考慮餘震影響的軟岩隧道施工期結構力學特性研究

楊文波 張航 羅春雨 康海波 杜明楊 林霖 何川 劉子敬

西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 西南交通大學土木工程學院 四川公路橋樑建設集團有限公司公路隧道分公司

摘 要：依託處於強震區複雜應力環境中的典型軟岩隧道，通過現場實測數據，首先對靜力開挖時隧道結構力學特性進行了分析；並以此為基礎結合三維數值仿真分析，進一步研究了不同隧道開挖工法以及在不同施工階段時隧道餘震動力響應規律。研究結果表明：在隧道不同開挖工法下，通過比較餘震作用產生的隧道位移差、隧道結構與圍岩加速度響應、塑性區和初期支護最小主應力，發現隧道開挖工法對隧道餘震動力響應規律影響較小；在隧道開挖不同階段，即初支單獨作用與初支二襯共同作用，二襯的施做使隧道位移差減小17.44%,初支壓應力降低16.13%,說明二襯的施做有利於減小餘震對隧道造成的不良影響。綜合研究結果發現，在複雜應力環境中修建軟岩隧道遭遇餘震作用時，隧道前方掌子面易發生剪切破壞，隧道結構在拱肩與拱腳處受力較為薄弱，在餘震後應為重點觀察部位。

關鍵詞：公路隧道;強震區軟岩隧道;餘震;結構力學特性;動力時程分析;

收稿日期：2021-04-08

基金：國家自然科學基金面上項目，項目編號51678499;

「5·12」汶川地震發生以來，我國西部地區餘震頻發，隧道因其抗震性能較好，成為了西部地區線路修建的重要選擇。但在西部山區公路、鐵路建設中不可避免地需穿越位於成都平原與青藏高原之間的龍門山斷裂帶，而在該斷裂帶區域分佈着大量以千枚岩為代表的層狀軟岩。千枚岩呈錫絲光澤的變質岩類，常為細粒鱗片變晶結構，千枚岩隧道受複雜應力環境以及自身岩體特性的影響，在建設中出現了大量的工程問題，如施工時遭遇掌子面失穩、支護結構變形、拱架扭曲等病害[1,2,3]。鍾宇健等[4]通過現場監測與數值模擬對比分析，結果顯示拱頂—右拱腰部位為較為不利部位。郭小龍等[5]根據隧道變形長期監測結果，得出高地應力千枚岩隧道不同變形等級段二襯合理的施做時間。

千枚岩為代表的層狀軟岩在強震作用下較其他岩體更易遭到破壞，進一步加大了施工難度[5],因此如何保證在餘震頻繁發生的前提下，降低其對隧道施工的影響具有現實意義，目前有了一定的研究成果。張景等[7]調研了廣甘高速公路施工期隧道塌方情況，利用有限差分法，探究了空洞對其在餘震作用下動力響應規律的影響。趙衛[8]以杜家山隧道為例，針對施工期間的3個階段(裸洞、初支施做、二襯施做動力響應)得出其各自的響應特徵。凌瑤[9]以廣甘高速公路上杜家山隧道為例，研究在二襯施做完成後，餘震作用對圍岩及其二襯的影響，提出隧道二襯開裂的處治措施。賴炯丞[10]考慮地震作用後，震裂岩體的岩體物理特徵以及地下水的作用，對材料力學參數進行折減，研究初期支護作用下和初支二襯共同作用下，初支剛度與二襯剛度對其動力響應規律的影響。許金華[11]針對軟岩隧道為研究對象對震裂岩體區軟岩隧道施工過程中的失穩破壞模式、成因機制及餘震作用下的災變特性及失穩機理進行了系統研究。

上述研究中，主要考慮了隧道施工中的兩個階段，即初支作用與初支二襯共同作用，但未考慮具體開挖工法對餘震作用下軟岩隧道動力響應的影響，未考慮掌子面前方土體的擠壓作用對於餘震響應的影響，且依託的工程較為單一。基於此，本文以穿越大量千枚岩地層的藍家岩隧道為依託，其具有高地應力、軟弱圍岩等特點，隧址區頻繁發生的餘震將使得隧道圍岩-支護體系處於更為不利的狀態。本文通過現場實測及數值計算等方法，針對處於強震區高地應力狀態下的藍家岩隧道施工期隧道結構內力及圍岩-支護動力響應規律進行研究，剖析餘震作用下圍岩-支護體系的穩定性，為類似工程提出科學、合理的設計施工方案提供參考。

1 工程概況

藍家岩隧道位於阿壩州茂縣境內，是綿竹至茂縣公路的重點控制性工程，隧址區位於龍門山推覆構造帶後山斷裂帶，屬「5.12」汶川特大地震強烈波及區。2008年5月12日，汶川8.0級大地震後，隧道區餘震不斷，目前偶然仍有較強烈的餘震活動。藍家岩隧道與龍門山斷裂帶位置關係如圖1所示。

圖1 綿(竹)茂(縣)公路與龍門山斷裂帶位置示意

隧道沿線穿越的地層大多為千枚岩，其具有岩性鬆軟、遇水易軟化、節理裂隙發育等特點，尤其在經受強震動力作用下較之其他岩體更易產生揉搓損傷及震裂鬆動等現象，從而加大了在該類岩體中修建隧道的難度。

本文選取藍家岩隧道高地應力場軟岩段作為研究對象，其斷面如圖2所示，隧道採用的支護參數如表1所示。

2 基於實測數據的藍家岩隧道二襯結構力學特性分析

穿越千枚岩地層隧道多處於高地應力環境，因此工程中往往出現由圍岩擠壓變形引起的局部破壞，可能導致嚴重後果。為了觀察隧道施工期間二襯的受力，對藍家岩隧道的二襯應變進行了監測，以研究此類高地應力軟岩隧道施工時二襯結構的力學特徵，保證現場施工的順利進行。

圖2 藍家岩隧道斷面

單位：cm

表1 藍家岩隧道高地應力軟岩段支護參數

	初期支護/cm	二次襯砌/ 厚度(*表 示鋼筋混 凝土)/cm	預留變 形量/cm
系統錨桿 (長度/間距 (縱×環))/m	噴射C20 混凝土厚 度/cm	鋼架 (類型/間距)
4.0/1.5×1.2	30	I18/80 (全環)	C30混凝 土/50*	25

2.1監測方案確定

為了解藍家岩隧洞二次襯砌的受力狀態，檢驗二次襯砌設計的合理性，判斷二次襯砌支護結構長期使用的可靠性及安全程度，在每個量測斷面處均以對稱方式埋設了8對(16個)混凝土應變計，分別布置於隧道拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底的位置處，混凝土應變計需成對埋設，2個混凝土應變計分別位於二襯混凝土內的內側與外側，從而計算二次襯砌截面內的軸力和彎矩。元器件斷面埋設示意圖以及現場照片分別如圖3、圖4所示。

圖3 元器件斷面埋設示意

圖4 元器件安裝

2.2現場監測結果分析

2.2.1二襯內力

圖5、圖6分別為藍家岩實測二次襯砌軸力與彎矩的時態曲線。由圖5、圖6可知：二次襯砌施做後，軸力和彎矩在前30 d快速變化， 30～60 d增速逐漸放緩，直至60 d後二次襯砌的受力逐漸趨於穩定。

圖5 二次襯砌的軸力時程曲線

圖6 二次襯砌的彎矩時程曲線

從圖5中可以看出，各位置處的二次襯砌軸力均為負，說明各監測位置的二襯均受壓。從軸力看，隧道開挖最大軸力位於右拱腰處，為3 360.82 kN,拱底處軸力最小，為1 226.73 kN。從二襯彎矩來看，拱頂與拱底承受正彎矩(內側受拉),其餘部位承受負彎矩(外側受拉),最大正彎矩位於拱底處，為38.37 kN·m, 最大負彎矩位於左拱腳處，為-107.58 kN·m。

2.2.2二次襯砌安全係數

依據藍家岩隧道高地應力軟岩斷二次襯砌的軸力與彎矩實測結果，根據《公路隧道設計規範 第一冊土建工程》[12],計算得到該斷面處二襯安全係數的時態曲線，如圖7所示。由圖7可知，隧道安全係數與隧道二襯內力變化趨勢類似，前30 d由於隧道二襯內力增加，安全係數急劇減小，而後逐漸放緩，最終趨於穩定。藍家岩隧道安全係數均大於規定值，拱腰與拱腳處安全係數較低，最小值為3.37。

圖7 二次襯砌安全係數時程曲線

3 基於數值模擬藍家岩隧道施工期圍岩-結構動力響應研究

藍家岩隧址區頻繁發生的餘震將使得高地應力軟岩隧道圍岩-支護體系處於更為不利的狀態，基於此，本文採用數值模擬的手段對藍家岩隧道施工期餘震作用下圍岩-結構動力響應特性進行研究。主要計算步驟為：首先根據藍家岩隧道地應力反演結果，計算初始地應力；然後進行隧道開挖與支護；最後在模型底部施加地震波，進行動力求解。

3.1模型參數與輸入地震波

本文利用有限差分軟件FALC 3D建立如圖8所示的數值模型，模型的尺寸為87.5 m×52.5 m×87.5 m(長×寬×高)。模型上表面為自由邊界，並約束側面及底面的法向位移。選用摩爾-庫倫本構模型，採用實體單元對圍岩進行模擬，並採取提高加固區圍岩參數的方法模擬超前加固[13];初期支護採用實體單元，鋼拱架通過等效剛度的方法考慮[14];二次襯砌採用殼單元(shell)。具體物理參數如表2所示。為了模擬現場隧道實際埋深，根據藍家岩隧道地應力反演結果，施加構造應力場[15]。

圖8 動力計算模型及邊際條件

表2 圍岩及支護結構物理力學參數

圍岩類別	重度γkN⋅m−3重度γkΝ⋅m-3	彈性模量 E/GPa	黏聚力 c/kPa	內摩擦角 φ/(°)	泊松比
圍岩	21.5	5	60	36	0.36
加固區圍岩	24.0	12	100	40	0.28
初期支護	22.0	25.69	--	--	0.2
二次襯砌	25.0	28.0	--	--	0.2

力學阻尼採用工程中常用的Rayleigh阻尼，因為岩體為軟弱圍岩，邊界條件模型底部使用黏性邊界，將速度時程轉化為應力形式輸入，四周是自由場邊界。因無直接實測餘震波，參考文獻[11],選擇隧址區主震地震波(汶川清平地震波)作為地震動輸入。通常情況，獲得的地震波記錄為加速度時程曲線，本次採用地震波振幅取0.33 g, 如圖9所示。通過積分轉化為速度時程，再利用式(1)、式(2)轉化成應力從模型底部輸入。

σn=-2(ρ·CP)vn (1)

σs=-2(ρ·CS)vs (2)

式中：σn為法嚮應力；σs為剪切應力；ρ為介質密度；CP為介質的P波速度；CS為介質的S波速度；vn為豎直方向的質點速度；vs為水平方向的質點速度。

圖9 輸入地震波加速度時程曲線

3.2考慮工況與監測方案

首先考慮了3種開挖工法：上下台階法、上下台階預留核心土法、三台階法，以探究開挖工法對餘震作用下動力響應的影響，並考慮了掌子面前方土體的擠壓作用，其中上台階開挖至43.5 m, 如圖10所示。針對隧道實際採用工法——上下台階預留核心土法，考慮施工過程中兩個過程：初期支護施工完成與二次襯砌施工完成，以比較施工不同階段，遭遇的地震作用、圍岩-支護動力響應以及結構安全性。在餘震過程中，監測了10 m斷面初期支護與二次襯砌拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、仰拱處8個位置，同時監測土體不同高度處測點，如圖11所示，其中S1～S8為隧道監測點，T1～T9為土體監測點。

4 數值計算結果與分析

4.1不同開挖工法下圍岩—支護動力響應特徵

4.1.1位移特徵分析

結構相鄰部分位移差是結構地震響應的重要評判依據，在地震過程中，監測了洞周10 m斷面8個測點的位移，結果顯示，其在隧道拱頂與仰拱中心之間產生最大的位移差，繪製不同開挖工法的位移差時程曲線，如圖12所示。不同開挖工法下隧道洞周位移差變化曲線相似，最大位移差均出現位置接近12.35 s(地震波正加速度峰值點),上下台階法、上下台階預留核心土法、三台階法3種工法最大位移差分別為1.00 cm、0.86 cm、1.04 cm,說明在餘震作用下，隧道整體位移差較小，3種工法位移差相差不大，位移差呈現三台階法>上下台階法>上下台階預留核心土法的趨勢。

4.1.2加速度特徵分析

在地震過程中監測隧道10 m斷面的X方向加速度，提取隧道拱頂與同高度土體加速度時程曲線，如圖13所示。從圖13中可以看出，隧道拱頂與同高度圍岩加速度時程曲線幾乎相同，且與輸入加速度時程曲線相似，說明隧道結構的施做對圍岩地震動力響應影響較小，這與賴炯丞[10]得到的結論相同，即隧道結構對地層加速度響應有明顯的追隨性。

圖10 開挖工法示意

圖11 監測點布置

圖12 不同開挖工法下隧道位移差時程曲線

圖13 不同開挖工法下初支與圍岩X方向加速度時程曲線

為比較圍岩不同高程加速度峰值響應，在餘震作用下，將不同位置處土體監測點的X方向加速度峰值記錄，如圖14所示。從圖14中可以看出，隨着與土體底部(地震波施加位置)距離的增加，加速度響應逐漸增大，不同開挖工法對加速度響應峰值影響不大，說明土體加速度響應主要受入射地震波與岩體自身性質影響。

圖14 不同開挖工法下土體X方向加速度峰值

4.1.3塑性區

3種開挖工法餘震作用過後塑性區分佈如圖15所示。從圖15中看出，地震造成岩體破壞以剪切破壞為主，且掌子面前方土體大量破壞，不同開挖工法塑性區面積呈現上下台階預留核心土法>三台階法>上下台階法的趨勢，但整體相差不大。

圖15 不同開挖工法塑性區

4.1.4初支應力分佈

餘震作用下，初支應力主要承受壓應力，過程中監測了初期支護的8個測點主應力，提取其最小主應力，如圖16所示。從圖16中可以看出，不同開挖工法下，初支應力分佈相似，在拱肩拱腳處初支壓應力較大，其中拱腳處上下台階法、上下台階預留核心土法、三台階法初支最大壓應力分別為34.29 MPa、33.53 MPa、33.35 MPa, 說明開挖工法對餘震作用下初期支護受力影響不大，但超過了混凝土抗壓強度，說明在地震作用下，初期支護處於較不利的受力狀態，可能發生混凝土掉落。

圖16 不同開挖工法下初支應力分佈

4.2不同施工階段圍岩—支護動力響應特徵

4.2.1位移及加速度特徵分析

繪製不同施工階段隧道洞周位移差時程圖，如圖17所示。不同施工階段下隧道洞周位移差變化曲線相似，初期支護作用與初期二襯共同作用最大位移差分別為0.86 cm、0.61 cm, 二襯的施加使隧道位移差減少了17.44%,說明二襯的施做有利於減小隧道洞周因地震作用產生的位移差。

圖17 不同施工階段隧道位移差時程曲線

與開挖工法相同，提取圍岩不同位置X方向峰值加速度(圍岩測點見圖11),如表3所示。由表3可以看出，二襯施加對圍岩加速度響應幾乎沒有影響，說明隧道結構的施加對圍岩加速度響應沒有影響，這與前文得出的結論相同。

4.2.2初支應力分析

由前文可知，地震作用下，初期支護以受壓為主，主，初期支護壓應力在拱腳處取最大值，因此，繪製不同施工階段初期支護左拱腳最小主應力時程曲線，如圖18所示。從圖18中可以看出，施工不同階段初期支護壓應力變化規律類似，初期支護作用與初支二襯共同作用下初支左拱腳最大壓應力分別為33.53 MPa、28.12 MPa, 二次襯砌的施加使初期支護應力降低了16.13%,說明二襯有利於分攤初期支護的受力。

表3 圍岩X方向峰值加速度

m·s-2

測點	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9
初支作用	5.10	5.06	4.83	4.80	4.72	4.64	4.61	4.39	4.04
初支二襯共同作用	5.11	5.06	4.83	4.80	4.73	4.65	4.62	4.38	4.04

圖18 不同施工階段初支左拱腳最小主應力時程曲線

4.3襯砌結構內力響應分析

在隧道初支二襯共同作用工況下，提取隧道二襯內力峰值，並於隧道開挖至該斷面二襯內力結果比較，如圖19、圖20所示。由圖19、圖20可知，靜動力作用下隧道彎矩沿隧道軸線呈現對稱分佈，在左右拱腳處取得極值；軸力沿隧道45°方向對稱分佈，在左拱腳與右拱肩處取得極值。動力情況下彎矩最大值為278.09 kN·m, 軸力最大值為4 129.73 kN。動力作用下，隧道彎矩急劇增大，在拱肩處最明顯，動彎矩為靜彎矩的8.19～8.49倍，其餘部位增大量在0～2倍，動軸力增長值在1倍以內，容易產生較大的偏心距，失穩破壞。

圖19 二襯彎矩峰值

單位：kN·m

圖20 二襯軸力峰值

單位：kN

根據二襯內力值求得隧道地震過程中二襯各部分的安全係數，提取其最小值，如圖21所示。隧道安全係數在右拱肩與左拱腳處取得較小值，分別為2.83、2.80,均大於《公路隧道抗震設計規範》[16]中規定的安全係數，與靜力作用相比，安全係數最小值降低了16.91%,說明在此餘震作用下，隧道已施工的二襯結構較安全，但應在拱肩與拱腳處注重抗震設防。

圖21 隧道二襯安全係數

5 結語

本文依託藍家岩高地應力軟岩隧道，首先通過現場實測數據對隧道二襯內力及其安全性進行了分析，然後針對不同開挖工法：上下台階法、上下台階預留核心土法、三台階法，通過數值模擬的手段，研究隧道開挖工法對餘震作用下圍岩-支護動力響應的影響，得出以下結論。

(1)隧道二襯內力與其安全係數變化趨勢相似，前30 d隧道二襯內力極速增長，使得隧道二襯安全係數降低，30～60 d變化速率逐漸放緩，60 d後二襯內力與安全係數趨於穩定。

(2)餘震作用下，隧道整體位移差較小，位移差呈現三台階法>上下台階法>上下台階預留核心土法的趨勢。隧道結構加速度響應對地層加速度響應有明顯的追隨性，圍岩加速度響應主要受入射地震波與土體自身性質影響，與開挖工法與隧道結構的施做無關。

(3)地震造成岩體破壞以剪切破壞為主，且掌子面前方土體大量破壞，不同開挖工法塑性區面積呈現上下台階預留核心土法>三台階法>上下台階法的趨勢，但整體相差不大。地震作用下，初期支護承受較大的壓應力，可能發生混凝土掉落。

(4)初支二襯共同作用與初支單獨作用相比，隧道位移差減少了17.44%,初期支護最大壓應力降低了16.13%,說明二襯的施做有利於減小隧道洞周因地震作用產生的位移差，分攤初期支護的受力。

(5)餘震作用下，隧道彎矩急劇增大，在拱肩處最明顯，動彎矩為靜彎矩的8.19～8.49倍，其餘部位增大量在0～2倍，動軸力增長值在1倍以內，容易產生較大的偏心距，失穩破壞。與靜力作用相比，餘震作用使得安全係數最小值降低了16.91%,在右拱肩與左拱腳處取得較小值，需注重抗震設防。

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