地震響應(yīng)[11]等。以上對于隧道軟硬圍巖交接帶的研究主要集中在施工技術(shù)、震害機(jī)理、地震動(dòng)力響應(yīng)和抗減震措施等方面，對軟硬圍巖交接面巖傾角的討論也僅在淺埋隧道中稍有提及，對強(qiáng)震區(qū)山區(qū)隧道中軟硬圍巖交接面傾角與震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性關(guān)系的研究較少。

本文利用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，對比分析強(qiáng)震作用下隧道跨越不同傾角軟硬圍巖交接面時(shí)結(jié)構(gòu)的變形、主應(yīng)力、剪應(yīng)力及內(nèi)力的變化規(guī)律，研究山區(qū)隧道在跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面時(shí)結(jié)構(gòu)震時(shí)安全性的差異問題。研究成果對提高強(qiáng)震區(qū)隧道軟硬圍巖交接帶的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性有著重要的意義。

1 研究情況

1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)概況

選取三心圓馬蹄形斷面隧道為計(jì)算模型，高11 m，跨度為8.55 m，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚0.25 m，二襯采用C30模筑混凝土，厚0.45 m。

1.2 計(jì)算工況

選取4種軟硬圍巖交接面傾角進(jìn)行分析，計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

1.3 數(shù)值模型的建立

利用有限差分軟件FLAC3D模擬跨越不同傾角軟硬圍巖交接面隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，數(shù)值模型的尺寸為100 m×120 m×90 m。隧道埋深50 m，縱向開挖深度120 m，隧道左右兩側(cè)取大于5倍隧道跨度(約45 m)。圍巖上盤為Ⅴ級圍巖(軟弱圍巖)，下盤為Ⅲ級圍巖(堅(jiān)硬圍巖)，軟硬圍巖交接面與隧道縱向正交。支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖采用實(shí)體單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用彈性模型，圍巖遵從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。模型從最底部往上10 m范圍內(nèi)設(shè)置基巖層，模擬地震波在傳輸過程中的剛性地基。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型(以45°傾角為例)

1.4 物理參數(shù)

計(jì)算模型中材料的物理參數(shù)如表2所示。

表2 模型的物理參數(shù)表

1.5 動(dòng)力計(jì)算

選取2008年汶川地震中臥龍站記錄的三方向加速度波作為模型輸入的地震波，加載時(shí)間為14.98 s。為減少干擾波的影響，借助SeismoSignal軟件對地震波進(jìn)行數(shù)字濾波處理。為消除動(dòng)力計(jì)算后產(chǎn)生的殘余位移，使用基線矯正軟件對地震波進(jìn)行基線矯正，矯正處理后地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示。計(jì)算時(shí)地震加速度波通過模型底部基巖向上傳播，模型底部采用靜態(tài)邊界，四周采用自由場邊界。

圖2 加速度時(shí)程曲線圖(以X向?yàn)槔?

1.6 監(jiān)測面及測點(diǎn)布置

模型共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測面，監(jiān)測面布置如圖3所示。相鄰監(jiān)測面間距10 m，監(jiān)測面S1～S9模型橫截面中軟巖范圍逐漸減小，硬巖范圍逐漸增加。每個(gè)監(jiān)測面共設(shè)置8個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 監(jiān)測面布置圖(m)

圖4 測點(diǎn)布置圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 邊墻收斂

震后各工況隧道結(jié)構(gòu)的邊墻收斂量，如圖5所示。

圖5 邊墻收斂量圖

由圖5(a)可知，隧道軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)(監(jiān)測面S1～S4)的邊墻收斂量均遠(yuǎn)大于硬巖側(cè)結(jié)構(gòu)(監(jiān)測面S6～S9)的邊墻收斂量，監(jiān)測面S1～S9結(jié)構(gòu)邊墻收斂量逐漸減小。由圖5(b)可知，軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)邊墻收斂量與結(jié)構(gòu)距交界面的距離成正比，隨著結(jié)構(gòu)距交界面距離的增大，結(jié)構(gòu)邊墻收斂量逐漸增大。

軟巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)交接面傾角為30°時(shí)各監(jiān)測面的邊墻收斂量最大，為3.08～6.94 mm；傾角為45°時(shí)軟巖側(cè)各監(jiān)測面的邊墻收斂最小，為2.71～6.23 mm。交接面傾角為60°和75°時(shí)軟巖側(cè)各監(jiān)測面的邊墻收斂量介于交接面傾角為30°和45°的工況之間，分別為3.00～6.34 mm和2.72～6.89 mm。交接面傾角為45°時(shí)，軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)的邊墻收斂相較于傾角為30°、75°和60°的工況平均減小13.20%、8.21%和5.06%。

硬巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)在交接面傾角為45°時(shí)各監(jiān)測面二襯的邊墻收斂量最大，為0.82～1.06 mm，傾角為30°時(shí)硬巖側(cè)各監(jiān)測面二襯的邊墻收斂量最小，為0.09～0.69 mm。交接面傾角為60°和75°時(shí)結(jié)構(gòu)的邊墻收斂量介于傾角為45°和30°的工況之間，分別為0.60～0.92 mm和0.41～0.54 mm。交接面傾角為30°時(shí)，硬巖側(cè)隧道二襯的邊墻收斂量相較于傾角為45°、60°和75°的工況平均減小75.21%、71.19%和52.96%。

2.2 最大主應(yīng)力

震后隧道二襯的最大主應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 最大主應(yīng)力圖

由圖6可知，4種工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值均在軟硬圍巖交接面拱頂處，極小值均在軟巖側(cè)洞口左、右拱腳處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時(shí)，二襯的最大主應(yīng)力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小45.08%、38.17%和38.40%。

2.3 最大剪應(yīng)力

震后隧道二襯的最大剪應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 最大剪應(yīng)力圖

由圖7可知，4種工況下二襯的最大剪應(yīng)力峰值均在軟硬圍巖交接面左、右拱肩處，極小值在隧道兩側(cè)洞口仰供處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時(shí)，二襯的最大剪應(yīng)力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小26.13%、25.74%和19.05%。

2.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由式(1)、式(2)[11-12]計(jì)算各測點(diǎn)的安全系數(shù)時(shí)程曲線，如圖8所示。取同一監(jiān)測面上不同測點(diǎn)所有時(shí)步的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的最小值進(jìn)行分析，如圖9所示。

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：b——二襯的截面寬度(m)；

h——二襯的截面厚度(m)；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度(MPa)；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度(N)；

K——安全系數(shù)；

φ——襯砌縱向彎曲系數(shù)；

α——軸向力偏心影響系數(shù)；

e0——截面偏心距(m)。

圖8 安全系數(shù)時(shí)程曲線圖(工況4監(jiān)測面S5拱頂測點(diǎn))

圖9 結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)圖

由圖9(a)可知，4種工況下，監(jiān)測面S1～S9的結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)逐漸增大。鑒于隧道硬巖側(cè)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均已大于TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的安全系數(shù)的允許值2.4，故本文對軟巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

由圖9(b)可知，交接面傾角為30°時(shí)，結(jié)構(gòu)各監(jiān)測面的最小安全系數(shù)最小，為0.804～1.795，震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最低。交接面傾角為60°時(shí)，各監(jiān)測面的最小安全系數(shù)為1.055～1.923，震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最高。交接面傾角為45°和75°時(shí)，各監(jiān)測面最小安全系數(shù)介于交接面傾角為30°和60°的工況的值之間，分別為0.993～1.871和0.945～1.809。軟硬圍巖傾角為60°時(shí)，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)相比于傾角為30°、45°和75°的工況平均增大20.90%、3.51%和9.18%。

3 結(jié)論

本文通過建立跨越不同交接面傾角隧道的有限元模型，對比分析跨越不同交接面傾角的隧道邊墻的收斂、最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及內(nèi)力的變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

(1)軟巖側(cè)隧道的邊墻收斂量在軟硬圍巖交接面傾角為45°時(shí)最小，隧道二襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值和最大剪應(yīng)力峰值在交接面傾角為30°時(shí)最小。隧道二襯的最小安全系數(shù)在交接面傾角為60°時(shí)最大。

(2)綜合結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和內(nèi)力分析結(jié)果可知，跨越不同軟硬圍巖交接面傾角隧道的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性，由高至低為：傾角60°>傾角45°>傾角75°>傾角30°。

(3)隧道軟硬圍巖交接帶軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)震時(shí)安全性均低于硬巖側(cè)，軟巖側(cè)應(yīng)為隧道抗震設(shè)防的重點(diǎn)段落。交界面傾角為30°時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最低，建議采取“減震層+結(jié)構(gòu)加強(qiáng)”的抗減震措施進(jìn)行隧道的抗震設(shè)防。