高烈度区公路隧道抗震分析研究

李斌1 ,苏晨婷2

摘要：本文以汕头市濠江区虎头山隧道及南延B线工程工程为背景，研究了基于时程分析法的山岭隧道衬砌结构在地震荷载作用下的动力响应,并得出了合理的结果，同时给出了适合高烈度地震区山岭隧道的减震措施。

关键词：高烈度；公路隧道；抗震分析

1 引言

诸多震害表明，尤其是在高烈度震区，山岭隧道结构仍旧会遭受到地震作用影响而产生较为严重的破坏。随着我国高速公路向山区、特别是向高烈度区延伸的隧道工程日益增多，隧道工程的抗震要求越来越高。因此，开展隧道工程的抗震设计研究与分析并充分考虑隧道结构在地震作用下的抗震性能是十分有必要的。

当前，隧道工程结构抗震设计方法主要分为拟静力法和动时程分析法。其中，动时程分析法可以模拟隧道结构在地震作用全过程的动力响应，并可以较好的模拟材料非线性特性、模型边界等问题，是一种适用性广、计算结果精确的计算方法，被广泛运用于地下结构抗震性能评估中。

2 工程概况

虎头山隧道及南延B线工程，起点接苏埃通道，终点与规划玉岗路相接，全线总长约为5.6公里，道路标准段红线宽度60米。

图2-1 工程位置平面图

隧道段东线设计里程范围SEK0+000～SEK0+640，长度640米，西线设计里程范围SWK0+000～SWK0+649.712，长度649.712米，双向六车道隧道，采用东、西线分离形式，隧道间距按照1倍隧道开挖跨径控制。

3 工程地质

根据详勘成果，隧道通过地段穿越的地层岩性有第四系松散残坡积碎石土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩及中风化花岗岩。虎头山隧道围岩分级如下：

表3-1 隧道围岩分级分段划分一览表

地层	地质年代	地层名称	工程性质	开挖后的稳定状态	隧道围 岩分级	BQ	岩土施 工分级
⑤1	Qel	砂质粘性土	可塑~硬塑	自稳性较差	Ⅴ		Ⅲ
⑤2		砾质粘性土	可塑~硬塑	有自稳能力	Ⅴ		Ⅲ
⑥1	γ52（3）	全风化花岗岩	坚硬土状	有自稳能力	Ⅴ		Ⅲ
⑥2-1		强风化花岗岩	坚硬土状	有自稳能力	Ⅴ		Ⅲ
⑥2-2			碎块、半土半岩	自稳性较好，但易掉块或坍塌	Ⅳ		Ⅳ
⑥3		中风化花岗岩	柱状	自稳性较好	Ⅲ	554	Ⅵ
⑦2-2		强风化辉绿岩	碎块、半岩半土	自稳性较好，但易掉块或坍塌	Ⅳ		Ⅳ
⑦3		中风化辉绿岩	柱状	有自稳能力	Ⅲ	384	Ⅵ

4 抗震设计参数

1、本项目位于汕头市濠江区，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010，2016年版)和《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）相关规定，汕头市濠江区抗震设防烈度为8度，设计基本地震动峰值加速度值为0.20g。反应谱特征周期分区值为0.40s。

2、场地类别：

《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)第4.1.2条的规定，建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准。

工程场地剪切波速测试孔位土层等效剪切波速、场地覆盖层厚度以及工程场地建筑场地类别见下表：

表4-1 工程场地建筑场地类别

序号	工程场地	孔号	覆盖层 厚度（m）	等效波速（m/s）	场地类别
1	矿山法隧道	DZK1	9.50	317.10	Ⅱ
		DZK2	54.00	247.21	Ⅲ

5 抗震基本目标

依据交通运输部发布的《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）及相关规范，各类公路隧道结构的抗震设防目标应符合下表规定：

隧道结构安全等级	设防目标
	E1地震作用	E2地震作用
一级	一般不受损或不需要修复可继续使用（不坏）	可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用（可修）
二级	一般不受损或不需要修复可继续使用（不坏）	应保证不致坍塌，经临时加固后可供维持应急通行（不塌）
三级	一般不受损或不需要修复可继续使用（不坏）	--------

本隧道为三车道隧道，城市主干路，隧道结构安全等级为一级，根据规范要求，应进行E1地震作用和E2地震下的抗震设计。

性能要求1（E1地震作用）：隧道结构在弹性范围工作时可认为其不会受损（不坏）；

性能要求2（E2地震作用）：隧道结构某处进入塑性状态时，可认为其受损轻微（可修）；

6 抗震分析方法

根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）规定，对于抗震设防烈度较高地区且重要性高的深埋隧道或特殊隧道，地震作用可采用时程分析法进行计算，输入地震波宜采用地震安全性评价所推荐的时程曲线。

参考《汕头市濠江区虎头山隧道工程可行性研究阶段咨询服务项目工程场地地震安全性评价报告》（2015.11），输入3组人工合成地震波的加速度时程曲线如下图：

图6-1 50年超越概率为2%（重现期2500年）水平向加速度时程

7 隧道结构抗震计算

7.1计算模型

本次计算采用Midas GTS NX进行计算分析。岩土采用实体单元，隧道衬砌采用壳单元。岩土采用理想弹性模型，结构采用线弹性模型。模型底边界取至<6-3>中风化岩层，顶面取地表面，侧面边界到结构的距离取结构水平宽度的3倍，隧道纵向取30m进行计算。

图7-1 三维时程分析法计算模型

图7-2 E2-1地震下模型水平相对位移云图

图7-3 E2-1地震下隧道相对位移

图7-4 E2-2地震下模型水平相对位移云图

图7-5 E2-2地震下隧道相对位移

图7-6 E2-3地震下模型水平相对位移云图

图7-3 E2-3 地震下隧道相对位移

表7-1 层间相对位移最大值汇总表

	衬砌最大相对位移（mm）	层间位移角
第一组地震波	21.79	1/500
第二组地震波	17.99	1/580
第三组地震波	15.71	1/640

由上表可见，三组地震波作用下隧道断面层间位移角均小于《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909-2014）的限值1/250，在E2地震作用下结构整体变形满足性能等级为2的要求。

8 抗震措施

（1）隧道洞口浅埋、偏压及洞身软弱围岩、断层破碎带等为抗震设防段，抗震设防段衬砌均采用带仰拱的曲墙式结构，抗震设防段的明洞及二次衬砌均采用钢筋混凝土结构。

（2）端墙式洞门挡墙采用仰斜式重力挡土墙，端墙嵌入两侧边坡的深度适当加大，硬质岩层不宜小于0.5m，软岩或土层不宜小于0.8m。

（3）严格遵守施工程序，减少岩体扰动，对超挖空洞、塌方地段须回填密实，衬砌背后空洞应压住水泥浆进行充填；

（4）洞口段衬砌采用钢筋混凝土材料，以提高结构延性及刚度。

（5）洞门端墙及明洞之间采用钢筋进行有效连接，以提高结构整体性。

（6）明洞两侧采用素混凝土回填，明洞顶部采用碎石土夯实（压实度不小于90%），以有效提高结构抗震性能。

（7）明暗洞交界处、软硬岩交界处及断层破碎带段，结合变形缝综合设置抗震缝。

（8）纵向受力钢筋全部为抗震钢筋（即为HRB400E），锚固长度不小于抗震设防锚固长度。

（9）围岩较差地段的衬砌应向围岩较好的地段延伸10m。

（10）削竹式洞门结构突出仰坡面：抗震设防烈度小于Ⅷ度，其距离不能小于2m，抗震设防烈度Ⅷ度距离不小于3m。

（11）机电设备与装修采用抗震支吊架固定，避免地震时坠落。

参考文献

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会．中国地震动参数区划图:GB 18306-2015[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2]中华人民共和国交通运输部．公路隧道设计细则：JTG/T D70-2010[S].北京：人民交通出版社，2010.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．建筑抗震设计规范：GB 50011－2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]陈兴涛.山岭隧道地震破坏模式及其性能指标研究[D].重庆：重庆交通大学，2020.

[5]沈昆、张理、贾毅.山岭隧道抗震设计与减震措施研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2017，13(09):204-207.