市政道路矿山法隧道抗震计算研究

王乐 潘伟光 王凯

1. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430014；

2. 瀚阳国际工程咨询有限公司 广东 广州 510630；

3. 广州轨道交通建设监理有限公司 广东 广州 510030

1 项目背景及地质简介

龙海一路东段（龙山十路至疏港大道连接段）市政工程主线全长1800m，双向六车道规模，设计速度60km/h。本文研究依托对象为其中矿山法隧道段，总长度为1295m，埋深为16.15m～93.30m；该段山岭隧道主要穿越围岩为强~微风化砂砾岩，隧道围岩等级为Ⅲ～Ⅴ。基本地震烈度为7度；设计基本地震加速度值为0.10g。

根据工程地勘资料，基岩裂隙水的初见水位埋深一般为4.50～15.70m，混合稳定水位埋深一般为3.80～14.20m。由于场地主要位于山岗上，所以地下水位变化较大，地下水位线的形态与地形起伏基本一致[1]。雨季时（或下雨时）地下水位变化幅度可达1.0～5.0m。

2 关于抗震计算方法的选择

2.1 抗震计算方法选择

依据《地下结构抗震设计标准》（GB/T51336-2018）及本项目勘察报告，本工程矿山法隧道地层条件较均匀，大部分位于中风化砂砾岩层，断面形状简单，拟采用反应位移法进行隧道的横断面地震反应计算。

根据已有工程经验，地震对隧道的破坏是随埋深增加而减弱的。深埋隧道的结构，一般很少发生震害，结合本工程实际情况，本工程矿山法隧道抗震分析选择埋深最浅的不利断面进行计算。

2.2 反应位移法简述

采用反应位移法进行隧道结构横断面地震反应计算时，结构抗震计算应采用荷载—结构模型，可将隧道衬砌围岩作为支撑结构的地基弹簧，衬砌结构采用梁单元进行模拟[2]。

2.2.1 土弹簧刚度计算。计算模型中，隧道衬砌围岩采用地基弹簧（压缩弹簧和剪切弹簧）表示；弹簧刚度按式1计算：

2.2.2 地层位移计算。采用反应位移法进行隧道衬砌结构地震反应计算时，应考虑地层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力作用。以上三项均可由一维围岩地震反应分析得到；对于没有进行工程场地地震安全性评价工作的，地震时围岩沿深度方向位移可按式2确定，地震时围岩沿隧道轴向位移可按式3确定。

2.2.3 地层剪力计算。通过围岩位移微分确定围岩应变，并通过物理关系得到地层剪力。将地震摩擦力沿深度变化假定为正弦函数，可计算出地震摩擦力。隧道衬砌结构围岩剪力可按下式计算：

2.2.4 围岩位移引起的作用于衬砌结构的地震力计算。在反应位移法中需将隧道衬砌结构周围自由土层在地震作用下的最大位移施加于衬砌结构两侧面压缩弹簧及上部剪切弹簧远离结构的端部。而由于在有限元软件中要实现在地基弹簧远离结构的一端施加强制位移较难，因而可将强制位移按式6、7转换成直接施加在衬砌结构上的等效荷载[3]。

以上式1～7中代表符号含义详见《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）。

3 隧道结构静力计算

本市政道路隧道采用荷载-结构模型进行衬砌结构分析，纵向取单延米衬砌结构作为计算单元，采用弹簧模拟围岩对隧道衬砌结构水平位移、垂直位移的约束作用，地基弹簧只受压。分析采用Midas Civil有限元分析软件。静力计算结果详见后表《内力计算结果分析》。

表1 隧道荷载计算表

4 隧道结构地震作用计算

4.1 地震作用下计算结果

根据前述隧道衬砌荷载计算结果进行隧道截面抗震内力分析。经计算，截面的配筋均为裂缝宽度控制，其最大裂缝宽度限值迎土侧≤0.2mm，背土侧≤0.3mm，即满足静力作用工况下的裂缝要求时，均满足地震作用工况下的承载力要求[4]。多遇、基本及罕遇地震作用下的内力计算结果见表《内力计算结果分析》。

4.2 内力计算结果分析

表2 内力计算结果分析表

5 隧道结构抗震变形计算

5.1 抗震变形验算要求

依据《地下结构抗震设计标准》（GB/T51336-2018）。

5.2.1 圆形断面地下结构在基本地震作用下产生的弹性直径变形率应小于4‰。

5.2.2 圆形断面地下结构在罕遇地震作用下产生的弹塑性直径变形率应小于6‰。

5.2 隧道结构变形计算结果

图1 矿山法段基本地震作用下结构变形（mm）

图2 矿山法段罕遇地震作用下结构变形（mm）

根据上图可知，矿山法段结构在基本地震作用下最大变形为13mm＜4/1000×9297mm=37.188mm，满足基本地震作用下变形要求。

根据上图可知，矿山法段结构在罕遇地震作用下最大变形为11mm＜6/1000×9297mm=55.78mm，满足罕遇地震作用下变形要求。

6 结束语

多遇地震下结构均不受影响，结构强度由静力工况计算控制，满足抗震性能要求Ⅰ；基本地震和罕遇地震下结构部分位置受影响，需对构造及配筋进行局部加强。

结构在基本地震和罕遇地震作用下变形均满足规范要求。

矿山法隧道段：建议在静力工况计算下，加强拱脚位置的配筋，并禁止仰拱回填部分与仰拱衬砌同时浇筑，初支和二衬之间采用柔性防水层，增大缓冲，减弱地震作用。