（四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司，四川，成都，610031）
Study on the surrounding rock section of highway tunnel seismic dynamic response under grouting effect
Jiajiaxin
（Sichuan road and Bridge Construction Group Co., Ltd, Chengdu, Sichuan 610031）
【摘 要】本文利用FLAC3D软件，对Ⅴ级围岩段公路隧道进行三维地震动力响应数值模拟，通过比较注浆前后隧道结构及围岩动力响应规律，分析该工况下隧道抗震设防范围。
【关键词】公路隧道；地震动力响应；Ⅴ级围岩；注浆加固；自由场边界
【Abstract】in this paper, the software FLAC3D, the V grade rock section of highway tunnel of three-dimensional seismic dynamic response numerical simulation, by comparing before and after grouting tunnel structure and surrounding rock dynamic response rules, analysis the condition of tunnel under seismic fortification range.
【Keywords】highway tunnel, seismic response, grouting reinforcement V-grade surrounding rock, free field boundary
1、隧道抗减震设计现状
近年来，随着地下结构数量的增多和震害的频繁出现，尤其在我国遇到“5.12汶川”大地震后，抗减震问题受到高度重视。隧道抗减震设计中，设计人员通常只考虑了纵向抗震设防长度，未考虑径向加固范围，这是不全面的。还有，注浆对隧道抗震设防效果如何？这也是工程中面临的一个问题。本文以某公路隧道为例通过数值模拟，研究注浆前后地震动力响应规律，分析得到隧道纵向合理抗震设防长度和径向加固范围。
2、参数选取
（1）采用Ⅴ级围岩标准断面[1]；计算参数的选取见表1;
（2）模型参数：岩土体大小为120（横向）×160（纵向）×90（竖向）(m),隧道埋深选取30m，洞门处作1：1刷坡处理；
（3）地震波：采用El-Centro波, 如图1所示；峰值加速度为3.147m/s2；激励方向：垂至于隧道纵向水平激励。
图1 El-Centro波—波形图
（4）边界条件
自由场边界是粘人工边界的一种，模拟了半无限地基的弹性恢复能力，具有较高的精度和稳定性。自由场边界保持非反射特性，即结构产生向外的波被适当地吸收主网格的侧边界通过阻尼器与自由场耦合来模拟静边界，自由场的非平衡力施加到主网格边界上。施加在左右边界的两个条件是：
这样，向上的面波在边界上就不会产生扭曲，因为自由场边界提供的条件与无限场完全相同。如果主网格是均匀的，自由场就因与主网格的运动一致而不起作用。但如果主网格与自由场的运动不同，这时阻尼器就会吸收能量，与静边界类似[2]，如图2所示。
图2 自由场边界模型示意图
图3 隧道有限元模型示意图
在FLAC3D中，可以通过使用Apply ff(free-field)在模型四周施加自由场地边界，采用FLAC3D自由场地边界和粘性边界的计算效果基本一致。但若采用自由场地边界计算,动荷载的输入可以采用加速度时程,不需要转化[3]。
3、隧道地震响应规律研究
有限元模型如图3所示，考察点选取为：隧道拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚和仰拱，每截面共计8个考察点。考察截面沿隧道纵向每隔3m选取一个，共计20个截面。
3.1 隧道位移响应规律分析
（1）位移最大值截面处位移时程响应
分析隧道衬砌位移最大值截面处位移时程响应，可得：
① 位移最大值出现在4s～6s，滞后于地震波加速度峰值时刻3s；
② 各个考察点位移时程响应规律基本一致，位移幅值略微有变化；
③ 注浆前后，位移变化趋势基本一致，仅改变了位移幅值；
（2）、沿隧道纵向最大位移值分析
分析监测点处最大位移值，比较注浆前后最大位移变化特点:注浆前最大位移为8.44cm，注浆后为6.8cm；位移变化幅值为19.43%。可见，注浆对位移控制作用明显。
3.2 隧道最大主应力响应规律分析
考察监测点处最大主应力，比较注浆前后最大主应力变化特点：注浆前最大位移为19.14MPa，注浆后为11.66 MPa；位移变化幅值为39.08%。可见，注浆对应力改变显著，调整了应力峰值和应力分布。
3.3 隧道塑性区特点
选取位移峰值时刻11s作为考察时刻，分析未采取注浆加固措施时洞周围岩塑性区纵向变化情况。
（距离洞口15m塑性区云图）
（距离洞口35m塑性区云图）
分析塑性区变化规律，得到:塑性区沿纵向发展至洞身35m左右，径向发展至洞周8m左右。
4、加固范围分析
分析最大位移和最大主应力时程变化特点以及纵向变化趋势，结合塑性区发展状况，来确定隧道抗震设防范围。隧道抗震设防范围主要考虑纵向抗震设防长度和径向加固范围。
注浆前隧道抗震设防范围为：纵向设防长度从隧道洞口至30～40m，径向加固范围从开挖面延伸至围岩体内5～10m。注浆后隧道抗震设防范围为：纵向设防长度洞口至30～36m，径向加固范围从开挖面延伸至围岩体内2～4m。
5、结论
根据以上各种工况分析,得到以下结论：
（1）隧道位移响应受加速度控制：① 加速度大小决定了位移幅值；② 加速度峰值发生时刻影响着位移时程响应的峰值时刻，一般来说，位移时程响应峰值发生滞后于加速度峰值的发生。
（2）隧道注浆效果：① 注浆对位移响应趋势几乎没有影响，但可以减少位移幅值大小；② 注浆对应力大小影响较大，有效调整了应力分布；③ 比较注浆对隧道位移和应力的影响，注浆加固措施对应力调整更显著，使应力峰值降低了约1/3。
（3）塑性区的范围和特点：① 没有采取注浆加固措施时，公路隧道纵向塑性区可发展至洞身30～40m，此段需要纵向设防，径向塑性区可发展至洞周5～10m，以此确定径向加固；② 采取注浆加固时，公路隧道纵向塑性区可发展至洞身30～36m，此段需要纵向设防，径向塑性区可发展至洞周2～4m, 以此确定径向加固。
参考文献：
[1]《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；
[2]《FLAC原理、实例与应用指南》 刘波、韩彦辉（美国） 人民交通出版社2005年9月第一版；
[3]隧道地震响应数值模拟研究 熊良宵,李天斌,刘勇 地质力学学报 第13卷第3期 2007年9月；
论文作者:贾佳欣
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年7月总第212期
论文发表时间:2016/9/14
标签：位移论文; 隧道论文; 纵向论文; 注浆论文; 塑性论文; 边界论文; 应力论文; 《工程建设标准化》2016年7月总第212期论文;