强震作用下山岭隧道洞口段地震响应分析与减震措施研究.pdfVIP

第32 卷 第 10 期 岩石力学与工程学报 Vol.32 No.10 2013 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2013 强震作用下山岭隧道洞口段地震响应分析及 减震措施研究 曹小平 (兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070) 博士学位论文摘要：随着我国经济建设和社会快速发展的需要，隧道建设已进入地震频发的高烈度地震区。受高山峡谷等 复杂地形的限制，山岭隧道在我国高烈度地震山区大量修建，且会越来越普遍。而我国的公路、铁路隧道规范一直沿用不 完全合理的静力法进行抗、减震计算，远远不能满足隧道洞口段、浅埋、偏压等减震重点地段的设计要求。本文以武都— 罐子沟(武罐)高速公路在建麻崖子隧道为工程背景，从地下结构分析的基本原理出发，运用有限元软件，计算并分析了浅埋 和偏压隧道的地震动响应特点，确定了适用于隧道洞口段(浅埋和偏压) 的减震措施。主要研究内容如下： (1) 基于地层的弹塑性特点，从动力有限元原理出发，用增量形式推导了以地面加速度时程反算基岩地震动加速度时程 的Wilson-θ法计算公式，由地面记录的加速度时程反算基岩地震动加速度。从计算结果可以看出，地层对地震动有放大作 用，因此，在对隧道及地下结构的抗震计算中，应以基岩地震加速度作为输入，可以使计算结果更加合理。 (2) 考虑围岩的弹塑性特点，用 Newmark-β 法推导了非线性方程的计算公式，建立了浅埋及偏压浅埋山岭隧道的实体 模型，计算并分析了该山岭隧道洞口段在强震(超越概率2%)作用下的地震响应，确定了对隧道最不利的地震波传播方向。 同时，分析了浅埋及偏压浅埋隧道衬砌在强震作用下的位移、内力及应力响应随埋深的变化规律，以及偏压侧衬砌的位移、 内力及应力的分布规律与非偏压时的不同点。确定了在该围岩条件下浅埋及偏压浅埋隧道抗震设防的重点部位。 (3) 针对浅埋及偏压浅埋隧道洞口段，分别开展对围岩进行注浆加固以及对隧道洞口段进行抗震设防情况下的数值计 算，分析了不同的注浆加固范围和不同的抗震设防长度对隧道衬砌抗震、减震的效果。分别确定了该围岩级别下浅埋及偏 压浅埋隧道的注浆加固范围和抗震设防长度。 (4) 通过建立偏压隧道洞口段横向平面模型，对不同厚度下处于偏压状态的隧道衬砌进行了分析，得出：衬砌厚度的增 加可以有效减小衬砌的轴向应力，但是衬砌的弯曲应力随厚度的增加而增加，组合应力则随衬砌厚度的增加而平缓减小。 由此确定了偏压浅埋隧道洞口段采取扩大注浆加固范围、高于标准要求的抗震设防长度、同时增加配筋来提高强度和采用 平滑过渡的断面形状以减小应力集中的综合抗震措施，来保证偏压侧衬砌在地震动作用下的安全性。 (5) 运用振动理论，针对初衬–减震层–二衬体系简化后的力学模型，建立了振动方程。结合麻崖子隧道实例给出相应 的参数，并用解析法进行了计算，从理论上确定了减震层与二衬的刚度比γ2 = 0.01～0.50 时，减震层对衬砌有较好的减震效 果；针对麻崖子隧道浅埋洞口段，通过有限元计算进行验证分析，确定了减震层与二衬的刚度比γ2 = 0.05～0.15 时，可以对 衬砌起到较好的减震效果。 关键词：隧道工程；山岭隧道；偏压；浅埋；洞口段；动力响应；数值分析；减震措施 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000 –6915(2013) 10 –2160 –01 RESEARCH ON DYNAMIC RESPONSE AT PORTAL SECTION OF MOUNTAIN TUNNEL UNDER INTENSE EARTHQUAKE AND SHOCK ABSORPTION MEASURE CAO Xiaoping (School of Civil Engineering Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou ，Gansu 730070，China) 收稿日期：2013 –05 –13 作者简介：曹小平(1971 –) ，男，2013 年于