宋家山隧道洞口段注漿加固圍巖的抗震分析

吳旭陽，梁慶國

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

宋家山隧道洞口段注漿加固圍巖的抗震分析

吳旭陽1，2，梁慶國1，2

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

根據(jù)武罐高速公路宋家山隧道洞口段圍巖的實(shí)際情況，應(yīng)用數(shù)值模擬方法著重討論注漿加固洞口段圍巖的抗震性能。并分析不同超越概率地震動作用下，隧道洞口段在不同注漿加固范圍時(shí)的地震動力響應(yīng)特點(diǎn)，繼而提出了相應(yīng)的圍巖注漿加固范圍建議值，可供同類情況注漿加固參考。

隧道洞口段 注漿加固圍巖 抗震 地震動力響應(yīng)

大量事實(shí)表明，隧道洞口段在地震中發(fā)生破壞的幾率較高，其抗震能力較弱。李德武［1］和王文禮等［2］對國內(nèi)外部分歷史地震中隧道震害實(shí)例進(jìn)行匯總，其中包含了美國、日本和臺灣17次地震中118座山嶺隧道的202例震害。宋勝武［3］，甘目飛［4］，李天斌［5］，高波等人［6］對汶川地震32座山嶺隧道的震害資料進(jìn)行了匯總，其中公路隧道22座，鐵路隧道10座，共計(jì)震害99例。我們對國內(nèi)外部分歷史地震和汶川地震中隧道的震害情況進(jìn)行了歸納整理(見表1)。結(jié)果表明:洞口邊仰坡失穩(wěn)和洞身襯砌裂損是發(fā)生幾率較高的震害，洞門裂損、襯砌剝落和洞身坍塌移動發(fā)生幾率中等，而隧道洞身段底板開裂鼓起、斷層錯動和其它類型的震害出現(xiàn)的幾率相對較低。

表1 歷史地震和汶川地震中震害類型及出現(xiàn)幾率統(tǒng)計(jì)

針對隧道洞口段抗震弱的問題，以宋家莊隧道為例，通過數(shù)值模擬來研究注漿加固法對隧道洞口抗震效果的影響。

1 工程概況

宋家山隧道是位于武罐高速公路上的雙向隧道，左線隧道長2.84 km，右線隧道長2.86 km。采用兩端掘進(jìn)，洞口位置巖石破碎，易受地震、降水影響引起塌方。隧道洞門采用端墻式，左側(cè)洞口段淺埋偏壓嚴(yán)重。該地區(qū)巖層多為砂質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙比較發(fā)育。加之風(fēng)化作用，山體表層巖層破碎，裂隙寬度一般＜1 cm，充填巖石碎屑及泥質(zhì)物，延伸長短不一。沿線大部分為河谷地貌，地表水及地下水較發(fā)育。隧道洞口主要為V級圍巖，巖石為灰綠色、青綠色、綠色，成分以綠簾石、綠泥石為主，片理極為發(fā)育，以微片理為主。該地區(qū)處于南北地震帶，即天水—武都—文縣地震帶中段，受東經(jīng)104°南北構(gòu)造帶或地震帶的影響，該地區(qū)地震活動頻率高，強(qiáng)度大，歷史上曾發(fā)生過多次破壞性地震。2008年汶川大地震對該地區(qū)也有一定影響，至今4級以上較大余震時(shí)常發(fā)生。

2 參數(shù)選取及數(shù)值模型

以宋家山實(shí)地環(huán)境與地質(zhì)狀況為依托進(jìn)行MIDAS建模分析，由于左隧道洞口呈現(xiàn)淺埋偏壓的特征，故選取左隧道為主要研究對象。圍巖計(jì)算物理學(xué)參數(shù)參考同類文獻(xiàn)中關(guān)于V級圍巖的參數(shù)值［7］，注漿加固圍巖［8］、初襯及二襯物理學(xué)參數(shù)采用實(shí)際設(shè)計(jì)值。注漿加固范圍分別預(yù)設(shè)為2，3，4 m。地震波加速度時(shí)程采用宋家山隧道場地超越概率為10%與2%的地震波，入射方向?yàn)闄M向水平(x向)。

圍巖、注漿加固圍巖及初襯采用實(shí)體單元，二次襯砌采用板單元;邊界條件采用上部為自由邊界，前面在隧道襯砌拱腳以下部分加黏性邊界，其余部位為黏性邊界。監(jiān)測特征點(diǎn)分布如圖1所示。實(shí)體模型采取的計(jì)算范圍為:x方向92 m，y方向75 m，z方向124 m。該模型共劃分為156 403個單元，108 534個節(jié)點(diǎn)，模型如圖2所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)分布

3 不同注漿加固范圍的地震動力響應(yīng)比較

3.1 入射10%超越概率地震波的地震響應(yīng)特性

在入射10%超越概率地震波作用下，對宋家山隧道洞口段注漿加固范圍分別取2，3，4 m及未加固時(shí)的位移及應(yīng)力進(jìn)行對比分析。在對位移影響方面，由圖3可直接看出各點(diǎn)處未注漿加固時(shí)的最大位移要比注漿加固時(shí)的略小，最大位移發(fā)生在拱頂部位，仰拱位移最小。其中，注漿加固3 m時(shí)各點(diǎn)位移最大，加固4 m時(shí)有所降低，加固2 m及未加固時(shí)依次降低。由此可見，注漿加固對降低隧道洞口段位移效果不佳。

圖3 不同注漿加固范圍洞口襯砌各控制點(diǎn)位移峰值

不同工況下洞口段控制點(diǎn)最大和最小主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同注漿加固范圍隧道襯砌最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力

從圖4可以看出，不同注漿加固范圍時(shí)，襯砌最大和最小主應(yīng)力的降低幅度相比于最大位移低很多。其中最大主應(yīng)力降低在拱頂和左右拱肩均超過50%以上，左右拱腳分別為19.5%和30.1%，但仰拱的最大應(yīng)力卻提高了45.7%。最小主應(yīng)力的變化情況與最大主應(yīng)力類似，降低最多的依然是拱頂和左右拱腳，均超過50%以上，其次為左右拱肩和右拱腰，降低幅度也超過20%以上，而仰拱也是增大了42.2%。從最大、最小主應(yīng)力的絕對量值來看，要遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。因此，注漿加固圍巖措施對10%超越概率地震動作用下的抗震效果是較為有效的。

3.2 入射2%超越概率地震波的地震響應(yīng)特性

在入射2%超越概率地震波作用下，對宋家山隧道洞口段注漿加固范圍分別取2，3，4 m及未加固時(shí)的位移及應(yīng)力進(jìn)行對比分析。在對位移影響方面，由圖5可看出，隨著注漿加固范圍的增大，各控制點(diǎn)處的峰值位移逐漸降低，不同注漿加固范圍內(nèi)最大位移均出現(xiàn)在拱頂處，且隨注漿范圍增大拱頂?shù)慕档头茸畲?，最小位移出現(xiàn)在仰拱處，注漿加固4 m比未加固時(shí)拱頂位移降低了4.4%。

圖5 不同注漿加固范圍洞口襯砌各控制點(diǎn)位移峰值

圖6 不同注漿加固范圍隧道襯砌最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力

從圖6可以看出，采用注漿加固圍巖對降低襯砌最大和最小主應(yīng)力的效果非常顯著。

其中，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均是在拱頂和左右拱肩部位降低明顯，注漿4 m時(shí)最大降低幅度可達(dá)50%以上，但仰拱的應(yīng)力值卻都增加了40%左右。對于最大和最小主應(yīng)力都是左右拱腳處最大，降低幅度也較為顯著，其中最大主應(yīng)力可降低28%(左拱腳)和33.9%(右拱腳)，最小主應(yīng)力則分別降低16.0%(左拱腳)和35.9%(右拱腳)。

4 討論與結(jié)論

1)注漿加固范圍分別為2，3及4 m時(shí)，位移峰值變化趨勢與未注漿加固時(shí)基本一致，最不利部位出現(xiàn)在拱頂。入射10%超越概率地震波時(shí)，注漿加固后的位移峰值反倒比未注漿加固時(shí)大，增大的位移值較小，最大增量僅0.3 mm。入射2%超越概率地震波時(shí)，位移峰值隨著加固范圍的增大而減小。這說明，注漿加固圍巖能起到降低圍巖位移的作用。

2)注漿加固范圍分別為2，3及4 m時(shí)，隧道襯砌內(nèi)力變化趨勢與未注漿加固時(shí)基本一致，最不利部位出現(xiàn)在左右拱腳處，其中最大主應(yīng)力在最不利位置拱腳處都有較大幅度的降低。

綜上所述:注漿加固可以減弱隧道洞口段的地震動力響應(yīng)，起到抗、減震的效果。注漿加固范圍越大，減震效果越明顯。就宋家山隧道洞口段的圍巖加固范圍而言，建議取4 m。

［1］李德武.斷層破碎帶隧道襯砌受力特性研究［D］.蘭州:蘭州大學(xué)，2004.

［2］王文禮，蘇灼謹(jǐn)，林峻弘，等.臺灣集集大地震山岳隧道受損情形之探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38(2):52-60.

［3］宋勝武.汶川大地震工程震害調(diào)查分析與研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［4］甘目飛.隧道工程在汶川地震中的震害調(diào)查及病害淺析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(增):228-233.

［5］李天斌.汶川特大地震中山嶺隧道變形破壞特征及影響因素分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(6):742-750.

［6］高波，王崢崢，袁松，等.汶川地震公路隧道震害啟示［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44(3):336-341.

［7］梁波，王志勇.淺埋偏壓隧道地震動力特性及穩(wěn)定性分析［J］.公路交通技術(shù)，2008，8(4):96-99.

［8］高潔.雙層注漿小導(dǎo)管在軟弱地質(zhì)隧道進(jìn)洞施工中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(7):49-50.

Seismic analysis on surrounding rock reinforced by grouting in portal section of Songjiashan tunnel

WU Xuyang1，2，LIANG Qingguo1，2
(1.Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Gansu 730070，China; 2.College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

According to the surrounding rock situation of Songjiashan tunnel portal section in W uguan expressway，the tunnel portal surrounding rock seismic performance by grouting reinforcement was analyzed by using numerical simulation method，the earthquake dynamic response characteristics of tunnel portal section in different grouting reinforcement range and different exceedance probability seismic dynamic effect was analyzed，then the suggested grouting reinforcement range of surrounding rock was proposed，which could provide a reference for similar project.

T unnel portal section;Grouting reinforcement of surrounding rock;Seismic resistance;Earthquake dynamic response

U452.2+8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.20

1003-1995(2015)02-0073-03

(責(zé)任審編趙其文)

2014-02-21;

2014-11-10

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT1139);蘭州交通大學(xué)“青藍(lán)”人才工程項(xiàng)目(QL-08-19A)

吳旭陽(1987—)，男，河南許昌人，碩士研究生。