魏杭杭 郭艷軍 謝 優(yōu) 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)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，人們對(duì)隧道抗震問題的重視程度越來越高，特別是近年來我國(guó)發(fā)生幾起較大地震，多個(gè)公路隧道遭到較為嚴(yán)重的破壞，人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到極大危害，隧道抗震問題愈加突出。

目前，在隧道減震技術(shù)方面的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中在減震層方面的研究主要有強(qiáng)震區(qū)跨斷層隧道減震效果技術(shù)研究[1-2]，對(duì)隧道施設(shè)減震層減震機(jī)制的研究[3-4]，減震層對(duì)隧道地震響應(yīng)影響的試驗(yàn)研究[5-6]，減震層對(duì)跨斷層隧道的抗震效果研究[7-9]。對(duì)減震層的研究有很多，但是對(duì)下穿高鐵城市淺埋隧道施設(shè)減震層的減震技術(shù)研究較少。因此，筆者以某下穿高鐵城市的淺埋雙連拱矩形隧道工程為例，分析減震層材料對(duì)減震效果的影響，進(jìn)行減震層材料的優(yōu)選研究。

1 某城市隧道概況

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)，該城市淺埋雙連拱矩形隧道工程下穿高鐵，所處位置巖層主要為砂巖，成分主要以石英、長(zhǎng)石為主，粒狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，為Ⅳ級(jí)圍巖。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該淺埋雙連拱隧道為矩形隧道，隧道底板厚110 cm，側(cè)墻厚100 cm，中隔墻厚80 cm，頂板厚80 cm，隧道結(jié)構(gòu)整體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，墊層為C20混凝土，隧道高8 m，跨度24 m。

2 隧道計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)該隧道工程的地質(zhì)資料和水文地質(zhì)條件建立有限元模型。建立有限元模型時(shí)，隧道左右寬度取6倍洞寬，該城市矩形隧道寬24 m，故模型寬度取290 m，縱向開挖深度20 m，隧道頂板距高鐵8 m，底部基巖厚度取模型底部向上20 m，隧道圍巖?、艏?jí)圍巖，減震層施設(shè)于襯砌與圍巖之間。計(jì)算模型的邊界條件為底部和四周約束所有自由度，上邊界沒有約束。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

減震層材料為硬質(zhì)聚氨酯板和海綿橡膠板，圍巖條件根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)選?、艏?jí)圍巖，基巖為Ⅱ級(jí)圍巖，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

2.3 計(jì)算工況

筆者主要進(jìn)行下穿高鐵城市矩形隧道減震層材料優(yōu)選研究，計(jì)算工況如表2所示。

表2 減震效果計(jì)算工況

2.4 動(dòng)力參數(shù)

地震波選取汶川地震加速度波(臥龍測(cè)站實(shí)測(cè))，地震波經(jīng)調(diào)幅、相似變換、濾波和基線校正。加載時(shí)將按7度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)15 s的地震波同時(shí)從模型底部沿(x,y,z) 3個(gè)方向向上部傳遞。地震波加速度時(shí)程曲線(以x方向?yàn)槔?如圖2所示。

圖2 加速度時(shí)程曲線

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

隧道設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面的位置為隧道縱向中間界面，該監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

3 減震效果分析

3.1 最大主應(yīng)力

在減震效果分析的計(jì)算中，最大主應(yīng)力為第1主應(yīng)力，最小主應(yīng)力為第3主應(yīng)力。

通過數(shù)值模擬分析得到，3種工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大主應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)(2個(gè)拱頂取最大值)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力，結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力

由表3可知，施加減震層后，即工況2、工況3相較于工況1最大主應(yīng)力都有明顯下降。3種工況的最大主應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本相同，中墻是3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大主應(yīng)力最大值所處的位置，工況1最大，為2.83 MPa；工況2為2.40 MPa，工況3為2.48 MPa。監(jiān)測(cè)斷面的最大主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在左拱肩和左、右底板處，工況1最大主應(yīng)力最小出現(xiàn)在左拱肩處，為0.35 MPa，工況2為0.24 MPa，工況3為0.26 MPa。

最大主應(yīng)力減震效果計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，ρσ為減震效果；σq為無減震層隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力；σh為施設(shè)減震層后隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力。

根據(jù)各工況隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力計(jì)算減震效果，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力減震效果

由表4可知，2種工況的減震效果較為不同，工況2左側(cè)部位減震效果較好，工況3右側(cè)部位減震效果較好。工況2減震效果最小值出現(xiàn)在隧道右底板處，最小值為4.84%，減震效果最大值出現(xiàn)在左底板處，最大值為40.71%；工況3減震效果最小值出現(xiàn)在隧道左拱頂處，最小值為1.61%，減震效果最大值出現(xiàn)在右拱頂處，最大值為64.45%。由最大主應(yīng)力分析可知，施設(shè)10 cm厚海綿橡膠板的抗震效果較好。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

通過數(shù)值模擬分析，得到3個(gè)工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大主應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)(2個(gè)拱頂取最大值)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力、彎矩，并對(duì)工況2、工況3進(jìn)行減震效果分析。

3.2.1 軸力

通過數(shù)值模擬分析得到3個(gè)工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力，結(jié)果如表5所示。

表5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力

由表5可知，施設(shè)減震層后，隧道結(jié)構(gòu)所受軸力整體呈下降趨勢(shì)。其中，工況1的右底板測(cè)點(diǎn)處受拉應(yīng)力影響，其余各處均為壓應(yīng)力狀態(tài)，軸力最大值出現(xiàn)在中墻處，最大值為-2 513 kN；工況2的監(jiān)測(cè)斷面軸力分布趨勢(shì)和工況1相同，最大值出現(xiàn)在中墻處，為-2 144 kN；工況3的監(jiān)測(cè)斷面軸力均呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，最大值在中墻處，為-1 958 kN。

3.2.2 彎矩

提取各工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩，如表6所示。

表6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩

由表6可知，工況1監(jiān)測(cè)斷面彎矩最大值出現(xiàn)在右底板處，受力狀態(tài)為外側(cè)受壓，最大值為-203.5 kN·m；工況2彎矩最大值出現(xiàn)在左底板處，受力狀態(tài)為外側(cè)受壓，最大值為-184.3 kN·m；工況3彎矩最大值出現(xiàn)在左底板處，受力狀態(tài)為外側(cè)受壓，最大值為-197.2 kN·m。

3.3 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

通過數(shù)值模擬分析得到3個(gè)工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大主應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)(2個(gè)拱頂取最大值)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算安全系數(shù)，并進(jìn)行減震效果分析，安全系數(shù)計(jì)算按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[10],計(jì)算公式如下：

KN≤φαRabh

(2)

(3)

式(2)和式(3)中，K為安全系數(shù)；N為軸力；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土抗壓極限強(qiáng)度；b為界面寬度，取b=1 m；h為界面厚度；Rl為混凝土抗拉極限強(qiáng)度；e0為偏心距。當(dāng)隧道為小偏心受壓時(shí)采用式(2)計(jì)算安全系數(shù)，當(dāng)隧道為大偏心受壓時(shí)采用式(3)計(jì)算安全系數(shù)。

3個(gè)工況各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，如表7所示。

表7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)

由表7可知，施設(shè)減震層后，隧道結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)均有增大的趨勢(shì)。3個(gè)工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在左拱頂處，工況1左拱頂處的安全系數(shù)最小，為5.34；工況2最大，為5.44。工況1的安全系數(shù)最大值出現(xiàn)在右邊墻處，為46.21，工況2、工況3的安全系數(shù)最大值均出現(xiàn)在左拱肩處，分別為122.92和105.71。

安全系數(shù)減震效果計(jì)算公式如下：

(4)

式(4)中，ρK為安全系數(shù)的減震效果；Kh為施設(shè)不同材料減震層后隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)；Kq為無減震層隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

提取各工況隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行減震分析，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)減震效果

由表8可知，工況2和工況3的減震效果整體趨勢(shì)基本相同，整體減震效果較好。2個(gè)工況的減震效果最大值出現(xiàn)在左拱肩處，工況2的減震效果最大值為249.20%，工況3的減震效果最大值為200.31%；2個(gè)工況的減震效果最小值出現(xiàn)在左拱頂處，工況2為1.87%，工況3為1.69%。由結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可知，施設(shè)10 cm厚海綿橡膠板效果最佳。

4 結(jié)論

以某城市淺埋隧道工程為背景，通過數(shù)值模擬對(duì)不同材料減震層的減震效果進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下：

(1)施設(shè)10 cm厚海綿橡膠板時(shí)，最大主應(yīng)力減震效果最小為4.84%，最大為40.71%；安全系數(shù)減震效果最小為1.87%，最大為249.20%。

(2)施設(shè)10 cm厚硬質(zhì)聚氨酯板時(shí)，最大主應(yīng)力減震效果最小為1.61%，最大為64.45%；安全系數(shù)減震效果最小為1.69%，最大為200.31%。

(3)綜合各項(xiàng)分析可知，海綿橡膠板減震抗震效果較好，下穿高鐵城市隧道減震層材料優(yōu)先選擇海綿橡膠板。