隧道软硬围岩交界段纤维混凝土衬砌抗震性能模型试验研究

1 引言

我国西部交通建设持续深入发展，强震艰险山区交通隧道不断涌现，如川藏铁路、丽香铁路及汶马高速等路段的系列隧道。强震作用下，隧道软硬围岩交界段软岩部分出现了衬砌开裂、衬砌错台、混凝土剥落及掉块等严重震害，这主要是由地震惯性力和强制位移共同作用造成的。纤维混凝土具有增强、增韧、阻裂的优异性能，且其抗冲击及抗爆性能均优于同标号普通钢筋混凝土。因此，有必要对强震区隧道软硬围岩交界段纤维混凝土衬砌的抗震性能进行研究。

国内外有关专家学者对隧道软硬围岩交界段的震害机制、抗减震技术、纤维混凝土的抗震性能进行了研究，梁建文等基于精确动力刚度矩阵和间接边界元法，将场地模型分解为含较硬介质的层状半空间域和较软介质域，在时域内对软硬交互横向不均匀场地的地震反应问题进行了理论解析。赵建沣等提出了一种适用于隧道软硬围岩交界段动力模型试验的整体式刚性试验箱，并通过模态分析和振动台模型试验，进行了试验箱设计方案的优化及验证。申玉生等采用数值仿真对隧道软硬围岩交界段动力响应特性进行了研究，地震动对交界面软岩侧隧道结构的变形影响较大，并随交界面倾角的减小而增大。殷允腾等采用数值仿真和振动台模型试验，对隧道软硬围岩交界段震害机制进行了研究，地震作用下软硬岩交界处隧道结构位移差显著，地层惯性力对交界面软岩侧影响明显强于硬岩侧。王泽军等采用数值仿真，针对隧道软硬围岩交界段采用全环接触注浆、全环间隔注浆2种围岩注浆抗震措施的作用效果进行了对比分析，结果表明，全环间隔注浆抗震措施在减小结构内力及位移方面均优于全环接触注浆抗震措施。范凯祥等采用振动台模型试验，对隧道软硬围岩交界段施设减震层减震技术进行了研究，结果表明，减震层厚度存在最优值，设置减震层后可显著降低二衬的动应力，增加减震层厚度可降低沿纵向隧道软硬围岩交界段的动力响应差异。M.R.Moghadam和M.H.Baziar采用振动台模型试验，对隧道软硬围岩交界段施设减震缝减震技术进行了研究，结果表明，影响减震缝间距的主要因素是地震动引起的交界面强制位移，施设减震缝后交界面软岩侧隧道结构内力减小显著。蒙国往等采用数值仿真和振动台模型试验，对浅埋隧道纤维(PE﹣2000合成纤维、钢﹣玄武岩混杂纤维)混凝土衬砌的抗震性能进行了研究，结果表明，纤维混凝土增韧性能在隧道地震动过程发挥的作用远超增强性能，纤维混凝土隧道衬砌可有效阻裂和减小裂缝宽度，且其压缩变形率较小，抗减震性能较好。

综上所述，目前在隧道软硬围岩交界段地震响应、震害机制及抗减震措施等方面均进行了相关研究，由于我国现行规范中未将隧道软硬围岩交界段作为抗震设防段，造成目前强震区隧道软硬围岩交界段大多参照软弱围岩加固进行抗震处理，即采用注浆加固围岩、增设锚杆及提高衬砌混凝土标号等措施；基于防水要求及建设成本，隧道软硬围岩交界段采用施设减震缝或减震层减震措施的实际工程很少。静力作用下，隧道结构主要承受弯压和弯拉(小偏心)作用，对衬砌材料的抗拉及韧性性能要求较低，故纤维混凝土较少用于隧道工程；地震作用下，隧道结构主要因弯拉(大偏心)、受剪作用而破坏，具有良好韧性性能的纤维混凝土可作为隧道衬砌结构材料进行抗震加固。因隧道软硬围岩交界段为非抗震设防段，故目前较少采用纤维混凝土衬砌进行抗震设防设计。本文依托乌鲁木齐地铁1号线某区间隧道软硬围岩交界段工程，采用振动台模型试验对纤维(钢纤维、玄武岩纤维)混凝土衬砌的抗震性能进行研究，这对高烈度艰险山区交通隧道的进一步发展有着重要的意义。

2 依托工程概况

2.1 地质条件

乌鲁木齐地铁1号线地震设防烈度为8度，沿线活动断裂密布(如雅玛里克断裂、八钢—石化断裂、九家湾断裂、西山断裂等)、软硬围岩交互分布。本文以乌鲁木齐地铁1号线某区间隧道软硬围岩交界段工程为例展开研究，该段地质纵断面如图1所示。

图1 地质纵断面图

(1)—黄土；(2)—亚砂土；(3)—浅褐黄色土；(4)—浅褐色土；(5)—砂砾石层；(6)—砂岩

该软硬围岩交界面倾角为87°，硬岩为砂岩(II级围岩)，软岩为砂砾石(V级围岩)。

2.2 支护结构设计

地铁区间隧道为直墙圆拱形断面，跨度为6.88 m，高度为7.22 m。设计初支采用厚为20 cm的C25强度等级喷射混凝土，二衬采用厚为60 cm的C25强度等级模注钢筋混凝土(22 mm钢筋网@25 mm)。

3 模型试验设计

3.1 试验分组

为研究纤维混凝土衬砌在隧道软硬围岩交界段的抗震性能，二衬采用同体积纤维掺量的CF25钢纤维混凝土(SFRC,42 kg/m3)和CF25玄武岩纤维混凝土(BFRC,12.6 kg/m3)，与C25钢筋混凝土二衬进行对比试验，试验工况如表1所示。

表1 试验工况

3.2 试验设备

试验采用ES﹣300型水平电动振动试验台，如图2所示。振动试验台的基本参数如表2所示。

图2 电动振动试验台

表2 振动试验台基本参数

试验采用刚性模型试验箱，尺寸为1.8 m(长)×1.8 m(宽)×1.5 m(高)。在模型试验箱四壁施设厚为10 cm的聚苯乙烯泡沫，以消减振动过程中的边界效应。模型试验箱布置如图3所示。

试验传感器采用TST1010L型单向加速度计、BX120–3AA型电阻应变片和DYB–1型微型压力盒进行量测。试验数据采集采用DH5922D动态信号测试分析系统。

图3 模型试验箱布置示意图(单位：cm)

3.3 相似设计

3.3.1 试验相似比

综合考虑隧道跨度、模型试验箱尺寸以及消减边界效应影响的需要，试验几何相似比取为30。试验主要物理量相似关系如表3所示。

表3 主要参数相似比

3.3.2 试验相似材料

围岩采用河砂、粉煤灰、机油(硬岩为3.1∶6.2∶0.7；软岩为3∶6∶1)的热融混合料进行相似模拟，其力学参数如表4所示。

表4 围岩相似材料力学参数

钢筋混凝土二衬结构(跨度为21.60 cm，高度为22.73 cm)采用双层8 mm钢丝网及石膏掺和料模拟制成，膏水比为1.698，如图4所示。

图4 钢筋混凝土二衬模型

纤维(钢纤维、玄武岩纤维)混凝土二衬采用同体积掺量特制试验用纤维(见图5)的石膏掺和料模拟制成。3种模型试件的力学参数如表5所示。

图5 试验用纤维

表5 衬砌模型试件力学参数

3.4 动力荷载

本次试验动荷载的选取是根据1∶400万《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)，并结合沿线工程地质条件及工程设置情况，经综合分析，确定了动荷载最小中心频率为2.5 Hz。据此，试验采用汶川8.0级地震南北向卧龙测站实测地震波(场地均发育发震断裂支断裂)，地震波记录时间为164.6 s，记录时间间隔0.005 s。经调幅、相似变换，试验输入波与原波的持时和频率范围如表6所示。地震烈度为7度的试验输入波经滤波、基线校正，如图6所示。

表6 动力荷载参数

图6 试验输入加速度时程

3.5 试验量测

为研究隧道软硬围岩交界段纤维混凝土衬砌的抗震性能，在硬岩部分布设A和B监测断面，在软岩部分布设D和E监测断面，在软硬围岩交界面布设C监测断面。在监测断面仰拱中部布设单向加速度计(J)和微型压力盒(Y)；在拱顶布设微型压力盒、纵向应变片(L)和成对横向应变片(H，二衬内外侧)；在边墙中部布设微型压力盒。监测布置如图7所示。

图7 监测布置(单位：cm)

本模型试验箱底面高出试验台台面12 cm，为准确研究隧道仰拱中部地震动峰值加速度(PGA)的放大系数，在模型试验箱底面中间位置布设一个单向加速度计。

4 试验数据分析

4.1 峰值加速度

提取各工况各监测断面及模型试验箱底面加速度测点时程曲线，其中工况1硬岩B断面如图8所示。

图8 输出加速度时程曲线

由各输出加速度时程曲线提取其地震动峰值加速度(PGA)，如表7所示。计算各工况各监测断面仰拱中部测点的PGA放大系数(相对于模型试验箱底面中间测点)如图9所示。

表7 各工况地震动峰值加速度

注：模型试验箱底面中间测点输出波平均值为98.5 gal。

图9 各工况地震动峰值加速度放大系数

由表7及图9可知：

(1)从PGA及放大系数整体看，工况1(钢混)小于工况3(BFRC)，工况2(SFRC)最大，这主要是由3种试验工况围岩﹣衬砌的地震动界面放大效应不同造成的。地震波由围岩传至衬砌结构，围岩﹣衬砌的界面刚度差越大，地震动放大效应越大。同体积纤维掺量条件下，3种试验工况衬砌结构刚度由大至小分别为：SFRC衬砌、BFRC衬砌、钢筋混凝土衬砌，故工况2围岩﹣衬砌的界面刚度差最大、工况3次之、工况1最小。

(2)沿隧道纵向，3种工况试验规律基本一致，软岩部分监测断面(D和E)测点的PGA及PGA放大系数远大于硬岩部分监测断面(A和B)测点的PGA及PGA放大系数，软硬围岩交界面测点(C断面测点)的PGA及PGA放大系数居中，这主要是由地震波在软岩中的垂直放大效应远大于硬岩造成的，故软硬围岩交界段软岩部分隧道结构所受地震惯性力远大于硬岩部分隧道结构。

4.2 纵向应变

提取各工况各监测断面测点纵向应变时程曲线，其中，工况3硬岩A断面如图10所示。

图1 0 输出纵向应变时程曲线

提取各工况各监测断面拱顶测点纵向应变时程曲线的峰值，如表8所示，计算纤维混凝土衬砌工况纵向应变峰值的减小百分比(工况2,3相对工况1)，如图11所示。

表8 各工况纵向应变峰值

图1 1 各工况纵向应变峰值减小百分比

由表8及图11可知：

(1)从纵向应变峰值整体看，工况1(钢混)最大、工况3(BFRC)次之、工况2(SFRC)最小，这主要是由衬砌刚度不同造成的。由于同体积纤维掺量条件下SFRC衬砌刚度最大，故其纵向应变峰值整体最小。

(2)沿隧道纵向，3种工况试验规律基本一致，均是软岩部分隧道结构纵向应变峰值远大于硬岩部分隧道结构。这主要是因为硬岩部分隧道结构地震响应由围岩﹣衬砌间的运动相互作用控制，隧道受地震惯性力影响很小；软岩部分隧道结构地震响应由围岩﹣衬砌间的运动相互作用和地震惯性力共同控制，地震惯性力影响较大。

(3)隧道衬砌采用纤维混凝土后，提高了其强度和韧性，对抵抗地震惯性力效果明显，但对改善围岩﹣衬砌间的运动共同作用效果不明显。故工况2,3软岩部分隧道结构纵向应变峰值减小百分比较大，达35%～40%；硬岩部分隧道结构纵向应变峰值减小百分比较小，均在15%以下。

4.3 接触应力

提取各工况各监测断面拱顶测点接触应力时程曲线，其中，工况2软硬围岩交界面C断面如图12所示。

图1 2 输出接触应力时程曲线

提取各工况各监测断面拱顶测点接触应力时程曲线的峰值，如表9所示，计算纤维混凝土衬砌工况(工况2,3相对工况1)接触应力峰值的增大百分比，如图13所示。

表9 各工况接触应力峰值

图1 3 各工况接触应力峰值增大百分比

由表9及图13可知：

(1)从接触应力峰值整体看，工况2(SFRC)最大、工况3(BFRC)次之、工况1(钢混)最小，这主要是由衬砌刚度不同造成的。衬砌刚度越大，限制围岩变形的能力越强，其承受地震动引起的围岩压力越大。

(2)沿隧道纵向，3种工况试验规律基本一致，均是软岩部分隧道结构接触应力峰值远大于硬岩部分隧道结构，这主要是由地震动引起的软硬围岩应力释放率不同造成的。地震动引起的软岩应力释放率较大，造成衬砌结构承受的形变压力也较大。

(3)隧道衬砌采用纤维混凝土后，提高了其强度和韧性。软岩部分，纤维混凝土衬砌对限制地震动引起的围岩变形作用较为明显，故工况2,3隧道结构接触应力峰值增大百分比较大，为30%～35%；硬岩部分，由于地震动引起的围岩变形较小，纤维混凝土衬砌的韧性作用发挥有限，工况2,3隧道结构接触应力峰值增大百分比较小，均在20%以下。

4.4 结构内力

提取各工况各监测断面拱顶测点横向应变片时程曲线，计算各工况拱顶测点内力值，如图14所示(以工况1的C断面为例)。

衬砌轴力和弯矩值：

衬砌安全系数：

式中：b为截面宽度，取1 m;h为截面厚度；E为弹性模量；e_内，e_外分别为衬砌内、外侧应变；N为轴力；M为弯矩；Ra为混凝土抗压极限强度；Rl为混凝土抗拉极限强度；K为安全系数；为构件纵向弯曲系数；为轴向力偏心影响系数。

图1 4 试验输出内力时程

提取各工况各监测断面拱顶测点安全系数最小值，如表10所示，计算纤维混凝土衬砌工况安全系数最小值的增大百分比(工况2,3相对工况1)，如图15所示。

表1 0 各工况安全系数最小值

图1 5 各工况安全系数最小值增大百分比

由表10及图15可知：

(1)从安全系数最小值整体看，工况2(SFRC)最大、工况3(BFRC)次之、工况1(钢混)最小，这主要是由衬砌结构的强度和韧性性能差异造成的。同体积纤维掺量条件下，SFRC衬砌强度/刚度和韧性均优于BFRC衬砌。

(2)硬岩部分，纤维混凝土衬砌工况安全系数最小值增加较大。相对工况1，工况2增大了约70%，工况3增大了约63%。由于硬岩隧道的结构安全性主要由围岩﹣衬砌间的运动相互作用控制，尽管工况2和3提高了隧道衬砌的强度/刚度和韧性，但围岩﹣衬砌间的运动相互作用受影响很小，硬岩部分隧道衬砌地震惯性力最大也仅增加了6.75%，因此硬岩部分隧道结构安全系数最小值增加较大。

(3)软岩部分，纤维混凝土衬砌工况安全系数最小值增加百分比较硬岩部分有所减少。相对工况1，工况2增大了25%～30%，工况3增大了20%～30%。由于软岩隧道的结构安全性由围岩﹣衬砌间的运动相互作用和地震惯性力共同控制，工况2和3提高了隧道衬砌的强度/刚度和韧性，对抵抗软岩部分较大地震惯性力的作用效果显著，同时也增强了围岩﹣衬砌间的运动相互作用，因此造成了软岩部分隧道结构安全系数最小值增加百分比小于硬岩部分。

5 结论

(1)隧道软硬围岩交界段二衬采用纤维混凝土后，支护结构的强度/刚度和韧性均有不同程度的提高。硬岩部分，地震动峰值加速度放大系数、纵向应变峰值减少百分比、接触应力峰值增加百分比均较小；软岩部分，地震动峰值加速度放大系数最高为2.19，纵向应变峰值减少百分比最大为38.68%，接触应力峰值增大百分比最大为34.98%。

(2)硬岩部分，隧道结构的安全性主要由围岩﹣衬砌间的运动相互作用控制，受地震惯性力影响很小，尽管采用纤维混凝土后隧道衬砌的强度/刚度和韧性得到提高，但对提高围岩﹣衬砌间的运动共同作用效果不明显，隧道结构承受的地震惯性力增加又很小，因此硬岩部分隧道结构安全系数最小值增加较大，增大百分比最大达71.40%。

(3)软岩部分，隧道结构的安全性由围岩﹣衬砌间的运动相互作用和地震惯性力共同控制，采用纤维混凝土后隧道衬砌的强度/刚度和韧性得到提高，对抵抗软岩部分较大地震惯性力的作用效果显著，同时也增强了围岩﹣衬砌间的运动相互作用，因此软岩部分隧道结构安全系数最小值增大百分比小于硬岩部分，增大百分比最大为29.11%。

(4)综合考虑地震动峰值加速度、纵向应变、接触应力及结构内力等指标，同体积纤维掺量条件下，隧道软硬围岩交界段钢纤维混凝土二衬的抗震性能及结构安全性优于玄武岩纤维混凝土二衬。综合考虑经济性、材料来源及施工难度，推荐该依托工程采用CF25钢纤维混凝土(42 kg/m³)二衬进行抗震加固设计。

摘自《岩石力学与工程学报》