强震区跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗震效果分析

强震区跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗震效果分析

依托达万高速某隧道F1断层段，利用ABAQUS对隧道衬砌采用钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC）和钢-玄武岩混杂纤维混凝土（Steel Basalt Hybrid Fiber Reinforced Concrete，简称SBHFRC）的抗震效果进行研究。

1 隧道F1断层段概况

1.1 地质条件

该断层段分布于拟建隧道所穿越的背斜轴部西侧，几乎纵贯峨层山背斜全程，断层走向与背斜轴向一致。呈N30~40°E展布，倾向NW，倾角35～75°，在隧址区内其倾角在75°左右。上下盘均为砂岩（T1），Ⅳ级围岩。破碎带主要由断层角砾和断层泥组成，Ⅴ级围岩，密实-半胶结状。

1.2 衬砌结构设计

该隧道断层段采用复合式衬砌结构。初支的厚度是0.25 m，其使用C20喷射混凝土。二衬的厚度为0.45 m，其使用C25模筑混凝土。

2 研究情况

2.1 计算模型

研究背景为某隧道F1断层段，以该背景建立计算模型。本文结构采用Mohr-Coulomb准则为屈服强度准则。隧道纵向开挖深度为100 m，埋深40 m，隧道基岩厚20 m。隧道左右两侧宽度取4~5倍洞宽（约为38 m），断层的倾角为75°，破碎带宽度为11 m。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

Fig.1 Calculation model

2.2 计算参数

依据试验相关结果以及材料参数参考实际地勘资料，计算参数见表1。

表1 计算模型参数

2.3 计算工况

计算工况见表2。

2.4 动力参数

本文模型采用理想弹塑性本构模型，模型底面与四周采用无限元边界并限制其所有自由度，顶面无约束。地震波3个方向（x，y，z）同时从模型底部向上部传递。地震波选取汶川地震中（卧龙测站）所测的加速度波，根据7度地震烈度标准化，持续时间为15 s。校正滤波和基线后，处理后加速度时程曲线如图2所示（以x向为例）。

图2加速度时程曲线图

Fig.2 Acceleration time history curve

2.5 测点布置

该模型共11个监测断面，间距10 m，从中提取各断面8个测点的位移、应力等数值分析抗震效果，测点布置如图3所示。

图3 测点布置

Fig.3 Arrangement of measuring points

3 抗震效果分析

3.1 结构位移分析

提取各工况断层破碎带段隧道结构的位移云图[14]，如图4~6所示。提取工况2和工况3衬砌位移最大值并分析抗震效果（与工况1对比），见表3。

（a）C25                      （b）SFRC

（c）SBHFRC

图4 二衬结构横向位移云图

Fig.4 Cloud diagram of lateral displacement of secondary lining structure

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

图5 二衬结构纵向位移云图

Fig.5 Cloud diagram of longitudinal displacement of the secondary lining structure

（a）C25                      （b）SFRC

（c）SBHFRC

图6 二衬结构竖向位移云图

Fig.6 Vertical displacement cloud diagram of the secondary lining structure

3.2 内力分析
由表3可知，素混凝土（工况1）的最大横向、纵向、竖向位移分别为11.06，10.47 ，4.70 mm。当二衬结构采用纤维混凝土（工况2~ 3）材料之后，整体的最大位移值有所上升。当二衬结构采用SFRC材料时最大横向、纵向、竖向位移分别为12.45 ，10.62 ，3.11 mm，相较于素混凝土二衬结构横向位移增大12.57%，纵向位移增大1.43%，竖向位移减小33.78%；当二衬结构采用SBHFRC材料时最大横向、纵向、竖向位移分别为11.80 ，12.81 ，5.89 mm，相较于素混凝土二衬结构横向位移增大6.69%，纵向位移增大22.35%，竖向位移增大25.32%。

3.2.1 主应力分析

各工况破碎带段隧道的主应力云图如图7~8所示。根据衬砌的最大、最小主应力计算工况2~3的抗震效果（相较于工况1），见表4。

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

图7 二衬结构主应力最大值云图

Fig.7 Cloud diagram of the maximum principal stress of the second lining structure

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

图8 二衬结构主应力最小值云图

Fig.8 Cloud diagram of the minimum principal stress of the secondary lining structure

由表4可知，素混凝土二衬结构（工况1）最大、最小主应力分别为2.53 ，-8.33 MPa。当二衬结构采用纤维混凝土后，整体应力值有所增大。二衬结构采用SFRC材料（工况2）时，最大、最小主应力分别为3.19 ，-9.97 MPa，相较于素混凝土分别增大26.14%，19.77%；二衬结构采用SBHFRC材料（工况3）时，最大、最小主应力分别为2.61 ，-8.51 MPa，相较于素混凝土分别增大了3.33%，2.17%。

3.2.2 剪应力分析

各工况衬砌结构剪应力云图如图9所示。提取衬砌结构剪应力最大值，进而计算工况2~3的抗震效果（相较于工况1），见表5。

（a）C25                  （b）SFRC

（c）SBHFRC

图9 二衬结构剪应力云图

Fig.9 Shear stress cloud diagram of secondary lining structure

由表5可知，素混凝土二衬结构（工况1）最大剪切应力为8.07 MPa。当二衬结构采用纤维混凝土时（工况2~3），最大剪切应力分别为9.75 ，8.25 Mpa，相较于素混凝土二衬结构分别增大了20.91%，2.32%。

3.2.3 安全系数分析

通过计算结果得到各个监测点的量测数据，从而由公式（1）~（2）计算出各监测点的结构安全系数并提取出各监测点的安全系数最小值[15]，并计算其抗震效果（相较于工况1），如式（1）~（2）所示：

                     

式中： N为轴力，N； α为轴向力偏心影响系数；

b为截面宽度，取1 m；

h 为截面厚度，m；

R_a为混凝土抗压极限强度，MPa；

     φ为构件纵向弯曲系数；

R1为混凝土抗拉极限强度，MPa；

K为安全系数。

监测断面最小安全系数及抗震效果见表6。

表6 监测断面最小安全系数及抗震效果

Table 6 Minimum safety factor and seismic effect of monitoring section

由表6可知，相较于二衬结构采用素混凝土材料，当采用纤维混凝土材料后，最小安全系数均大于素混凝土二衬结构，其抗震效果显著提升。当二衬结构采用SBHFRC时最小安全系数大于结构采用SFRC时的最小安全系数。在断层破碎段，二衬结构采用SFRC相较于采用素混凝土抗震效果提升59.72%，二衬结构采用SBHFRC相较于采用素混凝土抗震效果提升54.74%。

4 结论

1）从结构位移的方面来看，相较于二衬结构采用素混凝土材料，当采用SFRC二衬结构时，其横向位移增大12.57%，纵向位移增大1.43%，竖向位移减小33.78%；当采用SBHFRC二衬结构时，其横向位移增大6.69%，纵向位移增大22.35%，竖向位移增大25.32%。

2）由主应力分析可得，相较于二衬结构采用素混凝土材料，采用纤维混凝土材料后其主应力有所增大。当二衬结构采用SFRC时最大、最小主应力分别增大了26.14%，19.77%；当二衬结构采用SBHFRC时，最大、最小主应力分别增大了3.33%，2.17%。

 3）由剪切应力分析可得，相较于二衬结构采用素混凝土材料，采用纤维混凝土后其最大剪切应力有所增大。当二衬结构采用SFRC时，其最大剪切应力提高了20.91%；当二衬结构采用SBHFRC时，其最大剪切应力提高了2.32%。

 4）由结构的安全系数分析可得，相较于二衬结构采用素混凝土材料，当采用纤维混凝土二衬结构后安全系数有明显提升，SFRC衬砌抗震效果增值在45.47%~59.72%之间，SBHFRC衬砌抗震效果增值在49.69%~54.74%之间。