白 哲，王海有，周海濤，鄭 超，張永存，薛 娜，肖 貝

(1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036； 2.平頂山市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 平頂山 467036；3.聊城大學 建筑工程學院，山東 聊城 252059)

我國地處環(huán)太平洋地震帶，地震活動頻繁、強烈，全國有超過一半的城市位于地震基本烈度Ⅶ度或Ⅶ度以上地區(qū)[1-3]。在1995年的日本阪神地震、2008年汶川地震和2013年雅安地震發(fā)生期間，大量地下結構發(fā)生破壞，顛覆了地下結構天然抗震性能良好的傳統(tǒng)觀念，同時也促進了各國學者對高烈度地震區(qū)隧道及地下結構抗減震技術問題的重新理解和認識，推動了隧道及地下結構抗減震理論的進一步發(fā)展[4-7]。

已有眾多學者對地下結構的抗減震措施進行研究，結果表明：設置減震層等措施能在一定程度上減輕結構的震害，并且隧道埋深越小，其受到的地震作用越強，引起的破壞程度越嚴重[8-10]。上述研究大多以單洞隧道為基礎，且主要分析地震對隧道襯砌結構應力的影響，而針對雙洞隧道，分析地震對隧道襯砌結構內力影響的研究較少?？紤]到我國大多數(shù)交通隧道是雙洞隧道，結構內力是影響隧道襯砌結構設計的直接因素，因此，有必要針對淺埋雙洞隧道，進一步分析減震層對隧道襯砌結構內力的動力影響規(guī)律，揭示雙洞隧道間的動力相互影響，為淺埋雙洞隧道襯砌結構的地震安全性評價提供依據(jù)。

本文以河北省涿鹿縣宋家莊隧道為依托，通過研究減震層對隧道襯砌結構內力、位移的影響及雙洞隧道的動力相互作用，分析減震層的減震作用，為淺埋雙洞隧道的抗震設防提供參考。

1 工程背景

宋家莊隧道位于河北省涿鹿縣宋家莊村附近，隸屬于張(張家口)涿(涿州)高速公路，呈南北走向展布。隧道進出口靠近省道寶平線，可通汽車，交通較為方便。宋家莊隧道為單向兩車道雙洞隧道，隧道左幅長269 m，右幅長288 m，雙洞間的平均凈距約15 m，屬淺埋小凈距短隧道。宋家莊隧道的外開挖寬度為14.6 m，高度為10.8 m，平均埋深約29 m，采用六心圓曲墻拱形斷面。

隧道區(qū)位于太行山地區(qū)，隧道區(qū)地勢起伏屬重山區(qū)，地形較復雜，洞口處為巖石地貌，洞口坡度較陡，總體走向呈北東20°～40°。根據(jù)工程地質測繪及鉆探揭露，隧道區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)松散堆積土體和燕山期巖體(γ53)。在揭示范圍內地層巖性為：第四系地層為全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，隧道區(qū)內部分地段分布薄層角礫土；燕山期地層(γ53)巖性為粗粒二長花崗巖，伏于第四系沖洪積層之下。

隧道區(qū)位于華北地震區(qū)，太行山前屬華北平原地震帶，根據(jù)河北省工程地震勘察院所提交的《張家口至涿州公路張家口段工程場地地震安全性評價報告》，隧道區(qū)的地震動峰值加速度值為0.2 g，對應于地震基本烈度Ⅷ度，該區(qū)域的地震活躍性較強。

2 動力計算模型及計算條件

2.1 模型范圍及材料參數(shù)

宋家莊隧道的外開挖寬度B為14.6 m，平均埋深約為隧道寬度的2倍，即2B，雙洞間的平均凈距約等于隧道寬度，即1B。根據(jù)該隧道建筑界限、地形及地質條件，并考慮到動力計算的邊界效應問題，計算模型寬度沿兩隧道中線各向外取3B，合計8B；計算模型高度取隧道仰拱以下40 m，拱頂以上取2B；計算模型縱向長度取50 m。建立實際工況模型，記為工況1，如圖1所示。工況1共有24 860個單元，27 027個節(jié)點。

圖1 實際工況模型

在隧道二次襯砌和初期支護之間加設一層橡膠基高分子復合材料作為減震層，厚10 cm，建立設置減震層的隧道模型，記為工況2。為考察雙洞隧道的相互影響，工況2又分為7種，分別記為工況2-1～工況2-7，對應的隧道凈距分別為0.5B、B、2B、3B、4B、5B、6B。

各計算模型中，圍巖采用實體單元模擬，并采用Mohr-Coulomb屈服準則和彈塑性增量本構關系；二次襯砌為C20混凝土，厚度50 cm，采用shell結構單元模擬。地層、二次襯砌及減震層的計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料計算參數(shù)表

2.2 地震波加載

在地下結構地震動力時程分析中所采用的地震波主要有三種：擬建場地的實際地震記錄、有代表性的過去強震記錄和人工合成地震波。本文的動力分析采用汶川地震波，考慮到計算時間的縮短，取前 10 s 進行計算。隧道所在區(qū)域的地震動峰值加速度值為0.2 g，相對應的地震基本烈度為Ⅷ度，因此將汶川波的加速度峰值進行調整，使實際輸入的地震波加速度峰值為2.0 m/s2，其加速度時程曲線如圖2所示。

圖2 汶川波加速度時程曲線

2.3 阻尼及邊界條件

FLAC3D在動力計算時，提供了3種阻尼形式，分別是瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。由于瑞利阻尼的理論與常規(guī)動力分析方法類似，本文選用瑞利阻尼進行動力學分析，其臨界阻尼比取5%。在動力分析時，邊界上會存在波的反射，對動力分析結果產生影響。為減小邊界反射影響，在模型四周施加自由場邊界，如圖3所示。

圖3 實際工況模型的自由場邊界

3 數(shù)值試驗結果與分析

地震動力響應數(shù)值模擬分析過程分為三個步驟：第一步為設定自然地質條件下的初始應力場計算；第二步為全斷面一次隧道開挖襯砌之后的靜力平衡；第三步為施加動力荷載后的地震動力響應分析。

3.1 減震層對豎向位移的影響

對工況1與工況2-2模型進行數(shù)值模擬，記錄地震作用下襯砌結構拱頂?shù)呢Q向位移，得到無減震層與設置減震層兩種情況下的拱頂豎向位移時程曲線，如圖4所示。

圖4 拱頂豎向位移的時程曲線

由圖4可知：拱頂?shù)某跏钾Q向位移約為-5.2 mm，負號表示初始位移是豎直向下的；無減震層時，最大正位移為20.8 mm，最大負位移為-45.6 mm，即拱頂位移在-45.6～20.8 mm范圍內上下波動，其位移的振幅較大，達66.4 mm；設置減震層后，拱頂?shù)淖畲笳灰茷?9.8 mm，拱頂?shù)淖畲筘撐灰茷?45.7 mm，即拱頂位移在-45.7～19.8 mm范圍內上下波動，其位移振幅達65.5 mm；地震作用結束后，拱頂最終產生的豎向位移約為-16 mm，比初始位移增大了10.8 mm，表明在地震作用下襯砌結構會產生較大位移，可能會影響隧道的正常使 用；設置減震層后拱頂豎向最大正位移減小 1mm，約5%，拱頂豎向最大負位移基本不 變，表明設置減震層對隧道襯砌結構的峰值 位移有一定影響，但影響程度較小，這是因為 雖然減震層的彈性模量較低，但其厚度較薄， 僅為10cm，所以對位移的影響非常有限；兩 種工況下，拱頂位移時程曲線的形狀基本一 致，表明設置減震層并不會顯著改變襯砌結 構的頻譜特性。

3.2 減震層對二次襯砌結構內力的影響

對工況1與工況2-2模型進行數(shù)值模擬，記錄地震作用下襯砌結構的峰值內力，得到無減震層與設置減震層兩種情況下的襯砌結構峰值內力，如表2所示。

表2 襯砌結構的峰值內力

由表2可以看出：設置減震層后，正、負彎矩分別減小16%、10%；峰值軸力減小8%；正、負剪力均減小22%；峰值剪力減小幅度最大，為22%，峰值軸力減小幅度最小，為8%；設置減震層后，襯砌結構的峰值內力均有不同程度的減小。

綜上所述，設置減震層對襯砌結構的位移影響較小，而使襯砌結構峰值內力有相當程度的減小，因此，通過設置減震層來減小襯砌結構受力從而提高隧道抗震性能的手段是較為有效的。

3.3 雙洞相互影響

對工況2的7種模型進行數(shù)值模擬，監(jiān)測其橫向峰值內力，結果見表3；繪制內力絕對值與隧道凈距之間的關系曲線，如圖5所示。

表3 襯砌結構的峰值內力(工況2)

由表3及圖5可知：隧道凈距從0.5B逐步增大到6B，峰值內力分別降低12%、6%、5%、10%、11%，表明隨著隧道凈距的增大，襯砌結構的橫向峰值內力呈逐漸減小的趨勢；當隧道凈距超過5B后，峰值內力逐步趨于一個穩(wěn)定值，并接近于單洞時的地震響應；凈距對剪力的影響程度明顯高于對軸力的影響；隧道凈距較小時，兩隧道襯砌結構遠端的拱腳部位所受內力較大，是設計時需重點加強的部位；地震波在兩個隧道之間反復相互作用，引起兩洞室之間產生明顯的相互作用，并且隧道間距越小，其相互作用越強烈。

圖5 內力絕對值與隧道凈距的關系

4 結論

以河北省涿鹿縣宋家莊隧道為依托，通過研究減震層對隧道襯砌結構內力、位移的影響及雙洞隧道的相互作用，得到以下結論：

(1) 設置減震層并不會顯著改變襯砌結構的頻譜特性，但可以減小傳遞至隧道襯砌結構的地震能量，從而使襯砌結構的峰值內力與峰值位移有所減小，但減震層對峰值內力的減小幅度大于對峰值位移的減小幅度。

(2) 隧道凈距越小，其襯砌結構的地震響應就越強烈，表明雙洞隧道之間存在明顯的相互作用；隨著隧道凈距的增大，襯砌結構峰值內力逐漸減小，并逐漸接近單洞時的地震響應。

(3) 雙洞隧道襯砌結構遠端的拱腳部位所受內力較大，在設計時需重點加強，通過設置減震層來減小襯砌結構受力從而提高隧道抗震性能的手段是較為有效的，所得結論可為今后高烈度地震區(qū)淺埋雙洞隧道的抗震設防提供一定參考。