隧道支护结构与抗震层及围岩系统抗震性能研究

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1、公路隧道2014年第1期(总第85期)隧道支护结构与抗震层及围岩系统抗震性能研究王忠双(中铁十三局集团有限公司天津300308)摘要基于刚度匹配原理，提出抗震层概念，即设置在隧道支护结构与围岩之间的泡沫混凝土层，其刚度介于隧道衬砌剐度与围岩剐度之间。并提出采用损伤指标和能量指标进行强震作用下隧道结构的抗震安全评价，包括利用损伤指标反映隧道抗震薄弱部位的损伤累积和渐进破坏过程。通过有无抗震层的隧道结构抗震安全评价，考察抗震层的抗震效果，研究结果对高烈度地震区隧道的抗震设计具有借鉴作用。关键词隧道结构强震作用抗

2、震层抗震安全评价强震作用下隧道抗震安全问题对建于高烈度的相对刚度可分为两类[5]：地震区的隧道具有十分重要的意义[1]。传统的隧(1)拉伸刚度：度量的是衬砌抵抗径向变形(大道抗震措施主要是通过加强结构的刚度和强度来小改变)的能力。为了定量描述拉伸刚度，引入压抵御地震作用，即所谓的“硬抗”。但是，结构刚度缩比(C)，定义为：增加势必导致地震作用增强。而且，隧道震害调查!二(1)。Et(1+)(1—2v)～发现：衬砌厚度大的区段比衬砌厚度小的区段的震害多[4]。因此，这种方法的抗震效果值得商榷。式中：一周围介质

3、的杨氏模量；‰一周围介目前隧道抗震安全评价多是基于强度理论，采质的泊松比；E_一衬砌的杨氏模量；R一衬砌的半径；用应力指标，计算内力，校核配筋。由应力计算内衬砌的泊松比；￡一衬砌的厚度；力的前提是材料必须是线弹性的。因此，对于强震(2)弯曲刚度：度量的是衬砌抵抗环向变形(形作用下隧道破损状态的评价，应力指标是无能为力状改变)的能力。为了定量描述弯曲刚度，引入柔的。而损伤作为内变量是逐渐发展的，损伤累积和性比(F)，定义为：发展过程可表明结构相应部位的逐渐破坏现象，可F一二堡6EI(1+u)(2)应用于判断强

4、震作用下隧道的抗震薄弱部位并了式中：一周围介质的杨氏模量；％一周围介质解其破损程度和裂纹发展过程，这是应力指标所做的泊松比；E衬砌的杨氏模量；卜衬砌的惯性矩；不到的。因此，基于刚度匹配原理，提出抗震层概念，即一衬砌的半径；一衬砌的泊松比；卜衬砌的厚度；应该指出，剪切波传播时主要引起圆形隧道的设置在隧道支护结构与围岩之间的泡沫混凝土层，其刚度介于隧道衬砌刚度与围岩刚度之间。并提椭圆变形，因此拉伸刚度对隧道动力特性的影响较小，更重要的是弯曲刚度。因此，柔性比可以用来出采用损伤指标和能量指标进行强震作用下隧道结构

5、的抗震安全评价，包括利用损伤指标反映隧道定量描述隧道衬砌与围岩之间的相对刚度。因此，基于柔性比，提出抗震层概念，即设置在抗震薄弱部位的损伤累积和渐进破坏过程。通过隧道与围岩之间的泡沫混凝土层，其刚度介于隧道有无抗震层的隧道结构抗震安全评价，考察抗震层的抗震效果。研究结果对高烈度地震区隧道的抗衬砌刚度与围岩刚度之间，如图1所示。假设围岩震设计具有借鉴作用。的刚度为k、阻尼为C、质量为m，隧道衬砌的刚度为k。、阻尼为C。、质量为。，在衬砌与围岩之间设置1隧道抗震系统力学模型刚度为k、阻尼为c、质量为z的抗减震层

6、。当kz1．1隧道系统刚度匹配原理>愚时，该层通常认为起抗震作用，此时称为抗震地震中由于隧道支护结构与围岩之间的刚度层；当k2<忌时，该层一般认为起减震作用，此时称不匹配导致隧道与围岩之间发生动力相互作用，动为减震层。这里，将刚度介于隧道刚度与围岩刚度力相互作用的强弱取决于隧道与围岩之间的相对之间的抗减震层统称为抗震层，隧道抗震系统质点刚度。根据抵抗不同变形的能力，隧道与围岩之间传力过程如图2所示。·1‘公路隧道2014年第1期(总第85期)粘性和材料阻尼)；为粘性效应耗散的能量；E为残余内能；将应变率张量

7、分解为弹性应变率张量、塑性应变率张量和蠕变应变率张量，即：一++(5)式中，、和分别表示弹性应变率张量、塑性应变率张量和蠕变应变率张量。则内能E可以表示为：)出上一：~dV)a：~dV)dr+)如营一Es+Ep+Ec(6)式中，、E尸和Ec分别表示弹性应变能、塑性上营耗散能和时间相关变形耗散能。2．2损伤指标^{{。¨如果材料发生损伤，并不是所有弹性应变能都露T磊目一耗散掉。对于任一给定时刻，引入连续损伤参数面，图2隧道抗震系统质点传力模型则无损伤应力可以表示为[：ac一(1一面)au(7)2抗震安全评价指

8、标其中，损伤变量面的取值范围为O～1。地震动对结构作用的实质是能量的输入、转化因此，弹性应变能为：和耗散的过程，能量的输入、转化和耗散是地震作Es—II(1一dJ)a"：dV)dr(8)用下结构反应的基本特征。强震作用下隧道结构进入非弹性状态，和衬砌的非弹性反应直接相关的假定卸载时损伤参数保持不变，则可恢复应变是耗散能量。因此，损伤耗能对衡量衬砌的累积损能和损伤耗散能分别为：伤具有重要意义。rfr‘一II(1一d