引用本文
申玉生, 朱双燕, 资晓鱼, 周鹏发, 曹帮俊. 穿越上软下硬地层公路隧道竖井结构抗震性能分析[J]. 北京交通大学学报, 2019,43(3): 98-104.
SHEN Yusheng, ZHU Shuangyan, ZI Xiaoyu, ZHOU Pengfa, CAO Bangjun. Analysis on seismic performance of highway tunnel shafts crossing soft and hard stratum[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2019,43(3): 98-104.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20190005  
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穿越上软下硬地层公路隧道竖井结构抗震性能分析
申玉生, 朱双燕, 资晓鱼, 周鹏发, 曹帮俊
西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031

第一作者:申玉生(1976—),男,山东潍坊人,副教授,博士,博士生导师.研究方向为隧道抗减震理论.email:sys1997@163.com.

收稿日期: 2019-01-11
基金: 国家自然科学基金(51778540,51678501); 国家重点研发计划 (2016YFB1200401)
摘要

竖井作为长大公路隧道重要的通风通道,对公路隧道安全运营起到非常重要的作用,但在强震作用下受场地放大效应影响,穿越复杂地质条件的深大竖井结构易遭受损伤,只有提高深大竖井结构的抗震性能才能确保公路隧道通风安全.依托于某公路隧道深大竖井工程,采用动力时程分析法,对穿越软硬岩交界面深大竖井结构动力响应规律进行分析,得出软硬交界面处竖井结构的横向和竖向动力响应变化规律,发现竖井结构主震方向的应力和位移在软岩侧相比硬岩侧要大,提出在软硬岩交界面软岩侧采用渐进式注浆技术方案,可以有效提高竖井抗震性能.结果表明,全环渐进式加固方案可对长大隧道工程深大竖井结构的设计与施工提供一定的理论和参考依据.

关键词: 公路隧道; 地震动力响应; 渐进式注浆; 软硬交界面; 竖井结构
中图分类号:U45 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2019)03-0098-07
Analysis on seismic performance of highway tunnel shafts crossing soft and hard stratum
SHEN Yusheng, ZHU Shuangyan, ZI Xiaoyu, ZHOU Pengfa, CAO Bangjun
Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering Ministry of Education,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031
Fund:National Natural Science Foundation of China (51778540,51678501); National Key R&D Plan(2016YFB1200401)
Abstract

As an important ventilation channel of long highway tunnels, shaft plays a very important role in the safe operation of highway tunnels. However, under strong earthquakes, deep and large shaft structures passing through complex geological conditions are vulnerable to damage due to site amplification effect. Only by improving the seismic performance of deep and large shaft structures can the ventilation safety of highway tunnels be ensured.Basing on a deep shaft engineering in a strong earthquake zone and by means of dynamic time-history analysis, finding the dynamic response regulars of transverse and longitudinal of shafts through the interface between soft and hard rock. The stress and displacement of the main seismic direction of shaft structure are larger in the soft rock position relative to the hard rock position. What’s more, the paper proposes the seismic performance of shafts can be improved effectively by the methods of progressive grouting on the soft rock side. The research results can provide some theoretical and reference basis for the design and construction of deep and large shaft structure in long tunnel engineering.

Keyword: highway tunnel; seismic dynamic responses; progressive grouting; hard and soft interface; shaft structure

竖井通道作为长大公路隧道重要的通风渠道, 在调节隧道内气压、通风换气及防灾救援方面发挥着重要作用[1].工程地质条件较好的隧址区竖井工程一般都具有良好的抗震性能, 但位于断层破碎带、软硬围岩交界面等不良地质地段的竖井结构可能会遭受严重的损伤或破坏[2].地震时的场地土对地震波有一个放大效应, 也就是说竖井底部和顶部的地震动响应不同, 其结构易遭受严重破坏.近些年来, 对于隧道抗震理论与措施的研究比较成熟, 但对于隧道竖井的动力响应特性研究尚处于起步阶段.

目前, 国内外一些学者已经开始对竖井抗震理论进行初步的研究.李桂庆[3]分析了水库进水塔在水平、竖直方向的地震力及其产生的影响.陈一[4]对南水北调中穿黄工程北岸竖井的内弯管进行计算, 分析在管道横向、轴向正负3个方向上地震波的动力响应, 得出弯管的应力集中位置.MAYORAL等[5]对在黏性土条件下地震作用时无隧道约束竖井的损伤曲线进行了研究.陈向红等[6, 7]分析了黏弹性边界条件下竖井与隧道相互作用下的动力响应特性.肖梦倚等[8]采用振型分解反应谱, 对半埋式深竖井的应力、变形动力特性及其稳定性进行了分析.郭志鑫等[9]对在多遇地震和罕遇地震下竖井施工时的动力响应进行了研究.王海波等[10]分析了地震动作用下隧洞与竖井交叉段不同刚度差异变化产生的错动量.众多学者的研究主要集中于竖井结构自身的动力特性分析, 而地震动条件下竖井围岩条件变化与结构的相互作用关系尚未开展深入研究.

竖井井口围岩地质条件较差, 多为强风化的松散物, 而在井口以下深处的围岩则是较为坚硬的基岩, 在剪切波和面波的作用下, 穿越上软下硬过渡段地层的隧道竖井衬砌, 易遭受损伤.本文作者依托某公路隧道竖井工程, 对穿越软硬岩基覆交界面深大竖井的结构抗震技术进行研究, 提出了渐进式注浆控制技术, 对比分析了地震时两种工况下衬砌应力和位移变化的规律, 所得结论可对强震区深大竖井抗震与减震设计施工提供一定的参考.

1 竖井工程概况

以某特长高速公路隧道工程深大通风竖井工程为研究对象, 竖井位于隧道中部左侧145 m处, 通过排风联络风道排出隧道污风, 同时兼顾火灾情况下的排烟.竖井工程区域地表覆盖第四系破残积层, 下伏基岩为雷口坡组的灰岩、泥质灰岩夹泥岩、碳质灰岩, 地层较单一, 未见断层、滑坡、泥石流、地下暗河、煤层瓦斯、有害气体等不良地质现象, 区域主要的不良地质和特殊岩土为泥质灰岩和碳质灰岩软弱夹层.竖井基覆交界面是由V级围岩向III级围岩过渡, 如图1所示.

图1 竖井竖向断面(单位:m)Fig.1 Vertical section of shaft engineering (unit: m)

竖井横断面为圆形结构, 开挖采用全断面法机械化施工, 内径为8 m, 深度为335.7 m, 竖井衬砌为C35钢筋混凝土(厚度50 cm), 初期支护为C30喷射混凝土(厚度为25 cm), 如图2所示.

图2 竖井衬砌横断面(单位:cm)Fig.2 Cross section of shaft lining (unit: cm)

2 竖井计算模型
2.1 计算模型建立

考虑数值计算边界效应的影响, 保证计算的结果精度要求, 仅选取软硬岩交界面附近一定范围内的竖井结构建立模型, 上方V级围岩高40 m, 下方III级围岩高80 m, 竖井的计算模型尺寸为120 m× 80 m× 120 m, 内径为8 m, 如图3(a)所示.围岩采用摩尔-库伦模型, 初支与二衬采用弹性本构模型, 衬砌结构单元如图3(b)所示.

图3 竖井工程计算模型Fig.3 Calculation model of shaft engineering

2.2 地震波输入

选择输入地震波为汶川地震中的卧龙波.初始记录卧龙波加速度时长为180 s, 幅值为9.58 m/s2, 峰值时刻为33.01 s处.经过基线校正和过滤, 选取地震波能量集中的22~34 s之间长12 s的地震波输入[2], 地震波加速度时程曲线如图4所示.地震波从模型底部沿 Z向输入, 作用方向为水平方向(即 X方向), 如图5所示.

图4 卧龙波加速度时程曲线Fig.4 Acceleration time history curve of wolong wave

图5 计算模型地震波输入Fig.5 Seismic wave input for calculation model

采用FLAC3D软件, 对竖井与围岩的动力学作用关系进行计算, 边界条件设置如下:模型上部为自由边界, 四周及底部采用黏弹性边界模拟, 选用的临界阻尼为局部阻尼, 即为0.157[2, 11].

2.3 结构计算参数

文献[12]表明, 强震作用下, 地下结构在基覆交界面处, 因衬砌、软岩及硬岩的之间的刚度不匹配, 造成结构相对错动位移过大, 可能出现结构损伤或破坏.本文提出高烈度区软硬交界面竖井的渐进式围岩注浆的减震措施, 即在软岩一侧采用全环渐进式注浆, 如图6所示.通过对比分析无措施和围岩渐进式注浆加固两种措施下的竖井结构动力特性, 获得软硬岩交界面竖井有效的抗震设计参数.

图6 竖井围岩渐进式注浆示意Fig.6 Progressive grouting sketch for surrounding rock of shaft

软硬岩交界面处围岩注浆区长度(见图6)取值分别为 LA=LB=LC=LD=4m, 注浆厚度(径向)分别为 hA=4m, hB=3m, hC=2m, hD=1m.竖井围岩、支护结构以及注浆加固参数取值见表1.

表1 竖井围岩与支护结构物理参数指标 Tab.1 Physical parameters index of surrounding rock and supporting structure of shaft
2.4 竖井计算步骤

在竖井动力计算中, 分两步进行:1)隧道竖井静力计算, 施工过程中以4 m为一个循环步, 在交界面处时, 开挖完成后施作初期支护和围岩注浆(改变岩土体参数), 然后施作二次衬砌, 直至竖井施工完毕; 2)实施隧道竖井地震动力分析计算.

2.5 监测点的布置

文献[14, 15]表明, 剪切波作用下, 衬砌在以45° 和-45° 为对称轴的方向上内力和变形最大.为了更好地分析竖井衬砌的受力特性与规律, 横断面竖井结构和围岩上各设置8个监测点(编号 A~H表示结构测点, A'~H'表示围岩测点, 角度表示与X轴正向夹角); 在沿竖井竖向(Z向)上, 共设置14个断面(1-1~8-8表示软岩侧监测面, I-V表示硬岩侧监测面, 0-0断面表示软硬交界面处监测面).竖井监测点的位置如图7所示.

图7 竖井监测点位置Fig.7 Monitoring points location of shaft structure

3 计算结果分析
3.1 竖井结构受力分析

文献[11, 12]表明, 在软硬岩交界面处, 地下结构衬砌的剪应力动力响应较为明显, 振动幅值变化较大.故采用第三强度理论进行竖井受力分析, 竖井结构应力值均为(最大主应力-最小主应力)/2, 即材料力学中的剪切应力.由于竖井结构的对称性, 选取右半部分监测点(即监测点B、C、D、E)的监测数据进行分析.

图8为不同工况交界面处各不同测点的应力时程曲线.由图8(a)可见, 结构初始应力变化很小, 这主要是动力计算前初始地应力的平衡所导致的.在地震动第5~10 s区间, 竖井各测点的应力变化幅度较大, 竖井结构的最大应力发生9.24 s左右的B和D测点处, 即结构断面的45° 和-45° 处, 应力最大值分别为2.98和3.01 MPa.

图8 不同工况交界面处竖井结构各测点的应力时程曲线Fig.8 Stress time history curves of monitoring points for shaft structure at interface with different conditions

由图8(b)可见, 注浆后各测点的应力峰值均有所减少, 动力计算应力峰值在7.02 s处, 应力最大值为2.21 MPa(E测点), 即-90° 方向.在不同工况条件下, 竖井测点应力峰值如表2所示.

表2 软硬岩交界面处竖井结构不同测点应力峰值 Tab.2 Peak stress values of monitoring points for shaft structure at soft-hard rock interface MPa

从表2可见, 无措施工况下, 结构B、D测点的应力较大, A、E测点的应力次之, C测点的应力最小; 采用渐进式注浆后, B、D测点的应力减少量最大, 分别减小了27.2%和27.6%, A测点减少最小为7.7%, 而C测点的应力值虽有所增加, 但幅度较小.总之, 渐进式注浆对各测点的应力减少明显, 同时也验证隧道衬砌在共轭45° 方向上受地震动拉压应力最大[13].

限于篇幅, 在分析竖井轴向方向上各测点的应力变化值时, 选取竖井D和E测点的应力峰值进行分析, 对比分析在无措施和渐进式注浆措施下的竖井应力峰值沿其竖向的分布规律, 如图9所示.

图9 竖井结构各测点沿竖向峰值应力曲线Fig.9 Vertical peak stress curve of measuring points for shaft structure

由图9可知, 竖井结构在竖向上的应力分布规律相似, 硬岩段结构应力与软岩段相比变化较小.无措施工况下, 在软硬交界面处(即0-0断面), D、E测点应力值分别为3.01和2.73 MPa; 从硬岩过渡到软岩时, 结构应力发生突变, 迅速增大, 在距离交界面3 m(即3-3断面)左右, D测点应力达到最大(3.82 MPa), 在距离交界面4 m(即4-4断面)时, E测点达到应力最大值(4.68 MPa).采用渐进式注浆后, 硬岩段结构应力比无措施时的值稍大, 软岩段结构应力比无措施时的值大幅度减小(距离交界面1 m处最大减小38.7%), 主要是软岩侧围岩注浆后, 导致软硬岩交界面处竖井结构轴向整体刚度大幅度增加, 抗力增加, 交界面两侧结构剪应力趋于平缓.测点竖向应力峰值的分布见表3和表4.

表3 软岩侧竖井D测点沿竖向应力峰值 Tab.3 Vertical stress peak values of measuring point D for vertical shaft at soft rock sideMPa
表4 软岩侧竖井E测点沿竖向应力峰值 Tab.4 Vertical stress peak values of measuring point E for vertical shaft at soft rock sideMPa

从表3和表4可知, 采用渐进式注浆工况后, 竖井软岩侧衬砌的结构应力值均有大幅度减少, D、E测点在交界面处的结构应力分别减少了27.6%和19.1%.在距离交界面3 m处, D、E测点结构应力减少量分别为-38.4%和-33.8%, 说明注浆对于竖井结构在竖向应力分布上的削弱作用也比较明显.

3.2 竖向变形规律分析

图10给出了在地震作用下竖井结构基覆交界面处的水平相对位移(竖井结构测点相对于径向围岩测点的水平位移, 如图7(a)中竖井结构A测点相对于围岩A'测点)时程图.可以看出, 各测点之间的位移变化较小, 在8.24 s时结构达到最大位移(-29.7 mm).

图10 软硬岩交界面处竖井结构不同测点位移时程图Fig.10 Displacement time history curve of different measuring points for shaft structure at soft-hard interface

选取竖井结构D测点在竖向上的水平相对位移(即0-0~8-8断面的 X方向位移)进行分析, 由图11可知, 硬岩段测点D水平位移相对软岩段来说较小, 在无措施工况下, 从硬岩过渡至软岩时, 水平位移一直在增大, 其中软硬交界面(即0-0断面)位移为29.7 mm, 最大位移发生在距离软硬交界面12 m(即7-7断面)的软岩段处(35.0 mm).竖井采用注浆加固措施后, 测点D位移变化与无措施时的规律基本吻合, 硬岩一侧位移距离软硬交界面2~6 m范围内(即II-II~V-V断面)的变化较小; 采用渐进式注浆后, 硬岩段2 m至软岩段12 m范围内(即II-II~7-7断面), 位移相对无措施时减少较大, 软硬交界面处位移为26.0 mm, 软岩段结构位移随与交界面距离增大而缓慢增加, 最大位移同样发生在12 m的软岩段(即7-7断面), 最大值为29.1 mm, 如表5所示.

图11 竖井结构D测点沿竖向水平相对位移Fig.11 Horizontal relative displacement time history of measuring point D for shaft structure along vertical direction

表5 软岩侧竖井D测点沿竖向水平相对位移 Tab.5 Horizontal relative displacement time history of measuring point D along vertical direction at soft rock side shaftmm

由表5可见, 渐进式注浆措施对竖井结构振动位移减小的作用比较明显, 在软硬交界面处水平相对位移减少了12.5%, 且随着距离增大, 减小的效果越明显, 软岩段距离交界面12 m处的减少量最大为15.0%, 说明渐进式注浆措施有利于减小竖井结构的相对变形, 提高了竖井整体结构的抗震性能.

4 结论

本文依托于西部某公路隧道深大竖井工程, 采用动力时程分析法, 对穿越上软下硬地层的竖井结构进行抗震分析, 研究得到如下结论:

1)竖井结构在水平方向上(即 X方向)位移及结构的应力, 软岩侧相比硬岩侧要大.

2)竖井结构在软硬交界面处的最大应力出现在D测点(-45° 方向)处, 而竖向上结构应力出现先增大再逐渐缓慢减少的现象; 在交界面处各测点处的水平相对位移基本相同, 在竖向上测点的水平相对位移随竖井高度的增加而增加.

3)在软岩段竖井采用渐进式注浆措施, 对结构应力减少明显.在软硬交界面处, B测点(45° 方向)和D测点(-45° 方向)上, 结构应力减少量最大, 分别为27.2%和27.6%; 在竖向上, E测点(-90° 方向)竖井结构应力减少量最大为38.7%, 出现在软岩侧距离软硬交界面1 m处(即1-1断面).

4)在软岩段竖井采用渐进式注浆, 对结构位移的削弱作用明显.在软硬交界面处, D测点位移减少量为12.5%; 在竖向上, D测点位移最大减少量为15.0%, 出现在软岩侧距离软硬交界面12 m处.

强震区竖井结构穿越上软下硬地层时, 建议采用渐进式注浆加固技术对地层进行抗震设防, 能够有效减少竖井结构的应力和变形, 提高结构抗震能力.

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