李文倩， 王 飛， 王乾偉， 朱曉斌， 王 振， 佟大威

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072)

大型地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究

李文倩， 王 飛， 王乾偉， 朱曉斌， 王 振， 佟大威

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072)

開(kāi)展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有非常重要的意義。然而針對(duì)目前地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究十分匱乏的情況。文章基于地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)并結(jié)合地下洞室群空間分布特征及行業(yè)特點(diǎn)，分析了襯砌支護(hù)措施對(duì)于地下洞室群結(jié)構(gòu)的抗震效果影響，闡述了不同襯砌厚度條件下的洞室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律；采用Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑當(dāng)量長(zhǎng)度法，提出了地下洞室檢修人員處于最不利位置時(shí)的應(yīng)急疏散路徑；針對(duì)非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫、破碎巖體脫落及洞室坍塌性破壞等不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度，深入研究了不同的修復(fù)措施與方案。

地下洞室； 地震； Dijkstra法； 應(yīng)急疏散路徑； 防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策

我國(guó)水電工程中地下洞室群的應(yīng)用及分布范圍廣泛，突發(fā)地震對(duì)于地下洞室群易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，開(kāi)展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究具有必要性和緊迫性。國(guó)內(nèi)外針對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急管理對(duì)策研究具有較好的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)，在水利水電工程領(lǐng)域中，高建國(guó)[1]總結(jié)了水庫(kù)險(xiǎn)情主要案例并提出了水庫(kù)險(xiǎn)情的基本防治對(duì)策。王華[2]對(duì)震損水庫(kù)的應(yīng)急搶險(xiǎn)和恢復(fù)重建提出了具體指導(dǎo)意見(jiàn)和措施。黃凌[3]進(jìn)行了公明水庫(kù)潰壩的數(shù)值模擬與應(yīng)急對(duì)策研究。

在道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究中，如Celine Thevenaz[4]研究了在交通系統(tǒng)大面積受損情況下，如何在應(yīng)急時(shí)限內(nèi)合理安排道路的搶修時(shí)序。吳青[5]研究了地震災(zāi)害下應(yīng)急物資車(chē)輛的決策調(diào)度方法。針對(duì)城市及農(nóng)村領(lǐng)域研究較多，如Izadkhah Y O[6]、Hosseini M[7]、呂景勝[8]等人分別從地震應(yīng)急決策及應(yīng)急救援等方面進(jìn)行了研究。而在其他領(lǐng)域研究中，如Milton Steinman[9]研究了海地地震發(fā)生后整個(gè)太子港地區(qū)的應(yīng)急救援協(xié)調(diào)機(jī)制。Ishii T[10]重點(diǎn)分析了2011年3月日本地震時(shí)石卷市醫(yī)療體系的應(yīng)急響應(yīng)流程、避難所的應(yīng)急評(píng)估等研究?jī)?nèi)容。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外在道路交通、城市等領(lǐng)域的地震災(zāi)害預(yù)防、地震應(yīng)急管理和震后修復(fù)重建等領(lǐng)域取得了眾多的研究成果，為我國(guó)抗震研究及地震應(yīng)急響應(yīng)指揮提供了重要基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支持，然而缺乏水利水電工程領(lǐng)域的地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究，尤其匱乏關(guān)于地下洞室群的地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究，而地下洞室群相較于水庫(kù)具有復(fù)雜的地層、斷層、軟弱夾層及大量節(jié)理裂隙等構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)體，開(kāi)展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

一、 地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究框架

從地震應(yīng)急決策管理與災(zāi)后救援的角度出發(fā)，以大型地下洞室群地震災(zāi)害為研究對(duì)象，研究并分析了震前地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果、地下洞室群震中應(yīng)急疏散路徑及地下洞室的震后修復(fù)措施，地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策研究框架(見(jiàn)圖1)，研究成果可為大型地下洞室群地震災(zāi)害應(yīng)急與對(duì)策管理提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

二、 地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果分析

1. 動(dòng)力響應(yīng)模擬

采用Hilber- Hughes-Tayor算法對(duì)非線性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力數(shù)值求解。在t,t+Δt時(shí)刻，動(dòng)力學(xué)平衡方程為

(1)

(2)

為使結(jié)構(gòu)體系在t,t+Δt時(shí)刻的達(dá)朗伯力[M]{ü}t與t,t+Δt時(shí)刻靜力的加權(quán)平均值保持平衡，修正t+Δt時(shí)刻動(dòng)力學(xué)方程獲得新的動(dòng)力平衡方程為

(3)

采用Newmark法的位移和速度向量形式將動(dòng)力學(xué)平衡方程中對(duì)應(yīng)t+Δt時(shí)刻的位移和速度向量重寫(xiě)，即

(4)

(5)

將式(4)與式(5)代入新的動(dòng)力學(xué)平衡方程中，其中權(quán)重因子β、γ可表征為權(quán)重因子α的函數(shù)形式

(6)

2. 工程概況

以位于我國(guó)西南地區(qū)瀾滄江下游的某工程為研究對(duì)象，探討主變室在不同襯砌厚度條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律，研究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25時(shí)，襯砌厚度為30～70 cm范圍內(nèi)的抗震效果分析。模型的本構(gòu)采用理想彈塑性模型，以Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則，采用Rayleigh阻尼，根據(jù)實(shí)際工程情況建立整體計(jì)算模型(見(jiàn)圖2)，模型尺寸為837 m×446 m×(299～551)m，展示了30 cm、50 cm及70 cm襯砌厚度的有限元網(wǎng)格圖(見(jiàn)圖3)，基于花崗巖的物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算輸入的地震波采用唐山余震天津醫(yī)院地震波，基巖處施加的地震加速度時(shí)程曲線參考文獻(xiàn)[11]。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3. 襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果分析

基于數(shù)值模擬結(jié)果，分別給出了30 cm襯砌條件下某洞室特征點(diǎn)處的豎向位移時(shí)程曲線(見(jiàn)圖4)，并給出在不同襯砌厚度工況下該點(diǎn)的豎向位移、水平加速度、拉應(yīng)力與壓應(yīng)力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的均方根值(見(jiàn)表2)。

表2 不同襯砌條件下研究節(jié)點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果匯總

由表2知，不同厚度襯砌條件下洞室特征點(diǎn)的豎向位移、加速度、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)相比于無(wú)襯砌條件下均有明顯減小，說(shuō)明襯砌支護(hù)措施對(duì)于地下洞室群減震抗震有著顯著的效果。在采取襯砌減震措施后，隨著襯砌厚度的增加，洞室結(jié)構(gòu)各動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果整體上呈現(xiàn)明顯的減弱趨勢(shì)。因此，地下洞室采取適當(dāng)厚度的襯砌支護(hù)可以起到較好的減震防震作用，以保證洞室安全穩(wěn)定運(yùn)行并保障工作人員人身安全。

4. 不同地震烈度下襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究

進(jìn)一步進(jìn)行了該工程地下洞室在不同地震等級(jí)條件下的數(shù)值模擬研究，研究工況分別為無(wú)襯砌、30 cm厚度襯砌、40 cm厚度襯砌、50 cm厚度襯砌、60 cm厚度襯砌、70 cm厚度襯砌等，開(kāi)展了其在唐山余震天津醫(yī)院地震波、六級(jí)～九級(jí)地震等五種地震烈度條件下的結(jié)構(gòu)破損情況分析?；跀?shù)值模擬結(jié)果，獲取了另一地下洞室洞頂特征點(diǎn)處的豎向位移響應(yīng)的均方根值(見(jiàn)表3)，并以30 cm厚襯砌的響應(yīng)結(jié)果為例進(jìn)行分析(見(jiàn)圖5)。

表3 不同地震烈度條件下的豎向位移響應(yīng)結(jié)果

由此可知，地下洞室群在無(wú)支護(hù)與不同厚度襯砌條件下，洞室該特征點(diǎn)處的加速度與豎向位移響應(yīng)隨著地震烈度的增加而逐漸增大，說(shuō)明地震烈度對(duì)于地下洞室群結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性具有主要影響。襯砌厚度對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響整體上呈現(xiàn)隨厚度增加逐漸減小的趨勢(shì)，相對(duì)于地震烈度而言作用較弱。

三、 地下洞室地震應(yīng)急疏散路徑

提出了基于數(shù)值模擬結(jié)果的地下洞室地震應(yīng)急疏散路徑分析，研究了地震作用下包含交通洞、母線洞等的地下洞室群的安全穩(wěn)定性分析，采用Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑當(dāng)量長(zhǎng)度法，進(jìn)行了地下洞室群地震應(yīng)急疏散路徑分析。

1. 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在計(jì)算條件允許的范圍內(nèi)，建立了包含交通洞、母線洞等的地下洞室群有限元分析模型，模型尺寸為1186 m×1022 m×(450～739)m(見(jiàn)圖6)。地下洞室群在經(jīng)過(guò)初始地應(yīng)力、洞室開(kāi)挖及地震作用3個(gè)階段后，基于數(shù)值模擬結(jié)果可知最大豎向沉降約為5.02 cm，最大拉應(yīng)力為1.06 MPa，且未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，由此可知地下洞室及各疏散路徑均處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 . 應(yīng)急疏散路徑的求解方法

(一) Dijkstra方法

Dijkstra法基本思想是得到初始點(diǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑，再搜索到研究節(jié)點(diǎn)的最短路徑。V1～Vt為道路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)，A～I(xiàn)為節(jié)點(diǎn)間路權(quán)(見(jiàn)圖7)。

(二) 最短路徑求解方法

假設(shè)G=是一個(gè)非空的簡(jiǎn)單有限圖，A為結(jié)點(diǎn)集，E為邊集。對(duì)于任何e=(ai,aj)∈E，P(e)=aij為(ai，aj) 的權(quán)值。W是G中的兩點(diǎn)間的一條有向路徑，定義W的權(quán)值P(W)=∑w(e)，則G中兩點(diǎn)間權(quán)最小的有向路徑就成為這兩點(diǎn)間的最佳路徑。最短路徑數(shù)學(xué)模型為

(7)

式中xij為(ai,aj)在有限路徑中所出現(xiàn)的次數(shù)。因此，求解最短路徑的問(wèn)題實(shí)際上就轉(zhuǎn)變成求解上述數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解問(wèn)題。

(三) 疏散路徑當(dāng)量長(zhǎng)度的計(jì)算

設(shè)受災(zāi)人員所在地點(diǎn)到目的地的疏散路徑用P表示，且包含n條路徑，疏散路徑中的第k條路徑用Ek表示，Ek∈E，則該路徑下P可描述為P={E1,E2,…,Ek,…,En}。且該條疏散路徑的當(dāng)量長(zhǎng)度為

(8)

對(duì)于地下洞室群第i條疏散路徑，其當(dāng)量長(zhǎng)度可通過(guò)公式(9)計(jì)算

L(Ek)=ωD(Ek)

(9)

式中：L(Ek)為第k條疏散路徑的當(dāng)量長(zhǎng)度；ω為由坡度決定的疏散路徑通行難易系數(shù)；D(Ek)為第k條疏散路徑的實(shí)際長(zhǎng)度。

3. 應(yīng)急疏散路徑的選取與分析

基于上述應(yīng)急疏散路徑求解方法，并結(jié)合某水利水電工程地下洞室群的自身特點(diǎn)，繪制其地震災(zāi)害下的應(yīng)急疏散路徑(見(jiàn)圖8)。

針對(duì)地下洞室群處于檢修期且檢修人員處于最不利位置(主廠房的水輪機(jī)層)的情況，進(jìn)行地震災(zāi)害應(yīng)急疏散路徑的研究，并列舉出可選取的應(yīng)急疏散路徑及其相應(yīng)的當(dāng)量長(zhǎng)度(見(jiàn)圖9)，其中不考慮出線井。

基于Dijkstra方法求解最短路徑，可知最短疏散路徑應(yīng)為“水輪機(jī)層-電氣夾層-發(fā)電機(jī)層-主廠房洞口-廠房運(yùn)輸洞出口”。依據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，可知水電工程場(chǎng)內(nèi)不同路段上的設(shè)計(jì)車(chē)速與交通道路路面寬度、車(chē)道數(shù)量及車(chē)寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可知廠房運(yùn)輸洞的車(chē)輛行駛速度為25 Km/h，尾閘運(yùn)輸洞的車(chē)輛行駛速度為20 Km/h。張艷娟[12]基于元胞自動(dòng)機(jī)疏散模型研究表明，在地震情況下當(dāng)疏散人員的前方無(wú)人員或人員較少時(shí)，疏散人員會(huì)出現(xiàn)奔跑的現(xiàn)象，其疏散速度會(huì)接近2 m/s。對(duì)于主廠房水輪機(jī)層的工作人員進(jìn)行地震疏散時(shí)，以時(shí)間最短為原則，最短路徑仍為“水輪機(jī)層-電氣夾層-發(fā)電機(jī)層-主廠房洞口-廠房運(yùn)輸洞出口”，用時(shí)約為7.1 min。

為考慮最不利情況下地下洞室群的疏散路徑的安全情況，研究了超強(qiáng)地震[13]作用下的地下洞室群及疏散路徑的安全穩(wěn)定性分析?；跀?shù)值模擬結(jié)果可知電氣夾層與變壓器層相連通的母線洞存在塑性貫通的現(xiàn)象，在地震突發(fā)時(shí)，建議地下洞室群內(nèi)的管理及檢修人員在選擇疏散路徑時(shí)，盡量避開(kāi)2～7號(hào)母線洞，以在疏散過(guò)程中確保路徑安全。

四、 地下洞室群震后修復(fù)措施

地下洞室群在震后主要需要修復(fù)的結(jié)構(gòu)對(duì)象為圍巖上產(chǎn)生的非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫以及破碎巖體脫落與洞室坍塌性破壞，針對(duì)不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度需要采取不同的措施與方案對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

(1) 非貫穿性裂縫修復(fù)措施。非貫穿性裂縫包括細(xì)淺裂縫、發(fā)絲裂縫、不漏水縫、不伸縮裂縫及不再活動(dòng)裂縫等，這些裂縫的特點(diǎn)是開(kāi)度小而密度大，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和洞室的整體穩(wěn)定性影響較小，通常只需采用表面處理法、填充法或注射修補(bǔ)膠法進(jìn)行表面處理即可。常用的有表面涂抹水泥砂漿、表面涂抹環(huán)氧膠泥以及表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料等，在防護(hù)的同時(shí)也可采取在裂縫的表面粘貼玻璃纖維和碳纖維布等措施，以防止混凝土繼續(xù)開(kāi)裂。

(2) 貫穿性裂縫修復(fù)措施。對(duì)于開(kāi)度較大的貫穿性裂縫，其對(duì)地下洞室的整體性、承載能力及洞室穩(wěn)定有極其重要的作用，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)加固法的工程措施或在裂縫延伸范圍內(nèi)采取掛網(wǎng)噴漿的方法(即設(shè)置錨桿及鋼筋網(wǎng)并對(duì)裂縫進(jìn)行壓力注漿)進(jìn)行加固。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，針對(duì)嚴(yán)重?fù)p壞的混凝土結(jié)構(gòu)或無(wú)法直接修復(fù)的裂縫可采用混凝土置換法對(duì)其進(jìn)行處理，方法步驟為：先將無(wú)法修復(fù)的損壞混凝土全部去除，然后再在原來(lái)?yè)p壞位置上置換入新的混凝土材料，包括普通混凝土、水泥砂漿、聚合物或聚合物混凝土等以修復(fù)或增強(qiáng)破壞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

(3) 破碎巖體脫落與坍塌性破壞修復(fù)措施。對(duì)于破碎巖體，可在掛網(wǎng)噴漿的方法基礎(chǔ)上在圍巖上鉆孔灌漿以達(dá)到加固圍巖巖體的目的，確保巖體不再發(fā)生脫落。而對(duì)于坍塌性破壞部位，可以首先在地下洞室破壞的附近區(qū)域未塌方的洞壁上，實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)噴漿加固，以防止巖體坍塌性破壞范圍的擴(kuò)大，進(jìn)而清除洞內(nèi)塌方段，并重新采用鋼筋混凝土對(duì)塌方補(bǔ)位進(jìn)行襯砌防護(hù)。

五、 結(jié) 論

(1) 研究了襯砌支護(hù)措施對(duì)于地下洞室群結(jié)構(gòu)的抗震效果影響，針對(duì)不同襯砌厚度條件下洞室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律進(jìn)行分析，基于地下洞室結(jié)構(gòu)特征節(jié)點(diǎn)處的豎向位移、水平X向加速度、拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分別研究襯砌結(jié)構(gòu)的抗震效果，同時(shí)開(kāi)展了不同地震烈度條件下襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。

(2) 提出了基于地下洞室群的安全穩(wěn)定性分析結(jié)果的地下洞室應(yīng)急疏散路徑分析，首先對(duì)包含交通洞、母線洞等疏散路徑的地下洞室群進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，研究了地下洞室疏散路徑的安全可靠度，進(jìn)而基于Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑的當(dāng)量長(zhǎng)度，以地下洞室檢修人員處于最不利位置時(shí)為例進(jìn)行地震災(zāi)害應(yīng)急疏散路徑的研究，并考慮到部分阻塞情況的存在。

(3) 充分考慮地震作用下地下洞室群的破壞特點(diǎn)，分別針對(duì)非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫、破碎巖體脫落及洞室坍塌性破壞等不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度，深入研究了不同的修復(fù)方案，開(kāi)展地下洞室群震后修復(fù)措施研究。

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Studies on the Seismic Countermeasures for Disaster Prevention and Mitigation of Underground Cavern

Li Wenqian， Wang Fei， Wang Qianwei， Zhu Xiaobin， Wang Zhen， Tong Dawei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China)

It is very important to carry out the analysis and research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reduction in underground cavern group. However, the research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reductfon for underground cavern group is very scarce. Based on the risk of the seismic disaster, the spatial distribution and the industry characteristics of underground cavern group. the influence of lining support measures on the seismic effect of underground cavern group structure was analyzed, and the dynamic response of the structure under different lining thickness was described. This paper proposes emergency evacuation path for the maintenance personnel in the most unfavorable place by Dijkstra method, the shortest path method and evacuation path equivalent length method. According to the different seismic damage structure and damage degree of the non-penetrating crack, the penetrating crack, the broken rock mass and the collapse of the cavern, different restoration measures and schemes were studied in depth.

underground cavern group；seismic；Dijkstra method；emergency evacuation path；countermeasures for disaster prevention and reduction

2016-06-30.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2016YFC0401806)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679165)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51439005).

李文倩(1986— )，女，博士研究生.

佟大威， tongdw@tju.edu.cn.

C93-03

A

1008-4339(2017)01-012-06