0.   引言

在我国西部铁路建设的持续进程当中，围岩条件较差的的隧道工程不断出现^[1-3]，并且西部地区往往处于地震频发区，因此，为保证地震频发区软弱围岩隧道的震时稳定性和安全性，极需对受震害影响较大的软弱围岩隧道洞口段采用有效的抗震设防措施。

当前，国内外相干专家学者对强震区软弱围隧道洞口段的抗减震技术条件进行了一些研究，其中包括利用振动台模型试验对隧道洞口段地震动力特性进行研究^[4-5]；利用数值模拟软件对采用围岩注浆加固的强震区隧道洞口段抗震效果进行分析^[6]；利用振动台模型试验对隧道洞口段施设减震层的减震效果进行分析^[7]；利用积分有限元法和数值模拟研究隧道洞口段的合理抗震设防长度^[8]；依托实际工程对高烈度地震区隧道洞口段进行了刚柔并济抗减震措施模型试验研究^[9]；依托实际工程背景对强震区隧道洞口段的综合抗减震技术进行研究^[10-13]；综上所述，以上研究仅针对围岩注浆、减震层、减震缝等抗减震技术。对于强震区软弱围岩隧道洞口段桩-拱结构与桩-筏-拱结构抗震措施鲜有报道。本文以玉磨铁路新平隧道工程作为依托，利用FLAC^3D数值模拟软件，对强震区软弱围岩隧道洞口段桩-筏抗震措施效果进行研究。

1.   工程概况

1.1   地质条件

新平隧道是玉磨铁路的重点工程，位于石屏一建水断裂和扬武-青龙厂大断裂间，地面高程为1150～1782 m，相对高差约为632 m，隧道起讫里程D1K46+290～D1K60+780，全长14835 m最大埋深约为578 m。隧道地质条件复杂，管段内基本以软岩为主，不可预见风险多，灾害性地质类型多。不良地质包括断层破碎带、褶皱、瓦斯、岩溶、浅埋、软岩大变形等。不良地质段落几乎涵盖了整座隧道，隧道洞口段为Ⅴ级围岩。

1.2   隧道结构

此段隧道结构采用复合式衬砌，初期支护喷射C25混凝土，厚度为25 cm；二次衬砌采用C25模筑钢筋混凝土，厚度为50 cm。隧道断面为马蹄形，高度为11.7 m，跨度为14.2 m。

2.   计算情况

2.1   计算模型

依托新平隧道洞口D1K58+950～D1K59+000建立计算模型（图1），此段Ⅴ级围岩与Ⅳ围岩相交接。

图  1  计算模型

Figure  1.  Calculation model

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计算模型模拟地层的范围为横向两端取3～5倍洞径，约47 m，总宽度为110 m；隧道上方高度以实际覆土厚度为准，最小埋深为3 m，最大埋深35 m；隧道底部30 m（取3～5倍洞高），总高为93 m。计算模型的边界条件为上边界无约束，底部与四周边界全约束。

2.2   计算工况

模拟分析拱结构、桩-拱结构及桩-筏-拱结构三种计算工况（表1），加固措施如图2所示。

表  1  计算工况

Table  1.  Calculation conditions

工况类型	加固措施
无措施	无加固措施
措施一	桩-拱结构
措施二	桩-筏-拱结构

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图  2  加固措施

Figure  2.  Reinforcement measures

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2.3   计算参数

计算模型的计算参数如表2所示。

表  2  材料物理力学参数

Table  2.  Physical and mechanical parameters of the materials

材料属性	重度/（kN·m−3）	泊松比	弹性摸量/GPa	内摩擦角/（°）	黏聚力/MPa
Ⅴ级围岩	19	0.4	2.0	24	0.2
Ⅳ级围岩	21	0.3	5.0	36	0.5
Ⅱ级围岩	25	0.2	20	51	1.5
初支	23	0.2	20	—	—
二衬	24	0.2	27	—	—
加固圈	23	0.35	7	—	—
桩	25	0.2	28	—	—
筏板	25	0.2	28	—	—

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2.4   动力参数

选用自由场边界条件进行模拟、该模型阻尼采用局部阻尼进行计算，阻尼系数经模态分析计算为0.1571。以常规动力加载方式，从模型的底部同时将XYZ三个方向的地震波向上部结构传递。

地震波选取汶川地震卧龙测站加速度波，按9度地震烈度标准化，持续时间为15 s。滤波和基线校正后的加速度时程曲线如图3所示。

图  3  加速度时程曲线

Figure  3.  Acceleration time history curve

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2.5   测点布置

为了解震时隧道的动态信息，据以判断隧道结构的稳定状态及加固方案的合理性，在隧道进口处0，5，10，15 m设置四个监测断面，断面测点布置如图4所示。并取二衬结构的拱顶、拱肩、边墙、拱脚以及仰拱等8个测点进行监测，采集各测点位置的应力信息，测点布置如图5所示。

图  4  断面布置

Figure  4.  Arrangement of section

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图  5  测点布置

Figure  5.  Arrangement of measuring points

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3.   洞口段地震稳定性评价及加固范围

提取各监测点数值计算数据，由公式(1)～(4)计算无措施的二衬结构安全系数并提取各监测断面的二衬最小安全系数^[9]（图6）。

图  6  二衬结构断面最小安全系数图

Figure  6.  The minimum safety factor diagram of the second lining structure section

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二衬结构的轴力、弯矩值：

二衬结构安全系数：

式中：$ {\varepsilon }_{\text{内}}{\text{、}}{\varepsilon }_{\text{外}}$−结构内外侧应变；

$b$−截面宽度，取1 m；

$M$−弯矩/(N·m)；

$N$−轴力/N；

$E$−弹性模量/MPa；

$h$−截面厚度/m；

$\alpha $−轴向力偏心影响系数；

$\varphi $−构件纵向弯曲系数；

${R_{\rm{l}}}$−混凝土抗拉极限强度/MPa；

${R_{\rm{a}}}$−混凝土抗压极限强度/MPa；

$K$−安全系数。

文献[14]规定隧道结构抗震最小安全系数需大于2.4，为保证洞口段的安全性和稳定性将隧道洞口段0～25 m处施作加固措施，措施布置范围如图7所示。

图  7  加固措施范围

Figure  7.  Scope of reinforcement measures

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4.   桩-拱和桩-筏-拱抗震措施作用效果

4.1   结构位移分析

提取三种工况的隧道及围岩位移云图，竖向位移云图由图8，水平位移云图由图9所示。提取二衬各项位移最大值，并由式(5)计算措施一和措施二的抗震效果（表3）。

图  8  二衬结构竖向位移云图

Figure  8.  Cloud map of vertical displacement of second lining structure

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图  9  二衬结构横向位移云图

Figure  9.  Cloud map of lateral displacement of second lining structure

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表  3  二衬结构的最大位移及控制效果

Table  3.  Maximum displacement and control effect of second liner structure

位移	无措施/mm	措施一/mm	抗震效果/%	措施二/mm	抗震效果/%
竖向	11.84	11.68	1.35	11.71	1.09
横向	21.54	23.41	−8.69	23.62	−9.66

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最大位移抗震作用效果：

式中：D_后−采取加固措施后最大位移；

D_前−无措施时最大位移；

ρ_D−最大位移抗震作用效果。

由表3可知，由于地震波对桩产生了较大的横向位移，加固措施对二衬横向最大位移没有抗震效果；因为桩能较好的承担竖向荷载其中措施一的二衬竖向最大位移由11.84 mm降至11.68 mm，措施二的二衬竖向最大位移由11.84 mm降至11.71 mm。措施一和措施二的抗震效果分别为为1.35%和1.09%

4.2   边墙收敛分析

将三种工况下隧道不同监测断面的边墙收敛值绘制于图10。提取其中最大值并计算采用加固措施后（措施一、二）的抗震效果（表4）。

图  10  边墙收敛值

Figure  10.  Side wall convergence value

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表  4  最大边墙收敛及抗震效果

Table  4.  Maximum side convergence value and anti-seismic effect

工况	边墙收敛最大值/mm	抗震效果/%
无措施	49.66	—
措施一	49.88	−0.44
措施二	34.52	30.49

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由表4可知，无措施的边墙收敛最大值为49.66 mm；采用措施一的隧道结构的边墙收敛值为49.88 mm，略微增加，施设桩结构对边墙收敛没有抗震效果，会加大水平方向的地震波对二衬结构的影响；采用措施二后，二衬结构的边墙收敛值明显降低，措施二的的收敛值为34.52 mm，抗震效果为30.49%，筏板在水平方向上对隧道结构具有较好的约束作用，减小了水平方向的地震波对二衬结构的影响。从控制结构边墙收敛方面看，措施二的抗震效果略优于措施一。

4.3   内力分析

将三种工况下各监测断面各监测点的计算量测数据提取出后依据式(1)～(4)计算二衬结构的各项内力值（轴力、弯矩及安全系数^[11]），提取各监测断面的二衬最小安全系数及对应轴力、弯矩，由图11所示，并计算措施一和措施二的抗震效果（以无措施为对比）（表5）。

表  5  监测断面最小安全系数及抗震效果

Table  5.  Monitoring section minimum safety factor and anti-seismic effect

监测断面	无措施	措施一	抗震效果/%	措施二	抗震效果/%
1	0.978	0.992	1.43 (↑)	2.405	145.91 (↑)
2	1.043	1.113	6.71 (↑)	2.542	143.72 (↑)
3	2.116	2.921	38.04 (↑)	2.637	24.62 (↑)
4	2.194	4.64	111.49 (↑)	5.165	135.41 (↑)

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由图11及表5可知，措施一和措施二的二衬的各断面最小安全系数均大于无措施，在危险截面断面1和断面2处，措施二的最小安全系数明显大于其余两种工况。断面1处的安全系数提高了145.91%，断面2处的安全系数提高了143.72%。措施二的抗震效果优于措施一。

图  11  各监测断面内力

Figure  11.  Internal force at each monitoring section

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5.   结论

（1）由竖向位移分析可知，采用桩-拱结构与桩-筏-拱板结构，会增大隧道结构的水平位移，减小隧道的竖向位移。其中水平位移分别增大了8.69%、9.66%，竖向位移分别减小1.35%、1.09%。

（2）由边墙收敛变化可知，桩-拱结构边墙收敛几无变化（增大了0.44%）；桩-筏-拱结构能够有效减小边墙收敛，抗震效果为30.49%。

（3）分析危险截面1、2处结构最小安全系数后发现，利用桩-拱结构与桩-筏-拱结构能够增大结构安全系数。桩-拱结构的抗震效果较差，仅分别提高了1.43%和6.71%；桩-筏-拱结构的抗震效果显著，分别提高了145.91%和143.72%。

（4）综合位移及内力分析，在新平隧洞口段中，桩-筏-拱结构较桩-拱结构的抗震效果更好，为保证隧道洞口段的安全性和稳定性，建议隧道洞口段采用桩-筏-拱结构进行抗震加固。