石文昊 邱枫博 谢 优 崔光耀

(北方工业大学，北京 100144)

0 引言

在我国新时代推进西部大开发的大背景下，进行交通建设将不可避免地需要穿越山岭地区，而山岭地区以断层破碎带尤为常见。由于断层破碎带往往出现在高烈度地震山区，在发生地震时，跨断层隧道的整体结构将会受到巨大破坏，严重影响过往车辆的安全。因此，对强震区跨断层隧道的抗震技术进行研究是极其必要的。

目前在实际工程中，隧道主要采用抗震和减震2种措施进行安全性设计。其中抗震措施主要分为结构加强和围岩加强2类[1]；减震措施主要通过在隧道施工过程中施作减震缝和减震层来实现[2-3]。如何根据实际情况合理选择抗减震措施，是目前保证强震区跨断层隧道结构整体安全性及稳定性的关键技术问题之一。

目前，国内外相关专家、学者对强震区跨断层隧道的抗减震技术进行了研究，其中主要有对强震区跨断层隧道的震害机理的深入探讨，利用数值模拟或实验台对强震区跨断层隧道的最优抗震措施的计算分析等。但是，对于强震区跨断层隧道同时施作围岩注浆加固和减震层加固的抗震效果分析方面研究较少。因此，本文以达州―万州高速公路天坪寨隧道F1断层段为背景，利用有限差分数值软件FLAC3D对强震区跨断层隧道刚柔并济抗震技术进行了研究，研究成果可为强震区跨断层隧道抗震设计提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

该隧道段位于四川盆地东部边缘构造侵蚀中山区，属新华夏系四川沉降带的川东褶皱带。拟建隧道围岩主要为软质岩的粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、长石石英砂岩、灰岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩和泥质粉砂岩等组成的Ⅳ级围岩，底部基岩为Ⅱ级围岩。隧址区内F1断层倾角70°～80°，破碎带宽10～25 m，主要由断层角砾和断层泥组成，为Ⅴ级围岩。

1.2 支护结构设计

采用新奥法对该隧道段进行设计施工，衬砌采用曲墙式衬砌(带仰拱)型式，衬砌结构为复合式衬砌结构。初期支护设计厚度0.25 m，采用C20喷射混凝土；二次衬砌设计厚度0.45 m，采用C25模筑混凝土。

2 研究情况

2.1 计算模型

为研究刚柔并济措施的抗震性能，以达州―万州高速公路天坪寨隧道F1断层段为研究背景，建立有限差分计算模型，计算模型属于弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦准则。隧道埋深40 m，纵向开挖深度取100 m，模型宽度90 m，基岩厚度取模型底部向上20 m。断层倾角约80°，与隧道相正交，断层破碎带宽度约10 m，位于模型中部左右各5 m。模型边界条件为静力分析时四周及下部全约束，上部无约束；动力分析时四周为自由场边界，下部为静态边界。计算模型以采用刚柔并济措施为例，如图1所示。

图1 计算模型

2.2 计算参数

以实际地质勘察资料为依据，隧道的详细计算参数如表1所示。

表1 计算参数

2.3 动力参数

模型采用自由场边界条件进行模拟计算，力学阻尼选用局部阻尼，局部阻尼系数0.157 1。为模拟实际地震情况，使用地下工程常用地震波输入方式[4-10]，同时将地震波3个方向(x,y,z)从模型底部向模型上部传递，加载方式为常规动力加载。该隧道抗震设防烈度为9度，地震动峰值加速度值为0.20 g，地震波选用卧龙测站所测的汶川地震加速度波进行计算，按照9度地震烈度标准化，持续时间为15 s。对地震波使用滤波软件进行滤波和基线校正，处理后所得3个方向的地震波加速度时程曲线，x方向的加速度时程曲线如图2所示。

图2 x方向地震波加速度时程曲线

2.4 计算工况

为研究强震区跨断层隧道同时施设围岩全环接触注浆加固和减震层加固的抗震效果，隧道的围岩注浆材料选用普通水泥，注浆厚度3 m；减震层材料选用海绵橡胶板，减震层厚度0.1 m，具体计算工况如表2所示。

表2 计算工况

2.5 测点布置

本次模拟计算共取7个监测断面，沿隧道纵向平均分布，每个监测断面间隔12.5 m，如图3所示。

图3 监测断面布置(单位：m)

由于位于破碎带段的隧道段可能遭受更大破坏，因此在Ⅴ级围岩破碎带中心处取S4断面进行监测；破碎带左右Ⅳ级围岩各取3个监测断面，对破碎带两侧隧道段进行监测。在各个监测断面分别对衬砌的拱顶、左拱肩、左边墙、左拱脚、右拱肩、右边墙、右拱脚、仰拱8个位置布置测点进行监测，如图4所示。

图4 测点布置

3 抗震效果分析

3.1 结构位移分析

根据位移最大值计算工况2的抗震效果，计算结果如表3所示。

表3 二衬结构横、竖向最大位移及抗震效果

由计算结果可知，二衬结构的横向最大位移主要出现在左拱肩处，而竖向位移主要出现在拱顶处。由表3可知，工况1的横向位移最大值为5.71 mm，工况2的横向位移最大值为5.19 mm，相比于工况1有所减小，其抗震效果为9.11%。

工况1的竖向位移最大值为6.09 mm，工况2的竖向位移最大值为5.57 mm，相比于工况1有所减小，其抗震效果为8.54%。由此可知，在控制横向及竖向位移方面，刚柔并济抗震技术较为有效。

3.2 结构主应力分析

根据主应力值计算工况2的抗震效果，计算结果如表4所示。

表4 主应力及抗震效果

由计算结果可知，二衬结构的最大主应力主要出现在左拱肩，而最小主应力主要出现在仰拱处。由表4可知，工况1的最大主应力最大值为1.76 MPa，工况2的最大主应力最大值为0.86 MPa，相比于工况1有所减小，其抗震效果为51.14%。

工况1的最小主应力最大值为-10.81 MPa，工况2的最小主应力最大值为-10.45 MPa，相比于工况1有所减小，其抗震效果为3.33%。由此可知，在控制最大与最小主应力方面，刚柔并济抗震技术较为有效。

3.3 最大剪应力分析

根据最大剪应力值计算工况2的抗震效果，计算结果如表5所示。

表5 最大剪应力及抗震效果

由计算结果可知，二衬结构的最大剪应力主要出现在左拱脚与右拱脚处。由表5可知，工况1的最大剪应力最大值为5.14 MPa，工况2的最大剪应力最大值为4.39 MPa，相比于工况1有所减小，其抗震效果为14.59%。由此可知，在控制最大剪应力方面，刚柔并济抗震技术较为有效。

3.4 安全系数分析

提取各个监测断面的内力数据，利用式(1)式(2)计算各监测点处二衬结构所受轴力及弯矩，最终利用式(3)式(4)对工况1～工况4各个监测断面在不同时步下各个测点的二衬结构安全系数进行计算，并取各个监测断面的最小安全系数值进行分析。

测点处轴力

(1)

测点处弯矩计算公式

(2)

式(1)和式(2)中：N为轴力；M为弯矩；E为弹性模量；εn，εw分别为结构内、外侧应变；b为截面宽度，取b=1 m；h为截面厚度。

隧道衬砌结构的安全系数为

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)和式(4)中，K为结构安全系数；φ为构件的纵向弯曲系数；α为轴向力的偏心影响系数；Ra为混凝土的抗压极限强度；Rl为混凝土的抗拉极限强度；e0为截面偏心距。

二衬结构的最小安全系数图如图5所示。

图5 各监测断面的二衬结构最小安全系数

从图5各监测断面最小安全系数最小值来看，工况1和工况2的二衬结构最小安全系数最小值均出现在断层破碎带处即S4断面，工况1的最小安全系数最小值为1.98，工况2的最小安全系数最小值为2.85，与工况1相比抗震效果提升了30.53%；从各监测断面整体来看，工况1的最小安全系数值为1.98～2.91，工况2的最小安全系数值为2.85～4.00，工况2的各监测断面最小安全系数值均大于工况1，且与工况1相比抗震效果提升了21.14%～48.25%，由此可知刚柔并济抗震技术能够提升隧道的结构整体安全性。

最小安全系数计算结果如表6所示。

表6 最小安全系数及抗震效果

4 结论

本文利用有限差分数值软件对强震区跨断层隧道施设刚柔并济抗震技术的抗震效果进行了计算研究，得到以下主要结论：

(1)采用刚柔并济抗震技术后，隧道结构横向位移抗震效果为9.11%，竖向位移抗震效果为8.54%。

(2)采用刚柔并济抗震技术后，隧道结构最大主应力抗震效果为51.14%，最小主应力抗震效果为3.33%，最大剪应力抗震效果为14.59%；隧道结构安全系数抗震效果为21.14%～48.25%。

(3)由结构位移、主应力、剪应力及安全系数分析可知，采用刚柔并济抗震技术能够有效提升强震区跨断层隧道的抗震性能。