崔光耀，石文昊，王明勝，邱楓博

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

新時(shí)期我國對西部山區(qū)持續(xù)進(jìn)行交通開發(fā)建設(shè)，對線路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中會(huì)穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶一般出現(xiàn)在高烈度地震山區(qū)[1-2]，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，跨斷層隧道結(jié)構(gòu)將遭受嚴(yán)重破壞。因此，對高烈度地震區(qū)跨斷層隧道減震技術(shù)進(jìn)行研究十分必要[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對高烈度地震區(qū)跨斷層隧道減震技術(shù)問題開展研究：文獻(xiàn)[4-5]對強(qiáng)震影響穿越斷層破碎帶隧道機(jī)理進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6-7]對使用不同種類材料減震層的抗震效果進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[8-9]對使用斷層注漿加固的減震技術(shù)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[10-12]對施設(shè)減震縫跨斷層隧道減震技術(shù)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[13]針對施設(shè)在不同位置減震層的減震效果差異進(jìn)行研究。上述研究主要集中于影響機(jī)理、減震層材料、減震措施等方面，但針對高烈度地震區(qū)跨斷層隧道減震層厚度對減震效果影響的研究較少。

因此，本文以達(dá)萬高速天坪寨隧道F1斷層段為研究背景，利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D對跨斷層隧道施設(shè)不同厚度減震層減震效果進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為高烈度地震區(qū)跨斷層隧道抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

達(dá)萬高速天坪寨隧道F1斷層段位于四川盆地東部邊緣構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，為“人”字形中山地貌，屬新華夏系四川沉降帶的川東褶皺帶。擬建隧道圍巖主要為軟質(zhì)巖的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、長石石英砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖等組成的Ⅳ級(jí)圍巖，底部基巖為Ⅱ級(jí)圍巖。隧址區(qū)內(nèi)F1斷層傾角約70°～80°，破碎帶寬10～25 m，主要由斷層角礫和斷層泥組成，為Ⅴ級(jí)圍巖。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目標(biāo)隧道段按新奧法施工原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌曲墻帶仰拱型式。初支材料為C25噴射混凝土，厚度250 mm；二次襯砌材料為C25模注混凝土，厚度450 mm。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以達(dá)萬高速天坪寨隧道F1斷層段為研究背景，建立有限差分計(jì)算模型，計(jì)算模型屬彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。隧道埋深40 m，縱向開挖深度100 m，模型寬度90 m，基巖厚度取模型底部向上20 m，斷層傾角約80°，與隧道正交，斷層破碎帶寬度約10 m，位于模型中部左右各5 m。

計(jì)算模型邊界條件包括2部分：1)進(jìn)行靜力分析時(shí)，模型四周及下邊界全約束，上邊界無約束。2)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，模型四周采用自由場邊界，下邊界采用靜態(tài)邊界。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

因隧道施工一般選用海綿橡膠板、泡沫混凝土等作為減震層材料，所以計(jì)算模型采用海綿橡膠板作為減震層材料。減震層施設(shè)于圍巖與初支間，圍巖參數(shù)源自地質(zhì)勘測資料，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

為研究跨斷層隧道施設(shè)不同厚度減震層減震效果差異，設(shè)計(jì)計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況

2.4 動(dòng)力參數(shù)

計(jì)算模型采用自由場邊界條件，利用局部阻尼進(jìn)行計(jì)算，局部阻尼系數(shù)0.157 1，加載方式為常規(guī)動(dòng)力加載，根據(jù)地下工程常用地震波輸入方式[14]，將地震波從x,y,z3個(gè)方向同時(shí)由模型底部向模型上部傳遞。隧道抗震設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震波選用臥龍測站所測汶川地震加速度波進(jìn)行計(jì)算，按照8度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)時(shí)間為15 s。使用濾波軟件對地震波進(jìn)行濾波與基線校正，得到地震波加速度時(shí)程曲線，如圖2所示。

圖2 地震波加速度時(shí)程曲線

2.5 測點(diǎn)布置

模擬共取7個(gè)監(jiān)測斷面，沿隧道縱向平均分布，每個(gè)監(jiān)測斷面間隔12.5 m，監(jiān)測斷面布置如圖3所示。其中Ⅴ級(jí)圍巖破碎帶中心處取S4斷面，破碎帶左右Ⅳ級(jí)圍巖各取3個(gè)監(jiān)測斷面。分別在各斷面拱頂、左拱肩、左邊墻、左拱腳、右拱肩、右邊墻、右拱腳、仰拱8個(gè)位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置示意如圖4所示。

圖3 監(jiān)測斷面布置

圖4 測點(diǎn)布置示意

3 減震效果分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

提取震后二襯結(jié)構(gòu)橫向與豎向最大位移，根據(jù)位移最大值計(jì)算工況2～5減震效果(以工況1為對比)，二襯結(jié)構(gòu)橫向及豎向最大位移見表3。

表3 二襯結(jié)構(gòu)橫向及豎向最大位移

二襯結(jié)構(gòu)橫向及豎向最大位移主要位于斷層破碎帶處。由表3可知，工況2～5橫向位移最大值分別為5.84，5.78，5.44，5.63 mm，相比工況1(不施設(shè)減震層)均有所減小，工況4減震效果相對工況1增加5.88%，減震效果相對最優(yōu)；工況2～5豎向位移最大值分別為14.27，14.17，14.00，14.01 mm，相比工況1(不施設(shè)減震層)均有所減小，工況4減震效果相對工況1增加8.50%，減震效果相對最優(yōu)。因此，工況4即施設(shè)減震層厚度為150 mm時(shí)，在控制橫向及豎向位移方面效果相對最優(yōu)。

3.2 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析

提取震后二襯結(jié)構(gòu)最大與最小主應(yīng)力云圖(以工況2～5為例)，如圖5～6所示。根據(jù)主應(yīng)力值計(jì)算工況2～5減震效果(以工況1為對比)，計(jì)算結(jié)果見表4。

由圖5～6可知，最大主應(yīng)力縱向主要位于斷層破碎帶處，橫向主要位于仰拱與左拱肩處。由表4可知，工況1(不施設(shè)減震層)二襯結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力最大值為0.35 MPa，相比工況1(不施設(shè)減震層)，工況2～5最大主應(yīng)力最大值均有所減小。工況2～5最大主應(yīng)力最大值分別為0.31，0.27，0.22，0.25 MPa，減震效果分別增加11.53%，21.04%，36.02%，29.11%，其中，工況4減震效果相對最優(yōu)。

圖5 二襯結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖6 二襯結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

表4 主應(yīng)力及減震效果

最小主應(yīng)力縱向主要位于斷層破碎帶處，橫向主要位于仰拱處。由表4可知，工況1(不施設(shè)減震層)二襯結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力最小值為-6.39 MPa，相比工況1(不施設(shè)減震層)，工況2～5最小主應(yīng)力最大值均有所減小。工況2～5最小主應(yīng)力最小值分別為-6.26，-6.14，-5.61，-5.94 MPa，減震效果相對工況1分別增加2.03%，3.91%，12.21%，7.04%，其中，工況4減震效果相對最優(yōu)。因此，在控制最大與最小主應(yīng)力方面，工況4即施設(shè)減震層厚度為150 mm時(shí)效果相對最優(yōu)。

3.3 最大剪應(yīng)力分析

震后二襯結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力云圖(以工況2～5為例)如圖7所示，根據(jù)最大剪應(yīng)力值計(jì)算工況2～5減震效果(以工況1為對比)，計(jì)算結(jié)果見表5。

圖7 震后二襯結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力云圖

表5 最大剪應(yīng)力及減震效果

由圖7可知，最大剪應(yīng)力縱向主要位于斷層破碎帶處，橫向主要位于左拱腳處。由表5可知，工況1(不施設(shè)減震層)二襯結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力最大值為3.10 MPa，工況2～5最大剪應(yīng)力最大值相比工況1均有所減小，工況2～5最大剪應(yīng)力分別為2.65，2.57，1.50，2.44 MPa，相比工況1減震效果分別增加14.52%，17.10%，51.61%，21.29%，其中，工況4減震效果相對最優(yōu)。

3.4 安全系數(shù)分析

提取震后二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測斷面內(nèi)力數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[15]計(jì)算二襯結(jié)構(gòu)在不同時(shí)步下各監(jiān)測斷面安全系數(shù)，并對各監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)值進(jìn)行分析，得到二襯結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)如圖8所示。最小安全系數(shù)及減震效果見表6。

圖8 二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)

由圖8及表6可知，各工況二襯結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)最小值均位于斷層破碎帶處(S4斷面)，工況1最小安全系數(shù)最小值為2.50，工況2～5最小安全系數(shù)最小值均大于工況1，分別為4.47，4.98，5.45，5.08，相對于工況1，減震效果分別增加44.07%，49.80%，54.13%，50.79%。

表6 最小安全系數(shù)及減震效果

工況2～5最小安全系數(shù)均大于工況1，且與工況1相比，減震效果分別增加27.72%～44.31%，42.38%～60.34%，52.45%～65.32%，50.10%～63.79%，工況2～5均可提高跨斷層隧道結(jié)構(gòu)整體安全性，但提升效果存在一定差異。其中，工況4最小安全系數(shù)整體大于工況2、3、5，減震效果提升相對較明顯。

4 結(jié)論

1)當(dāng)施設(shè)減震層厚度為50，100，150，200 mm時(shí)，隧道橫向位移減震效果分別增加0.51%，1.53%，5.88%，4.10%；豎向減震效果分別增加6.73%，7.39%，8.50%，8.43%。

2)施設(shè)減震層厚度為50，100，150，200 mm時(shí)，隧道最大主應(yīng)力減震效果相對工況1分別增加11.53%，21.04%，36.02%，29.11%；最小主應(yīng)力減震效果相對工況1分別增加2.03%，3.91%，12.21%，7.04%；最大剪應(yīng)力減震效果相對工況1分別增加14.52%，17.10%，51.61%，21.29%；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)減震效果相對工況1分別增加27.72%～44.31%，42.38%～60.34%，52.45%～65.32%，50.10%～63.79%。

3)由結(jié)構(gòu)位移、主應(yīng)力、剪應(yīng)力及安全系數(shù)分析可知，施設(shè)減震層厚度為150 mm時(shí)減震效果相對最優(yōu)。