山岭隧道抗震及减震方法综述

2012-08-30 16:54:00 科学时代·下半月 2012年6期

张斌伟 孙波 铁成

[摘 要] 首先分析了山岭隧道的震害特征,针对目前国内山岭隧道抗震设计的现状,简略地介绍了目前研究较多的隧道抗震设计方法,并对各类方法进行了对比和总结,最后对山岭隧道减震措施和方法进行了介绍,并对山岭隧道抗震分析中有待进一步研究的问题进行了说明。

[关键词] 隧道工程灾害分析隧道抗震设计

隧道工程由于受周围土体的约束,一直以来都被认为是具有很强抗震性能的结构,但随着地下结构在地震作用下破坏的案例越来越多,尤其是日本阪神地震和中国汶川地震给岩土工作者带来巨大的冲击,使得隧道结构的抗震问题受到国内外有关学者的关注。目前我国正处于基础设施建设的高峰期,尤其是西部大开发战略的深入推进,使得研究山岭隧道抗震、减震问题意义重大。

1.山岭隧道地震灾害的特点

通过对山岭隧道地震灾害资料的收集和归类分析,国内外专家将隧道地震破坏分为洞室变形、洞室顶部的偶尔落石、洞顶或洞壁倒坍、沿相交断层的位移、洞室围岩的剥落、支护或衬砌的扰动或变形等,总结了覆盖层厚度、岩石类别、支护类型、震级和震中距等因素对隧道震害的影响。将它们归纳起来,有以下几点:

(1)在同一烈度地震下,隧道结构一般比地面建筑物遭受到破坏的程度要小得多;

(2)隧道结构破坏程度随覆盖层厚度增加而降低,当覆盖层厚度小于50m时,隧道易遭遇地震破坏。隧道结构的震害程度与峰值地面运动有关;

(3)建筑在崩积层内的隧道结构要比建筑在坚固岩石内的地下结构更易受到严重破坏,穿越活断层或断层破碎带的地下结构在地震中也易受到严重破坏。

(4)在有限的资料范围内,看不出不同的内部支护形式对破坏程度有重要影响的趋势,但施工质量不能保证、采用木支撑、回填不密实的隧道易受到地震破坏。

2.国内山岭隧道抗震设计的现状

目前国内隧道等地下结构的相关的规范基本上采用地面结构的抗震设计方法。《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)针对铁路隧道的条文较少,规范中关于隧道的抗震强度和稳定性验算条文是参照既有设计经验。根据该规范规定:铁路隧道设防目标只需要达到抗震性能要求Ⅱ,在大致为Ⅲ级及以上围岩的洞口、浅埋、偏压隧道和明洞地震烈度为Ⅶ~Ⅸ度时,需进行抗震验算,验算方法为附加地震力的静力法,并只验算水平地震力对隧道强度和稳定性的影响[1]。另外,基于概率理论的隧道结构动力可靠度设计方面,也取得的重要的进展[2]。《公路工程抗震设计规范》(JTG D70-2004)中对于隧道抗震的规定基本沿用铁路隧道规范的相关规定。在我国地下铁道设计中,由于研究工作开展不够,目前尚没有国家标准。

3.目前山岭隧道抗震分析的方法

目前地下结构抗震总的研究方法主要有三种:地震观测、理论分析和实验研究。

3.1地震观测

通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的地震特点。1970 年,日本首先利用松化群发地震,测定了地下管线动态应变,通过对测定结果的研究发现:管线与周围地基一起振动。随后人们又对沉管隧道、盾构隧道和地下隧道等进行了地震观测,掌握了一定的地下结构动力特性,由此得出了影响地下结构地震反应的因素是地基变形而不是地下结构惯性力的结论。

3.2山岭隧道抗震分析的理论方法

地下结构的抗震分析方法大致分為两种,基本方法与实用方法[3]。基本方法也分为两种:一种为波动法[4],以求解波动方程为基础,梁建文[5]在这一方面做了大量的工作,取得丰富的成果。另一种为相互作用法[4],又称为振动法,以求解结构运动方程为基础。在上述方法的基础上发展了许多地下结构抗震分析的实用方法,代表性的工程设计方法有:反应变位法,围岩应变传递法,地基抗力系数法,有限元方法,ST.John法,Shukla法,福季耶娃法,递推衍射法,SCRTK法等。文献[6]提出了“南昆法”,不仅是以柔度比作为刚、柔性结构的判据,并用它来分析隧道结构与围岩的相互作用,将弹性地基梁的减小系数视为衬砌变形的传递系数,并以柔度比代替了难以确定的地基系数K。该课题组建议无抗震缝时采用“南昆法”进行计算。不同抗震设计方法的对比分析,见表1所示。

3.3 山岭隧道抗震分析的实验方法

隧道结构的抗震实验方法 经历了四个不同的发展阶段。分别为静力实验方法、地震模拟振动台实验方法、拟动力实验方法(联机实验)、原型结构的动力测试。典型的例子有:

(1)冈本舜三、雅可夫列维奇和后藤等进行了隧道的模型试验研究。试验结果表明[3]:a、两平行隧道间的距离越小,隧道间土体的剪切应变愈大,从而使得隧道的变形加大;b、隧道顶部拱肩和底部拱肩均为受力最大的截面,说明隧道产生了斜蛋形的剪切变形;c、当平行隧道距离较近时,衬砌应有足够的刚度。

(2)西南交通大学对南昆铁路乐善村二号隧道和草庵隧道进行了洞身模型试验。试验发现[13]:a、振动台、围岩、隧道结构三者的振动波相似,对于洞身衬砌而言,是递减传播,对于洞口衬砌而言,是递增传播;b、衬砌动应变的性质与地震波角度有关,横向地震时,衬砌断面因变形而发生切向应变,以拱脚和墙脚为最大;纵向地震时,则衬砌发生纵向应变为主,切向应变很小;斜向45°地震时,衬砌既有切向应变又有纵向应变,二者数值相近;c、洞口山体内的加速度越近地表越大,因此洞口边坡的开挖时应注意防止松动山体。

(3)铁道部科学研究院针对大秦线上的军都山隧道进行过圆形隧道、铁路单双线隧道的振动台模型实验。结论是[7]:a、地震应力对隧道总是一个偏载,对静载土应力而言是一个附加值,其大小

和符号随时间变化;b、锚杆的使用能提高地层分类等级,减小衬砌周边应力,但由于它使衬砌受牵连和约束,使衬砌中的应变有所增加;c、圆形结构的裂缝出现在垂直直径的内侧水平直径的外侧,单线隧道的裂缝出现在仰拱顶的内侧和仰拱趾处的外侧,双线隧道结构的裂缝出现在仰拱和顶拱和内侧以及仰拱趾处的外侧。

4.山岭隧道的减震措施

4.1改变隧道结构性能的抗震

主要是通过改变隧道结构刚度、质量、强度、阻尼等动力特性来减轻隧道结构的地震反应。这种方法主要有以下几种情况[9-10]:

(1)减轻质量

采用轻骨料混凝土来减轻混凝土的质量,从而减小隧道结构的地震反应,但轻骨料混凝土强度较低,为此,在轻骨料混凝土中添加钢纤维以提高其强度。

(2)增加强度和阻尼

① 采用钢纤维混凝土,提高混凝土延性、抗折性、抗拉性、韧性等,使隧道结构在地震中大量吸能耗能,减轻地震反应。如钢纤维喷混凝土、钢纤维模筑混凝土衬砌等,就属于这种措施。

② 采用聚合物混凝土,增加混凝土柔韧性、弹性和阻尼,使隧道结构吸收地震能量。如聚合物混凝土、聚合物钢纤维混凝土等。

③ 在隧道结构中添加大阻尼材料,使其成为大阻尼复合结构,也可以得到很好减震效果。增加阻尼有两种方法:一种方法是在隧道结构衬砌表面或内部增加阻尼,通过隧道结构的拉伸或剪切变形来耗能减震。另一种方法是在隧道结构的接头部位施设减震装置,在地震中,这些减震装置耗能减震,从而避免隧道结构进入非弹性状态或发生损坏。

(3)调整隧道结构刚度

① 采用柔性结构大大减小隧道结构的刚度,即做成“柔性结构”,这样做虽然能有效地减小隧道结构的加速度反应,减小地震荷载,但这种做法在软弱围岩情况下可能还不能满足静力要求,因此很难推广应用。

② 采用延性结构适当控制隧道结构的刚度,使结构的某些构件在地震时进入非弹性状态,并且具有较大的延性,以消耗地震能量,使隧道结构“裂而不倒”,这种方法在很多情况下是有效的,例如,当隧道中采用管片式衬砌时,在管片的接头部位安装特殊螺栓,此时的隧道结构就属于延性结构。该类隧道结构也存在很多局限性,首先,由于接头进入非弹性状态,将使隧道结构的变形增大,可能使隧道结构内部的附属设备遭受严重破坏。其次,当遭遇超过设计烈度地震时,将使重要部位的接头非弹性变化严重化,在地震后难以修复。

4.2 隧道结构的减震

在隧道结构周围安装减震器或回填减震材料构成的减震系统称为整体减震,这种结构具有较高的减震效果。

(1)理想回填减震材料为以下几种:

①颗粒材料(如火山渣);②泡沫材料(如聚苯乙稀等);③泡沫橡胶;④轻质混凝土。

(2)减震设施的设置[9-11]

隧道结构在地震时因与地层的相互作用而产生断面力和变形,因此在地层条件和结构条件变化部分,因振动特性不同而成为变形和断面力集中的场所,易于发生震害。在这种情况下,作为降低作用在隧道结构上的地层变形的影响的一个方法,就是减小隧道结构本体的刚性,而使之能够随地震时的地层变形。柔性管片和柔性接头及弹性垫板的环向接头就是这样的代表。

5.结论与展望

通过上面分析可知,山岭隧道抗震研究要远落后与地面建筑的抗震研究,而且由于地质赋存环境的复杂性,使得山岭隧道震害在很大程度上取决于地层特性,这种观点已为隧道界所共识,对于目前山岭隧道抗震设计方法,无论是静力设计方法、拟静力方法(工程实用方法)、动力有限元方法、还是实验研究方法,都不能全面的反映隧道地震的动力特性,山岭隧道结构的抗震分析中有待进一步研究的问题主要有[12]:地下隧道结构反应量测仪器的改进;地震荷载传播机制的深入认识;强震下垂直加速度对结构响应的影响;土-结相互作用数值模型的改进;场地土的运动方向和突加效应对结构响应的影响;沿轴向土体运动的不一致和土-结之间可能存在的滑移对结构响应的影响;结构的存在对场地土振动的局部放大或衰减效应以及多次反复周期荷载作用效应等。另外,土的本构模型,多维地震动的模拟与实现,较高规格离心机试验等方面也都是急需解决的问题。

目前我国在建和拟建了大量山岭隧道,有的隧道长度达到几十公里,这样大型的结构尚未真正受强震作用的考验,一旦地震破坏,就会造成严重的经济、政治和社会影响,因此,一系列新的与抗震设计有关的科学及技术问题需要深入探索,系统的开展隧道结构抗震理论分析及应用研究显得尤为重要和紧迫。

参考文献:

[1]应础斌,耿萍,张征亮.交通隧道抗震设计拟静力方法的适应性研究[J]. 公路,2011(12):194-198.

[2]严松宏. 地下结构随机地震响应分析及其动力可靠度研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2003.

[3]潘昌实.隧道地震灾害综述[J].隧道及地下工程,1990,VOL.2 NO.2.

[4]阎盛海.地下结构抗震.大连,大连理工大学出版社,1989.

[5]梁建文,张浩.地下双洞室在SV波入射下动力响应问题解析,振动工程学报,2004.

[6]铁道部第二勘察设计院等.南昆铁路8、9度地震区隧道洞口及浅埋大跨度新结构设计试验研究.1996。

[7]铁道部科学研究院. 隧道洞口段抗震加固方法研究,1983,3.

[8]刘根,杨运科,杨举明. 地下结构抗震设计方法研究及评价[J].工程结构,2008,28(5):96-98.

[9]王明年.高地震区地下结构减震技术原理的研究[D].西南交通大学博士论文,1999.

[10]关宝树. 隧道工程设计要点集[M].人民交通出版社,2003.

[11]李天斌.活斷层地区隧道抗震问题的数值模拟研究.成都理工大学硕士研究生论文,2006.

[12]韩锡勤,徐学勇.地下隧道工程抗震分析方法综述[J].大地测量与地球动力学,2010(30)增(Ⅱ):86-89.

作者简介:

张斌伟:(1981-),男,硕士,讲师。从事岩土与地下工程的教学研究工作。

基金项目:

陇东学院青年科技创新项目(xyzk0904)