周捷 李洪彬 张鑫 李红鹏 唐浪洲 李泽星

四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司 四川公路桥梁建设集团有限公司公路隧道分公司 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室

摘 要： 为研究连拱隧道超薄直中墙地震响应，依托宁巧隧道工程，针对其超薄直中墙，研究了不同地震烈度、不同超薄直中墙宽高比下其结构动力响应。研究结果表明：中墙厚度越大、地震烈度越高，中墙轴力和弯矩峰值越大，中墙安全系数越低；中墙底部为抗震最不利部位；不同宽高比，不同直中墙位置轴力增长率几乎只与地震烈度有关，在地震烈度为Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度时，其轴力增长率平均值分别为3.07%、5.02%、7.07%和9.09%;地震下直中墙水平变形与宽高比呈负相关，与地震烈度正相关。

关键词： 连拱隧道;超薄直中墙;地震响应;宽高比;

基金： Ⅸ度地震区V型纵坡分岔特长公路隧道建设关键技术研究项目，项目编号2021-ZL-09;

我国西南山区地质条件情况复杂，因此西南山区修建了大量连拱隧道。然而西南山区分布着大量的地震带，导致一些连拱隧道会建设在高烈度地震区[1]。这些连拱隧道在地震发生时极易发生破坏[2]。因此应重视高烈度地震区连拱隧道的抗震问题[1]。

已有学者对高烈度地震区连拱隧道地震响应展开了研究[3]。杨慧等[4]通过浅埋偏压连拱隧道振动台模型试验，研究了浅埋偏压连拱隧道地震响应规律。黄宇[5]通过有限差分研究了特殊条件下的浅埋连拱隧道的地震动力响应规律。余涛涛[6]通过有限元研究了偏压连拱隧道的动力响应和减震缝减震措施。凌燕婷等[3]通过数值分析研究了埋深对双连拱公路隧道的地震动力响应。江学良等[7]对连拱隧道软弱围岩边坡展开了模型试验，研究了连拱隧道边坡地震响应。焦长洲等[8]通过FLAC 3D软件，对地震下桩基础及隧道工程的动力响应进行了研究。张继琪等[9]结合数值模拟和模型试验，探究了连拱隧道边坡地震响应。杨小礼等[10]对浅埋大跨度连拱隧道进行了有限元分析。

虽然很多学者对连拱隧道的中隔墙在地震作用时的动力响应做了相关研究，但均未对当中隔墙为超薄直中墙时的连拱隧道薄直中墙展开进一步的研究。由于路线选型等因素限制，导致直中墙做得较薄，而且高度又较高，即宽高比很小的情况。因此对整体式连拱隧道超薄直中墙展开动力响应研究有着十分重要的现实意义。

本文依托四川沿江高速宁巧隧道支线工程，通过有限差分数值模拟手段，针对薄直中墙宽高比和地震烈度这两个变化因素，探究连拱隧道薄直中墙不同宽高比在不同地震烈度下的动力响应规律。

1 工程概况

宁巧隧道隧址区位于四川省宁南县骑骡沟-大同镇，隧道起止里程为LK1+631～LK10+710,左线长9 069.37 m。宁巧隧道巧家端为V级围岩，地震动峰值加速度为0.30 g, 场地基本地震烈度Ⅷ度，地震动加速度反应谱特征周期为0.40 s, 设防烈度Ⅸ度。隧道洞口与桥梁起点相距0.25 m。受宁南金沙江特大桥影响，出口段左右线间距最大为2.65 m, 采用整体式直中墙连拱隧道，全长202 m, 其中薄直中墙段长125 m, 高度为7.4 m, 厚度为1.4 m。隧道出口段与宁南金沙江特大桥隧道锚平面搭接长度为116 m, 两者竖向净距仅16.6 m, 如图1所示。

洞口直中墙段开挖高度10.37 m, 宽度23.40 m。初支为C25混凝土，厚度26 cm。二次衬砌和超薄直中墙均采用C35钢筋混凝土施做，其中二次衬砌厚度为60 cm, 超薄直中墙厚度和高度分别为1.4 m和7.4 m, 如图2所示。

图1 宁巧隧道出口段三维位置关系示意 *载下**原图

单位：m

图2 整体式直中墙连拱隧道 *载下**原图

单位：cm

2 计算模型的建立

2.1计算模型

如图3所示，依据宁巧隧道出口段LK10+633处的地质横剖面建立三维数值计算模型，在 XZ 平面上的尺寸为212 m×115.8 m, 模型纵向(即 Y 方向)厚度取9 m, 其中隧道埋深取出口段V级围岩中隧道左右线最大埋深73 m。计算模型均采用实体单元，其中岩土体采用Mohr-Coulomb本构，其余实体均采用弹性本构。整体式薄直中墙连拱隧道结构网格单元如图4所示，其中初期支护厚度为26 cm, 二次衬砌厚度为60 cm。

图3 计算模型整体示意 *载下**原图

单位：m

图4 整体式薄直中墙连拱隧道结构网格 *载下**原图

2.2计算参数

2.2.1岩土及结构物理力学参数

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[12],本次计算材料力学参数见表1。

表1 岩土及结构物理力学参数 导出到EXCEL

2.2.2地震波选取及边界条件

本文计算所选取的地震波见图5所示，并将地震波转化为应力形式从模型最底部输入垂直于隧道轴向的剪切波，其中：力学阻尼选用局部阻尼进行计算，根据工程经验临界阻尼比取5%,模型底面和侧边界分别设置为黏弹性和自由边界[11]。

图5 0.3 gⅧ度地震加速度波 *载下**原图

2.3监测点布置

连拱隧道薄直中墙为抗震的重要结构，沿中墙从上向下布置3个测位，各测点位置如图6所示。

图6 中墙测点布置示意 *载下**原图

2.4计算工况

本次模拟过程主要分为两步：首先模拟连拱隧道结构受地层静力的作用，再分别输入Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度地震波对模型进行地震动力计算，以模拟地震对隧道结构的作用。模拟过程见表2。

表2 数值模拟过程 导出到EXCEL

通过对不同厚度的直中墙连拱隧道模型输入强度为Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度地震波进行动力计算，动力计算工况共12种，如表3所示。

表3 动力计算工况设置 导出到EXCEL

3 计算结果分析

3.1轴力峰值分析

在地震烈度为Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度时，不同厚度的连拱隧道直中墙在地震作用下的轴力峰值如图7所示。

图7 连拱隧道不同厚度直中墙在不同地震 烈度下的轴力峰值 *载下**原图

(1)从不同直中墙位置来看，总体上直中墙动力响应中的轴力峰值随着从中墙顶部到中墙底部越来越大，中墙底部最大，中墙中部次之，中墙顶部最小。

(2)从不同中墙厚度即宽高比的角度来看，随着直中墙厚度变大即宽高比的增大，直中墙动力响应中的轴力峰值不断增大。在直中墙厚1.6 m时直中墙轴力峰值最大，直中墙厚1.4 m次之，直中墙厚1.2 m最小。

(3)从不同地震烈度的角度来看，随着地震烈度从Ⅶ度到Ⅹ度，直中墙地震响应轴力峰值逐渐增加，即直中墙轴力峰值在不同地震烈度时的大小为Ⅹ度>Ⅸ度>Ⅷ度>Ⅶ度。

3.2弯矩峰值分析

在地震烈度为Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度时，不同厚度的连拱隧道直中墙在地震作用下的弯矩峰值如图8所示。

(1)弯矩峰值在中部远远小于顶部和底部。整体来看，即直中墙底部弯矩峰值最大、中墙顶部次之、中墙中部最小。

(2)从不同中墙厚度即宽高比的角度来看，随着直中墙厚度变大即宽高比的增大，直中墙动力响应中的弯矩峰值不断增大。在直中墙宽高比0.22时直中墙弯矩峰值最大、宽高比0.19次之、宽高比0.16最小。

(3)从不同地震烈度的角度来看，随着地震烈度从Ⅶ度到Ⅹ度，直中墙地震响应弯矩峰值逐渐增加，即直中墙弯矩峰值在不同地震烈度时的大小为Ⅹ度>Ⅸ度>Ⅷ度>Ⅶ度。且地震烈度越高不同宽高比弯矩峰值之间的差距也增大。

3.3最小安全系数分析

安全系数依据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[12]附录N规定进行计算。在地震载荷作用时，连拱隧道除了受地层静力和自重作用，还受地震荷载作用，属于永久荷载+可变荷载情况的荷载组合。同时直中墙是承压结构按受压控制，根据规范[12],安全系数应按1.5控制。

在不同地震烈度时，提取不同宽高比连拱隧道直中墙的最小安全系数，如图9所示。

(1)从不同直中墙位置来看，直中墙动力响应中的安全系数在直中墙中部明显大于直中墙顶部和底部。整体来看，即中墙底部安全系数最小、中墙顶部次之、中墙中部最大。

(2)从不同中墙厚度即宽高比的角度来看，随着直中墙厚度变大即宽高比的增大，直中墙动力响应中的安全系数不断增大。在直中墙厚1.6 m时直中墙安全系数最大、直中墙厚1.4 m次之、直中墙厚1.2 m最小。

图8 连拱隧道不同厚度直中墙在 不同地震烈度下的弯矩峰值 *载下**原图

图9 连拱隧道不同厚度直中墙在 不同地震烈度下的最小安全系数 *载下**原图

(3)随着地震烈度的增加，直中墙地震响应安全系数逐渐减小。

(4)总体来看，在地震烈度Ⅹ度时不同厚度(宽高比)直中墙的安全系数均开始出现不满足规范要求的部位。在地震烈度Ⅸ度时，1.2 m厚(宽高比1.6)直中墙底部安全系数为1.51,刚刚符合规范要求；在地震烈度Ⅸ度时1.4 m厚(宽高比1.9)直中墙和地震烈度Ⅷ度时1.2 m厚(宽高比1.6)直中墙底部安全系数为1.68,相对于规范要求的安全系数1.5,其富余量也较小。

3.4中墙轴力增长率分析

由于静力作用下连拱隧道结构是对称的，所以直中墙上的弯矩很小，几乎为零，可以忽略不计，但在动力响应时直中墙受地震力的往复作用，故直中墙上的弯矩峰值较大，这将导致动力弯矩远远大于静力弯矩，如此比较弯矩的增大率将失去意义。因此，本小节仅分析中墙轴力增长率。

地震下中墙轴力峰值相对于无地震时的增长率见表4。

表4 相对地震发生前不同地震烈度下直中墙轴力增长率 导出到EXCEL

%

从表4中可以看出，在同一地震烈度下不同厚度(宽高比)、不同直中墙位置的轴力增长率几乎相同，在地震烈度Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度时，其轴力增长率的平均值分别为3.07%、5.02%、7.07%和9.09%。

3.5直中墙水平变形分析

根据《地下铁道建筑结构抗震设计规范》[13]、《建筑抗震设计规范》[14]及《公路隧道抗震设计规范》[15],确定地下结构钢筋混凝土结构层间位移角限值为1/550,并以此作为本直中墙的变形控制标准。直中墙顶部与底部测线高度约4.30 m。当位移角限值为取1/550时，通过公式Δue≤[θe]hΔue≤[θe]h计算，可得宁巧隧道直中墙顶部与底部相对位移(变形)控制标准为7.8 mm。

通过监测不同烈度地震和不同宽高比工况时中墙水平变形峰值，以判断中隔墙地震动力响应中的安全性及规律，如表5所示。

表5 直中墙水平变形峰值 导出到EXCEL

mm

从表5中可知，随宽高比增大，直中墙水平变形峰值下降；对于同一宽高比，直中墙动力响应中的水平变形峰值随地震烈度增大而增大；直中墙水平变形峰值最大仅1.485 mm, 满足控制标准(7.8 mm)。

4 结语

本文针对不同宽高比的宁巧隧道整体式直中墙连拱隧道结构建立模型，对不同地震烈度下不同中墙厚度时的情况展开了数值模拟研究，得到以下结论。

(1)连拱隧道结构在地震动力的作用下，中墙厚度(宽高比)越大、地震烈度越高，中墙轴力和弯矩峰值越大。中墙厚度(宽高比)越小、地震烈度越高，中墙安全系数越低。对于中墙不同位置，轴力大小排序为中墙顶部<中墙中部<中墙底部；弯矩大小排序为中墙中部<中墙顶部<中墙底部；安全系数排序为中墙底部<中墙顶部<中墙中部。

(2)在地震烈度Ⅹ度时，不同厚度(宽高比)直中墙的安全系数均开始出现不满足规范要求的部位。在地震烈度Ⅸ度时，中墙1.2 m厚(宽高比1.6)和1.4 m厚(宽高比1.9)的连拱隧道薄直中墙的安全系数富余量较小。

(3)不同厚度(宽高比)不同直中墙位置的轴力增长率几乎只与地震烈度有关，在地震烈度Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度时，其轴力增长率平均值分别为3.07%、5.02%、7.07%和9.09%。

(4)地震下直中墙水平变形与宽高比呈负相关，与地震烈度正相关。总体上，直中墙的水平变形峰值最大仅1.485 mm, 满足直中墙变形控制标准(7.8 mm)。

参考文献

[1] 王峥峥，王正松，高波.高烈度地震区连拱隧道洞口段抗震措施研究[J].中国公路学报，2011,24(6):80-85.

[2] 王正松.双连拱隧道洞口段地震动力响应及减震措施研究[D].西南交通大学，2008.

[3] 凌燕婷，高波，郑尚峰.高烈度地震区公路双连拱隧道地震动力响应研究[J].现代隧道技术，2008,45(6):11-15.

[4] 杨慧，刘潺，江学良，等.浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究[J].自然灾害学报，2020,29(4):161-172.

[5] 黄宇.刘家湾连拱隧道地震响应分析及抗震研究[D].长沙理工大学，2013.

[6] 余涛涛.浅埋偏压连拱隧道地震动力响应规律与减震措施研究[D].中南林业科技大学，2019.

[7] 江学良，张继琪，杨慧，等.多因素作用下含连拱隧道边坡地震动力响应特性研究[J].振动工程学报，2020,33(6):1291-1301.

[8] 焦长洲，高波，张洋.既有连拱隧道在桩基影响下的地震响应分析[J].路基工程，2008,(5):10-12.

[9] 张继琪，江学良，杨慧，等.含连拱隧道边坡地震响应特性研究[J].应用力学学报，2021,38(2):597-606.

[10] 杨小礼，张丙强，王志斌，等.浅埋大跨度连拱隧道地震反应分析[J].中南大学学报：自然科学版，2006,37(5):991-996.

[11] 唐浪洲.穿越洞口软硬岩偏压隧道减震缝间距研究[J].四川建筑，2020,40(5):146-148+151.

[12] JTG 3307.1-2018 公路隧道设计规范第一册土建工程[S].

[13] DG/T J08-2064-2009 地下铁道建筑结构抗震设计规范[S].

[14] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[15] JTG/T 2232-01-2019 公路隧道抗震设计规范[S].

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。