赵冰冰
天津市政工程设计研究总院有限公司 天津 300051
摘要：近年来，中国的基础设施建设发展迅速，隧道及地下工程的规模、建设难度及发展速度均已位列世界之首。然而，我国又是一个地震频发的国家，不可避免的出现大量的隧道建设位于地震活动频发区域的情况。本文针对隧道穿越断层这一特别需要进行抗减震设计的场地条件，通过数值计算对不同工况下隔震层作用效果进行分析，据此提出隔震层的合理设置参数，为相关工程应用提供参考。
关键词：隧道；断层；隔震层
1 引言
隧道在地震作用下会追随周围地层运动，其自身的振动特性表现并不明显，隧道在地震中的安全性主要取决于周围岩土体的变形大小和结构抵抗地层变形的能力。目前主要通过三种途径进行隧道抗减震设计，一是通过注浆等地层加固手段，提高周围地层抗变形能力；二是通过调整结构参数降低结构刚度，增强结构变形能力，如管片间采用柔性接头连接；三是通过设置减震层，将隧道衬砌和围岩隔开，从而使地层变形难以传递到衬砌结构上，以此达到减轻隧道动力响应、避免其发生严重震害的目的。隔震技术作为近年发展起来的新型减震方法，在地面结构抗震工程中获得了实际应用并取得了良好的效果。地面结构的隔震主要是通过采用特殊的措施来隔离地基与上部结构，由设置的耗能装置或隔震支座耗散吸收地震能量，从而减轻地震荷载对上部结构产生的影响。隧道结构隔震模式的基本构思是：在围岩和衬砌管片之间添加隔震层，使原有“衬砌一围岩”体系转变为“衬砌一隔震层一围岩”体系，即通过添加隔震层使围岩与衬砌结构隔开，从而减小地震引起的荷载和变形由围岩向衬砌的传递，以达到减轻衬砌结构动力响应的目的。
研究表明，隔震层的设置可以有效减轻地震作用下隧道的动力响应，从而避免隧道在地震过程中遭受严重的损害。本文针对隧道穿越断层这一特殊场地条件，分析隔震层的设计参数对隧道动力响应的影响，主要考察不同的隔震层刚度、厚度和设防范围条件下，隧道的应力及位移响应特点，为隔震层的合理设计提供参考。
2 数值计算分析
通过软件FLAC3D5.0建立数值计算模型，模型纵向取200m，断层交界处左、右各100m，横向取80m，竖向取65m，隧道埋深20m，隧道衬砌与围岩之间建立不同厚度的隔震层。衬砌采用线弹性模型，围岩与隔震层采用摩尔-库伦本构模型，各部分计算参数见表1。计算过程中首先进行重力平衡得到模型的初始地应力场，然后分别沿横向、纵向和竖向输入地震波进行动力时程模拟。
表1 围岩及隧道各部力学参数
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为探明隔震层的合理设计刚度、厚度及设防范围，在有、无隔震层两种条件下进行计算，其中隔震层设置参数包含9种工况，共10种工况见表2.
表2 计算工况表
计算结果表明：
（1）隔震层的设置对隧道的加速度响应基本没有影响，但可以显著降低衬砌应力并在一定程度上减小衬砌的相对位移。隔震层的施加能够使衬砌拉应力峰值降低15%至45%，压应力峰值降低15%值30%，且可以明显缩小应力的变化范围。另外，隔震层也可以整体上减小衬砌的变形量。
（2）隔震层的减震率与其刚度有关，隔震层刚度越小，衬砌应力峰值下降越显著。设置隔震层后，衬砌拉应力减小率可达60%以上；由于隧道主要承受压力，当隔震层刚度减小到一定程度，衬砌所受压应力几乎不产生明显的波动。
（3）不同厚度的隔震层均可以显著减小衬砌应力峰值，以拱顶第一主应力为例，隔震层厚度分别为5cm、15cm及30cm时，对应减震率为46.3%、50.4%和58.2%，可见随着厚度的增加减震率有所增大，但增大幅度有限。隔震层厚度超过一定值后，可以改善衬砌相对位移沿隧道纵向的分布，但厚度继续增加不会提高相对位移的减小率。
（4）隧道穿越软硬地层交界处时衬砌主应力远大于单一围岩的情况，不同设防范围的隔震层均可以显著减小交界处衬砌全断面的主应力峰值，且设防范围从交界处延伸越长隔震效果越好。衬砌设防范围大于6倍隧道洞径时可以达到较为理想的隔震效果。
3 结论
通过计算分析可知，针对隧道穿越断层这一特别需要进行抗减震设计的场地条件，隔震层的合理设计尤为关键。数值计算表明，隔震层刚度越小，其隔震效果越好，但随着刚度的降低会导致地层发生较大沉降，这在隔震设计时需要特别注意；隔震层的厚度增加对衬砌应力峰值的减小作用有限，除厚度很小的情况外，厚度增加亦无法显著改善衬砌的变形，故正常厚度的隔震层即可起到较为理想的隔震效果；隔震层设防范围越大，断层处衬砌应力降低越显著，设防范围大于6倍洞径时即可取得良好的隔震效果。
参考文献：
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