强震区隧道软弱围岩洞口段注浆加固抗震效果分析

崔光耀,韦宜霏,王明胜,王天群

(1.北方工业大学 土木工程学院,北京 100144;2.中铁城市发展投资集团有限公司,四川 成都 610000;3.北京市政路桥股份有限公司,北京 100045)

隧道是交通发展的一个重要组成部分,具有重大的社会、经济效应,对于交通的发展起着积极的促进作用。近年来,我国地下工程的建设取得很大的成就,技术有了飞速的发展。随着时代的变化,交通发展愈加便利,隧道也愈发重要。

洞口段作为隧道的进口,是隧道的重要组成部分,隧道洞口段作为隧道的暴露部分,是受损最严重的部位,因此国内外不少学者把研究的重点放在了洞口段的抗震问题上,同时关注隧道洞口段的稳定性[1]。根据地震灾害研究调查,隧道的洞口段灾害严重,并且根据汶川地震、日本阪神地震等灾后隧道洞口结构分析,隧道硬岩洞口段基本都无震害,而软岩洞口段出现衬砌错台、垮塌等严重的震害[2-4]。在发生地震时,隧道洞口段覆盖层为软岩,软硬交界面会导致覆盖层内的纵向位移发生突变,这种强制位移和地震惯性力会对洞口段隧道结构产生重要影响,而覆盖层为硬岩时,结构受惯性力和强制位移影响均较小[5-8]。因此对于洞口段为软弱围岩的隧道的抗震设计尤为重要。目前,国内外专家学者对此方面的相关研究有:依托雅安至泸沽高速公路某隧道工程为研究对象,采用全环间隔注浆预加固方案进行动力响应分析,起到抗震的作用[9];根据宋家山隧道洞口段围岩的实际情况,讨论了注浆加固洞口段围岩的抗震性能[10];依托川藏铁路拉林段藏噶隧道为研究对象,采用全断面帷幕注浆预加固方案可有效控制围岩破裂面与松动区的发育[11];通过对雅泸高速某山岭隧道进行研究,利用大型振动台,对隧道洞口段采用大阻尼结构减震层,有很好的抗、减震效果[12];通过进行大型振动台模型试验,对隧道洞口段加强衬砌仰拱、拱脚等下部结构的加固设计,能提高抗震性能[13]。综上,有关洞口段的抗震设计已经有了比较深入的研究,但对于隧道洞口段软弱围岩的有关抗震设计研究相对较少。因此本文以葫芦丝隧道洞口段为研究对象,利用FLAC3D计算软件对洞口段采取全环接触注浆和全环间隔注浆两种抗震措施,对隧道抗震性能进行分析研究,研究结果可以为类似的洞口段软弱围岩抗震设计提供参考。

1 工程概况

1.1 地质情况

葫芦丝隧道全长为5280m,隧道洞口段埋深10～50m,围岩为全、强、中风化混合花岗岩,岩体呈砾砂状散体结构,风化裂隙发育,颗粒间结合差,为Ⅴ级围岩。

1.2 隧道结构

葫芦丝隧道选用复合式衬砌作为洞口段支护结构,初期支护的厚度为0.27m,二次衬砌的厚度为0.5m。初支喷射C20素混凝土,二衬结构选取C25钢筋混凝土。

2 计算情况

2.1 计算模型

以葫芦丝隧道洞口段为研究背景,建立计算模型。隧道洞宽11m,隧道洞口至左、右侧边界均为40m,埋深至上边界垂直距离25m,隧道底部的基岩厚度为30m。模型的边界条件为:上边界无约束,四周和下边界全约束。计算模型如图1所示。

图1 葫芦丝隧道洞口段计算模型图

2.2 计算参数

模型的计算参数见表1。

表1 结构措施

2.3 动力参数

此模型选用四周自由场边界条件进行模拟计算,局部阻尼作为计算参数,系数为0.1571。选用常规动力加载方式,按9度地震烈度标准化,试验过程中采用的地震波为在汶川地震中卧龙站测量的三向加速度波,该地震波按照X轴Y轴以及Z轴三个方向在模型结构中由下向上传递,持续时间15秒[14]。为了获得质量更好的加速度时程曲线,通常需要利用特定软件对曲线进行滤波和基线校正处理。图2为处理后地震波加速度随时间变化曲线。

(a)X方向

(a)工况一

2.4 计算工况

为了对不同措施的抗震效果进行分析,现设置3种计算工况,工况一为无措施,工况二为全环接触注浆,工况三为全环间隔注浆。计算工况见表2所示,计算工况示意如图2所示。

表2 计算工况统计表

2.5 测点布置

将监测点布置在隧道洞口段中部,取洞口段二次衬砌的拱顶、右拱肩、右边墙、右拱脚、仰拱、左拱脚、左边墙、左拱肩8个测点进行监测,测点的布置如图4所示。

图4 二衬结构监测点布置图

3 抗震效果分析

3.1 结构位移分析

通过FLAC3D对试验模型进行计算,提取各个工况隧道洞口段的位移云图(以Z轴方向为例),如图5所示。

(a)工况一

整理各工况位移情况,提取二衬结构的位移最大值,并计算两种抗震措施作用下的抗震效果,具体参数见表3。

表3 二衬结构的最大位移及控制效果

由图5以及表3可知,洞口段围岩采用全环接触注浆和全环间隔注浆两种抗震措施后,二衬结构三个方向的最大位移值均有下降。在工况二中,横向最大位移减少0.09mm,抗震效果提高10.98%,纵向最大位移下降0.23mm,抗震效果提高了63.89%,竖向最大位移下降1.48mm,抗震效果提高了36.10%;采用全环间隔注浆措施后,横向最大位移减少了0.04mm,抗震效果提高了4.88%,纵向最大位移下降了0.11mm,抗震效果提高了30.56%,竖向最大位移下降了0.89mm,抗震效果提高了21.71%。综上所述,采用全环接触注浆和全环间隔注浆的抗震措施后,二衬结构的横向、纵向以及竖向最大位移均有减小,通过对比最大位移的减小百分比,使用全环接触注浆抗震措施的抗震效果更好。

3.2 边墙收敛

分析二衬结构边墙收敛值,提取三个工况边墙最大收敛值,并分析抗震效果,数值及计算结果见表4。

表4 最大边墙收敛及抗震效果

由表4可知,采用工况二和工况三两种抗震措施后,二衬结构的边墙最大收敛值均有下降。在采用全环接触注浆措施后,最大收敛值减少了0.48mm,抗震效果提高了19.12%;在采用全环接触注浆后,最大收敛值减少了0.27mm,抗震效果提高了10.76%。综上所述,采用全环接触注浆和全环间隔注浆的抗震措施后,二次衬砌结构的边墙收敛降低,通过分析对比,洞口段采用全环接触注浆抗震措施的抗震效果更好。

3.3 内力分析

提取二衬结构各监测点内外单元应变值,根据下述材料力学公式(1)(2)计算二次衬砌各测点位置处的轴力及弯矩值。

(1)

(2)

式(1)、式(2)中,N—轴力;M—弯矩;E—弹性模量;ε内、ε外—结构内外侧应变;b—截面宽度,取1m;h—截面厚度取0.45m。

各测点轴力及弯矩时程曲线如图6所示(以工况二仰拱的监测点为例)。

(a)轴力

选取三个工况各测点轴力和弯矩绝对值的最大值,如图7所示。

(a)轴力

整理各工况内力数值,以工况一为对照,根据内力情况比较两种抗震措施的抗震效果,计算结果见表5、表6所示。

表5 各工况下最大轴力及抗震分析

表6 各工况下最大弯矩及抗震分析

由上述计算结果可知,采用全环接触注浆时,各个测点的轴力、弯矩值均有下降,对于轴力来说,采取抗震措施后平均抗震效果提高了34.91%,对于弯矩,抗震效果提高了56.86%;采用全环间隔注浆时,虽然左边墙、右边墙处轴力略微增大,但整体抗震效果提升明显,对于轴力来说,采取抗震措施后平均抗震效果提高了11.79%,对于弯矩,抗震效果提高了32.14%。综上所述,洞口段围岩采用全环接触注浆和全环间隔注浆后,均有较好的抗震效果,并且相比于全环间隔注浆,采用全环接触注浆抗震措施的抗震效果更好一些。

3.4 安全系数分析

根据下述公式(3)(4)计算各测点的安全系数[15]。

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式(3)、式(4)中,K—结构安全系数;φ—构件的纵向弯曲系数;α—轴向力的偏心影响系数;Ra—混凝土的抗压极限强度;Rl—混凝土的抗拉极限强度;e0—截面偏心距。监测点的安全系数如图8所示(以工况二仰拱为例)。

图8 仰拱处安全系数时程曲线

统计并记录各监测点最小安全系数,如图9所示。

图9 各工况测点最小安全系数对比

整理各工况最小安全系数,分析比较两种抗震措施的抗震效果,计算结果见表7所示。

表7 各工况下最小安全系数及抗震分析

由表7可知,三种工况的最小安全系数依次为2.29、5.13、4.19,洞口段围岩采用全环接触注浆和全环间隔注浆的抗震措施后,安全系数均有明显的提高,并且在采用接触注浆的抗震措施后,平均全系数提高了44.73%,略高于安全系数提高了28.01%的间隔注浆抗震措施。

4 结论

(1)由结构位移分析可得,采用全环接触注浆后,横向、纵向、竖向位移抗震效果分别提高了10.98%、63.89%,、36.10%;采用全环间隔注浆措施后,横向、纵向、竖向位移抗震效果分别提高了4.88%、30.56%、21.71%。

(2)由边墙收敛分析可得,采用全环接触注浆后,抗震效果提高了19.12%;采用全环间隔注浆后,抗震效果提高了10.76%。

(3)由内力分析可得,采用全环接触注浆后,对于轴力和弯矩,平均抗震效果分别提高了34.91%、56.86%;采用全环间隔注浆后,对于轴力和弯矩,平均抗震效果分别提高了11.79%、32.14%。

(4)由安全系数分析可得,采用接触注浆,安全系数提高了44.73%,采用间隔注浆,安全系数提高了28.01%。综上,接触注浆抗震措施对结构的位移控制的更好,同时在控制边墙收敛方面更优。因此,相比于全环间隔注浆的抗震措施,采用全环接触注浆的抗震措施更好一些。