高烈度地震对填方隧道影响分析.pdf

文章编号：１００９４５３９（２０１７）０２０００１０５·本刊特稿·收稿日期：２０１６１２１０基金项目：铁四院科研课题（２０１２Ｋ７２）作者简介：向晓辉（１９８１－），高级工程师，主要从事地下工程设计及科研等方面的工作。高烈度地震对填方隧道影响分析向晓辉（武汉铁四院工程咨询有限公司地下工程所湖北武汉４３００６３）摘要：本文以某隧道工程为实例，以数值模拟方法为手段，建立了隧道地震动力分析模型，对高烈度地震区施加地震荷载，对填方地基修建的隧道结构进行动力响应特征研究，探讨隧道不同衬砌厚度、覆土厚度及覆土形式等参数对隧道衬砌结构受力状态的影响。研究结果表明：在地震荷载作用下，衬砌厚度和覆土厚度对隧道各部位弯矩荷载值及剪力荷载值影响较大，特别是在衬砌底板与中墙连接部位影响显著；对于隧道上部的回填覆土，应尽量避免单侧覆土，必要时增加水平支撑改善隧道受力状态。关键词：填方隧道地震响应因素分析数值模拟中图分类号：Ｕ４５９．２；ＴＵ３１１．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９-４５３９．２０１７．０２．００１ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｆｌｕｅｎｃｅＦａｃｔｏｒｓｏｎＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＳｅｉｓｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅＴｕｎｎｅｌＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅＦｉｌｌＡｒｅａＸｉａｎｇＸｉａｏｈｕｉ（ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＷｕｈａｎＳｉｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆａｔｕｎｎｅｌｐｒｏｊｅｃｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｉｎｔｈｅｈｉｇｈｉｎｔｅｎｓｉｔｙｅａｒｔｈｑｕａｋｅｚｏｎｅｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｉｎ-ｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｆｏｒｍｏｆｔｈｅｃｏｖｅｒｉｎｇｓｏｉｌｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｕｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｖｅｒｉｎｇｓｏｉｌｈａｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕ-ｅｎｃｅｏｎｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｓｈｅａｒｌｏａｄｏｆｅａｃｈｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｐａｒｔｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇｐｌａｔｅａｎｄｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｌｌ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｗａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｓｏｉｌｃｏｖｅｒｅｄｉｎｏｎｅｓｉｄｅｏｒｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｔｏｉｍ-ｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｌｌａｒｅａ；ｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１引言随着城市的快速发展，城市地表用地也日趋紧缺，向地下要空间也成为城市发展的重要方向，特别是西南地区，地表一般为多山少平地地貌，随着城市的日渐扩容，导致城市的交通隧道也越来越多。同时，该区域是我国地震多发区域，地震对地下结构及隧道的影响非常大，特别是２００８年的汶川大地震使该地区多数公路、铁路隧道出现底板开裂隆起、初期支护过量变形、衬砌开裂错位甚至坍塌等不同程度的破坏。为了解地震作用下地下工程变形破坏的机理，许多学者围绕这一课题开展了相应研究，并取得了丰富的成果，其中代表性的工作有：何川［１］等通过缩尺模型振动台试验对跨断层破碎带隧道的动力响应及震害机理进行了研究；赵晓勇［２］在深入调查盐水沟隧道地质结构的基础上，建立了三维隧道动力分析模型，研究了隧道衬砌开裂破坏的成因；李天斌［３］、崔光耀［４］等通过实地调查汶川地震极震区多座受损隧道，研究了隧道结构变形破坏的特征，分析探讨了隧道震害的影响因素和控制作用。由于地震荷载的不确定性，同时地下结构与周围岩土体间复杂的相互作用，使地下工程震害研究和抗震设计还存在许多问题有待深入的研究。同时，高地震烈度区填方地基上修建的隧道结构由于１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·本刊特稿·其特殊性和复杂性，目前在该领域的研究报道还相对较少，基于此，本文结合某隧道工程实例，采用数值模拟方法对高地震烈度区填方隧道地震响应影响因素进行研究，探讨不同隧道衬砌厚度、混凝土强度、覆土条件等参数对隧道衬砌受力影响，为该工程结构设计提供合理的依据，也为类似工程提供参考。２工程概况某隧道工程位于云南省昆明市东侧，是线路工程的重点节点工程，采用明挖施工，三孔矩形结构，左右孔各布置三条车道，中间为管线廊道；在隧道北端部分主体结构高于自然地形，形成填方基础隧道，填方基础厚度为０～１２ｍ，隧道顶板以上覆土厚度为３～６ｍ。隧道衬砌初步设计方案采用Ｃ３５现浇钢筋混凝土，其中隧道顶板、侧墙厚为１ｍ，底板厚为１．２ｍ，中墙厚为０．６ｍ；隧道两跨净跨度均为１３ｍ，中间通道净跨为１．５ｍ，隧道总跨度为３０．７ｍ，工程布置形式见图１。据相关历史记载，该地区６级以上中强震曾多次发生，其中１８３３年嵩明的８．０级地震为最大级别地震，震中距离昆明市区仅３０ｋｍ。据《中国地震动参数区划图》（ＧＢ１８３０６－２００１），昆明地区抗震设防烈度为８度，设计地震加速度值为０．２０ｇ，地震动反应谱特征周期为０．４５ｓ。图１工程纵断面图３数值分析模型本文采用基于有限差分的ＦＬＡＣ３Ｄ软件进行分析，采用Ｍｏｈｒ-Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则，研究填方隧道的地震动力响应。３．１计算模型鉴于Ｋ２＋３８０～ｋ２＋４４０里程范围内填土层较厚，地震作用下隧道结构的安全性控制难度更大，因此选择该区段为模型计算区段。研究区段整体三维实体几何模型如图２所示，模型纵向长６０ｍ，宽６４．５ｍ，高３９ｍ。由于动力分析中网格划分质量直接影响求解的精度，另外数值模型不可能做到对实际工程的完全等同，因此一些简化是必要的，建模时将一些薄土层归并到相邻土层，同时对一些尖灭状土层也做了归并处理。图２三维实体几何模型参考Ｋｕｈｌｅｍｅｙｅｒ和Ｌｙｓｍｅｒ［５］的研究结果，需将网格的尺寸设置为小于输入波形最高频率对应波长的１／８～１／１０。但是网格尺寸过小则模型单元数量将会过多，综合考虑将网格尺寸设置为：粉土层０．７５ｍ，满足小于输入波形最高频率对应波长的１／８的要求，其他部分１．５ｍ。最终，实体单元（Ｚｏｎｅ）共计１４３４８０个，节点（Ｇｒｉｄｐｏｉｎｔ）１５３１８０个，如图３所示。其中，隧道采用ｓｈｅｌｌ单元，桩采用ｐｉｌｅ单元，如图４所示。图３网格模型图４隧道及桩结构单元布置３．２计算参数采用经典Ｍｏｈｒ-Ｃｏｕｌｏｍｂ理想弹塑性模型，各地层材料及桩的物理力学指标见表１和表２，隧道材料采用Ｃ３５钢筋混凝土。３．３地震波输入本文研究主要采用数值模拟软件ＦＬＡＣ３Ｄ隧道工程地震动力响应特性进行分析，因此地震波的合２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·本刊特稿·理选取对计算结果的准确性尤为关键。由于场地缺少相关地震动记录，因此，笔者此处考虑采用合成人工地震波用于主要数值计算。表１各土层参数参数名称单位人工填土黏土（２）１－１３粉土（４）２－４３黏土（４）２－１４剪切模量ＭＰａ７．６０４．８１５．７７６．８０体积模量ＭＰａ１２．６７１４．４４１２．５０１１．３３黏聚力ｋＰａ３９．９１２４．７８５．８０３８．７１内摩擦角（°）１３．２１１０．０１２３．２１１１．０６干密度ｇ／ｃｍ３１．３４１．３０１．５６１．４８孔隙比１．１０１．２１０．７９０．９３渗透系数ｃｍ／ｓ１．２５ｅ－６６．７７ｅ－７１．２ｅ－３７．５２ｅ－７表２ＰＨＣ管桩单元参数弹性模量２８．５ＧＰａ泊松比０．２１材料密度１．８７５ｇ／ｃｍ３法向弹簧内聚力９．０ｅ＋０４Ｎ／ｍ法向弹簧摩擦角５°法向弹簧刚度１．９ｅ＋０７Ｐａ剪切弹簧内聚力７．９ｅ＋０４Ｎ／ｍ剪切弹簧摩擦角５°剪切弹簧刚度６．３ｅ＋０７Ｐａ人工地震波是利用经典三角级数法合成的，地震动峰值０．２ｇ，持时２２ｓ，主频为０～１０Ｈｚ，其加速度时程曲线如图５所示。模型底部为静态边界，将加速度时程转化成应力时程［６－９］，由模型底部向上垂直输入地震波。图５人工地震波加速度时程曲线３．４阻尼设置与动力边界阻尼采用ＦＬＡＣ３Ｄ特有局部阻尼，局部阻尼系数αＬ与临界阻尼比Ｄ间的关系为αＬ＝πＤ（１）临界阻尼比可根据现场试验结果、室内土样的阻尼试验结果及工程经验等方法综合确定，根据式（１），又可得到局部阻尼系数αＬ，各土层阻尼参数见表３。表３各土层阻尼参数地层名称人工填土黏土（２）１－１３粉土（４）２－４３黏土（４）２－１４阻尼０．０５１０．０４２０．０２９０．０３７阻尼系数０．１６１０．１３２０．０９００．１１６在本次模拟中，模型底部仍为静态边界，模型四周采用自由场边界，生成自由场网格如图６所示，自由场网格包括４个平面网格和４个柱体网格，与主体网格一一对应，通过自由场网格与主体网格的耦合作用来近似模拟自由场的振动情况。图６自由场网格图３．５模拟测点布置为了分析地震作用过程隧道结构的动力响应情况，对震动过程隧道衬砌受力弯矩和剪力进行全时程记录，监测截面位于Ｋ２＋４２０（模型纵向中点），监测点位置如图７所示，共计４０个监测点。图７监测点位置３．６模拟工况为进行填方隧道地震动力响应影响因素的详细分析，本文主要针对以下三种因素进行多工况数值模拟试验分析：（１）因素一为衬砌厚度；（２）因素二为覆土厚度；（３）因素三为覆土形式。４动力计算结果分析隧道地震动力特性的影响因素很多，大致可分为地震动参数、支护衬砌参数及隧道周围地质条件等三类。本文根据工程的实际情况，仅对隧道衬砌尺寸、混凝土强度及覆土厚度等参数对隧道衬砌受力影响进行分析，并针对该工程实际特点，增加单侧覆土形式下的隧道衬砌受力研究，为隧道结构设３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·本刊特稿·计提出参考意见。４．１衬砌厚度研究成果表明［１０－１２］，在各种隧道结构中，衬砌较厚且质量较好的隧道工程，较衬砌较薄的隧道工程受到的地震破坏程度要小得多。基于此，本文在衬砌原设计厚度基础上分别增加１０％、２０％、３０％和减小１０％、２０％、３０％共计６种厚度组合进行模拟计算，以分析衬砌厚度对结构受力的影响，具体模拟工况见表４。表４厚度工况下隧道衬砌具体厚度ｍ衬砌顶板底板侧墙中墙原厚度１．００１．２０１．０００．６０增加３０％１．３０１．５６１．３００．７８增加２０％１．２０１．４４１．２００．７２增加１０％１．１０１．３２１．１００．６６减小１０％０．９０１．０８０．９００．５４减小２０％０．８００．９６０．８００．４８减小３０％０．７００．８４０．７００．４２分析中发现隧道顶板和底板的受弯值与受剪值明显大于侧墙与中墙部位，由于监测点数目多，这里仅对顶板、底板部分监测点的弯矩、剪力进行分析。根据隧道结构特点，弯矩值分析选取２＃、３＃、７＃、８＃监测点，剪力值则考虑１＃、３＃、７＃、９＃监测点。图８弯矩随衬砌厚度变化图９剪力随衬砌厚度变化将监测点弯矩及剪力荷载的计算结果绘成曲线图，如图８和图９所示。从图中可看出：（１）隧道顶、底板各点弯矩值均随厚度增加而增加，其中底板中墙上连接处（３＃）变化规律不明显，变化幅值相对较小，底板中墙下连接处（７＃）增长幅度最大。同时，随厚度增加，衬砌弯矩最大值位置发生变化；衬砌厚度小于设计值（１．０ｍ）时，弯矩最大值位于底板中墙上连接处；而衬砌厚度大于设计值时，弯矩最大值位于底板中墙下连接处。（２）随厚度增加，隧道各部位弯矩增长速率逐渐减小，即随厚度增加，衬砌厚度对弯矩影响逐渐减小；当衬砌厚度超过设计值２０％后，弯矩值趋于稳定。此外，随厚度增加，隧道顶、底板各点剪力值均随厚度增加而增加，其中底板左脚点（９＃）变化规律不明显，变化幅值相对较小，底板中墙下连接处（７＃）增长幅度最大。（３）随着衬砌厚度增加，衬砌弯矩和剪力呈增长趋势，但由于衬砌自身承载力也会显著增长，因此增加衬砌厚度可作为结构抗震重要措施。４．２覆土厚度根据工程设计方案，隧道覆土厚度在隧道全线并不是定值，而是在３～６ｍ范围内变化。由于覆土荷载直接影响隧道受力，不同覆土厚度下隧道受力不同需要各自分析，这里采用３ｍ、４ｍ、５ｍ、６ｍ共计４种工况，进行隧道衬砌受力的动力分析。图１０弯矩随覆土厚度变化图１１剪力随覆土厚度变化将计算结果绘成曲线图，如图１０和图１１所示。从图中可看出：（１）随着覆土厚度增加，衬砌弯矩荷载值线性增加。其中，底板中墙下连接处（７＃）受覆土厚度影响最大，在地震动力情况，覆土厚度每增加１ｍ，其弯矩值增加３３８ｋＮ·ｍ；而其他部位点受覆土厚度影响相差不大。此外，在地震动力情况，覆土厚度不超过４ｍ时，弯矩最大值位于隧道衬砌顶板右角点（３＃）；覆土厚度超过４ｍ时，弯矩最大值位于底板中墙下连接处（７＃）。（２）随着覆土厚度增加，衬砌剪力荷载值线性增加；较其他部位而言，底板左脚点（９＃）剪力值受覆土厚度影响较小。覆土厚度增加，衬砌各部位弯矩及剪力荷载值均线性增长，且底板中墙上连接处（７＃）增长较大，易引起底板与中墙连接部位衬砌的开裂与错位。４．３覆土形式受地面建筑影响，隧道部分区段采用单侧覆土形式（见图１２），在单侧覆土情况下，由于载荷分布不同，结构受力有别于双侧覆土，为了解覆土形式对隧道受力特性的影响，本文对地震作用下双侧覆４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·本刊特稿·土与单侧覆土条件下隧道衬砌的受力状况进行对比研究，将计算结果绘成衬砌弯矩及剪力包络线图，如图１３和图１４所示。图１２单侧覆土示意图图１３不同覆土形式对弯矩的影响图１４不同覆土形式对剪力的影响（１）单侧覆土形式下衬砌受弯相较于双侧覆土，受弯明显变化，在衬砌左、右两侧处影响尤为明显，弯矩包络线分离较大；相较于双侧覆土，单侧覆土顶底板弯矩包络线在无土侧上升，有土侧下降，绕衬砌中心呈一定角度旋转；无土侧顶板处弯矩和有土侧底板处弯矩相较双侧覆土增大，地震动力作用下增加２０７ｋＮ·ｍ，增长约１８．４％。（２）单侧覆土形式下衬砌受剪不同于双侧覆土，衬砌侧墙及中墙处影响较明显，其中侧墙剪力值减小，中墙剪力值增大；而顶、底板剪力分别向外侧平移，变化较小。（３）单侧覆土下衬砌两侧受力变化较大，受力包络线明显不同于双侧覆土，且向不利方向发展，应尽量避免隧道单侧覆土，若不可避免，应对无覆土侧增加水平支撑的方式以改善隧道受力。５结束语（１）随衬砌厚度的增加，隧道各部位弯矩荷载值及剪力荷载值开始增加较快，而后增长趋于平缓，即增长速率逐渐减小。此外，衬砌厚度增加对隧道底板中墙下连接处（７＃）影响最大，其弯矩荷载值及剪力荷载值增长幅度最大。虽然随着衬砌厚度增加，衬砌弯矩和剪力主要呈增长趋势，但由于衬砌承载力也会显著增长，因此增加衬砌厚度仍可考虑作为结构抗震的措施。（２）隧道衬砌弯矩及剪力荷载值随覆土厚度线性增长，且底板中墙上连接处（７＃）增长较大，易引起底板与中墙连接部位衬砌的开裂与错位。（３）相较于双侧覆土，单侧覆土顶底板弯矩包络线在无土侧上升，有土侧下降，绕衬砌中心呈一定角度旋转。应尽量避免隧道单侧覆土，若不可避免，应采取对无覆土侧增加水平支撑的方式以改善隧道受力。参考文献［１］李天斌．汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析［Ｊ］．工程地质学报，２００８，３６（６）：７４２－７５０．［２］崔光耀，刘维东，倪嵩陟，等．汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究［Ｊ］．岩土力学，２０１５（Ｓ２）：４３９－４４６．［３］何川，李林，张景，等．隧道穿越断层破碎带震害机理研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０１４，３６（３）：４２７－４３４．［４］赵晓勇，杨长卫，张建经．地震作用下盐水沟隧道破坏成因研究［Ｊ］．中国铁道科学，２０１５，３６（５）：６１－６７．［５］ＫｕｈｌｅｍｅｙｅｒＲＬ，ＬｙｓｍｅｒＪ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｃｃｕ-ｒａｃｙｆｏｒｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｓＤｉｖ，１９７３，９９（５）：４２１－４２７．［６］戚洪伟．反应位移法在地铁抗震计算中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（Ｓ２）：１００－１０３．［７］薛秋生，贺宝志．对钢筋混凝土建筑抗震设计的几点思考［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１０（８）：９０－９２．［８］陈育民，徐鼎平．ＦＬＡＣ／ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８：１２０－１４５．［９］李大争，金治雄，王理想．ＦＬＡＣ３Ｄ在地基砂土液化判别中的应用［Ｊ］．华北水利水电学院学报，２０１３（２）：６４－６７．［１０］高峰，石玉成，严松宏，等．隧道的两种减震措施研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（２）：２２２－２２９．［１１］郭美贤，王洋．城市地铁车站及隧道结构的震害分析及其对策［Ｊ］．广州建筑，２００６（６）：２４－２７．［１２］于翔．地铁建设中应充分考虑抗地震作用：阪神地震破坏的启示［Ｊ］．铁道建筑技术，２０００（６）：３２－３５．５铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据