高烈度跨断层隧道刚性抗震技术研究

高烈度跨断层隧道刚性抗震技术研究

0 研究情况

0.1 计算模型

根据隧道现有的工程数据建立计算模型。本模型屈服强度采用Mohr-Coulomb准则。隧道纵向开挖深度为100m，隧道左右两侧宽度取4-5部洞宽，因此开挖宽度约为38m，埋深40m，隧道的基岩从底部到顶部为20m厚，断层的倾角为75°，破碎带宽度为11m。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[11]，计算模型如图1所示。

图1 计算模型

Fig.1 Calculation model

0.2 计算参数

该隧道减震层材料使用海绵橡胶板，减震层设置在初支和二衬之间。计算参数由实际地勘资料和相关试验结果提供，计算参数如表1所示。

表1 计算模型参数

Table1 Calculation parameters

参数	重度/（kN/m3)	弹性模量/GPa	泊松比	内摩擦角/（°）	粘聚力/MPa
上下盘Ⅳ级围岩	22.0	5.0	0.3	35.0	0.5
破碎带Ⅴ级围岩	20.0	2.0	0.4	25.0	0.2
基岩Ⅱ级围岩	25.0	20.0	0.2	50.0	1.5
初支	22.0	28.0	0.2	-	-
SFRC	25.0	38.0	0.2	-	-
减震层	10.0	0.3	0.3	5.0	5.0

0.3 计算工况

为研究强震区隧道跨断层段施加减震层的抗震效果，分别取不设减震层（工况1）和采用SFRC二衬并在初支二衬之间设减震层（工况2），减震层厚度为10cm。计算工况如表2所示。

表2 计算工况

Table 2 Calculation conditions

工况	计算内容
1	C25素混凝土二衬
2	钢纤维混凝土（SFRC）二衬加减震层

注：SFRC（CF25，42 kg/m3）。

0.4 动力参数

本模型是理想的弹塑性本构模型。在常规的动态加载方法中，地震波三个方向（x，y，z）同时从模型底部向上部传递。持时15s的汶川地震波按7度地震烈度标准化。加速度时程曲线如图2所示（以x向为例）。

图2加速度时程曲线图

Fig.2 Acceleration time history curve

0.5 测点布置

模型共有11个监测断面，分别为S1-S11，间距均为10m，各断面均取8个测点（如图所示），测点位置如图3所示。

图3 测点布置图

Fig.3 Arrangement of measuring points

1 抗震效果分析

1.1 结构位移分析

提取各工况跨断层段隧道衬砌结构的位移云图，如图4-图6所示。提取工况2衬砌各项位移最大值和工况1相较，进而分析抗震效果，如表3所示。

图4 二衬结构横向位移云图

Fig.4 Cloud diagram of lateral displacement of secondary lining structure

（a）工况1                  （b）工况2

图5 二衬结构纵向位移云图

Fig.5 Cloud diagram of longitudinal displacement of the secondary lining structure

（a）工况1                      （b）工况2

图6 二衬结构竖向位移云图

Fig.6 Vertical displacement cloud diagram of the secondary lining structure

表3 二衬结构最大位移值及抗震效果

Table 3 Maximum displacement value and seismic effect of the secondary lining structure

工况	横向位移		纵向位移		竖向位移
	最大值/mm	减震效果/%	最大值/mm	减震效果/%	最大值/mm	减震效果/%
1	28.83	-	26.19	-	9.64	-
2	192.40	-567.36	62.96	-140.40	17.76	-84.23

由表3可知，工况1的最大横向、纵向、竖向位移分别为28.83mm，26.19mm及9.64mm。当二衬结构使用钢纤维混凝土并施加减震层后，整体的最大位移值有所上升。工况2的最大横向、纵向、竖向位移分别为192.40mm、62.96mm、17.76mm，相较于工况1横向位移增大567.36%，纵向位移分别增大140.40%，竖向位移增大84.23%。

1.2 内力分析

1.2.1 主应力分析

各工况跨断层段隧道的主应力云图如图7和图8所示。提取工况2衬砌最大、最小主应力和工况1相较，进而分析抗震效果，如表4所示。

（a）工况1                  （b）工况2

图7 二衬结构主应力最大值云图

Fig.7 Cloud diagram of the maximum principal stress of the second lining structure

（a）工况1                  （b）工况2

图8 二衬结构主应力最小值云图

Fig.8 Cloud diagram of the minimum principal stress of the secondary lining structure

表4 主应力及抗震效果

Table 4 Principal stress and seismic effect

工况	最大主应力		最小主应力
	最大值/MPa	抗震效果/%	最大值/MPa	抗震效果/%
1	6.58	-	-3.63	-
2	2.56	+61.09	-4.24	-16.80

由表4可知，工况1最大、最小主应力分别为6.58MPa、-3.63MPa。当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，最大主应力值有所减小，最小主应力值有所增大。工况2最大、最小主应力分别为2.56MPa、-4.24MPa，相较于工况1最大主应力减小了61.09%，最小主应力增大了16.80%。

1.2.2 剪应力分析

各工况衬砌结构剪应力云图如图9所示。提取工况2和工况3衬砌最大剪应力和工况1相较，进而分析抗震效果，如表5所示。

（a）工况1                  （b）工况2

图9 二衬结构剪应力云图

Fig.9 Shear stress cloud diagram of secondary lining structure

表5 最大剪应力及抗震效果

Table 5 Maximum shear stress and seismic effect

工况	最大剪应力/MPa	抗震效果/%
1	14.25	-
2	5.15	+63.86

由表5可知，工况1最大剪切应力为14.25MPa。当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，整体剪应力值有所减小。工况2最大剪应力为5.15MPa，相较于工况1减小了63.86%。

1.2.3 安全系数分析

提取各个工况监测点的量测数据，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[12]，从而计算相较于工况1的抗震效果，如表6所示。

式中： N—轴力；

α—轴向力偏心影响系数；

b—截面宽度，取1 m；

h —截面厚度；

Ra—混凝土抗压极限强度；

φ—构件纵向弯曲系数；

R1—混凝土抗拉极限强度；

K—安全系数。

表6 监测断面最小安全系数及抗震效果

Table 6 Minimum safety factor and seismic effect of monitoring section

断面编号	工况1	工况2	抗震效果/%
S1	0.27	4.64	1618.52
S2	0.26	28.14	10723.77
S3	0.30	9.84	3180.00
S4	0.38	8.02	2010.53
S5	0.40	9.31	2227.50
S6	0.42	15.74	3647.62
S7	0.40	11.95	2887.50
S8	0.38	11.37	2892.11
S9	0.34	11.58	3305.88
S10	0.29	14.90	5037.93
S11	0.24	4.58	1808.33

由表6可知，当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，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。当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层的安全系数基本都大于二衬结构采用钢纤维混凝土的安全系数。本文主要研究隧道跨断层抗震效果，S6为隧道跨断面，可知二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层相较于素混凝土抗震效果提升3647.62%。

2 结论

（1）从结构位移的方面来看，相较于工况1，当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，其横向位移增大567.36%，纵向位移增大140.40%，竖向位移增大84.23%。

（2）由主应力分析可得，相较于工况1，当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，最大主应力减小了61.09%，最小主应力增大了16.80%。

 （3）由剪切应力分析可得，相较于工况1，其剪应力均有所减小。当二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层后，最大剪切应力减小了63.86%。

 （4）由结构的安全系数分析可得，相较于工况1，安全系数均有明显提升。取S6断面分析，二衬结构采用钢纤维混凝土并施加减震层相较于素混凝土抗震效果提升3647.62%。