软弱围岩隧道抗震设防措施

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3.1 软弱围岩的抗震
软弱围岩具有自稳能力较差、 易发生大变形的 特点, 而大变形正是造成隧道衬砌结构发生严重震 害的直接原因,为此应减小软弱围岩的地震位移。在 工程应用中, 一般采用加固围岩的方法来改善围岩 的物理力学性能, 提高围岩的整体稳定性和自承能 力, 以减小软弱围岩的位移。 比较常用的围岩加固 措施有径向系统锚杆(锚管)和周边围岩注浆。 由于 径向系统锚杆(锚管)和周边围岩注浆措施可根据工 程需要采用较大的围岩加固厚度, 因此可作为软弱 围岩的抗震加固措施。
岩隧道震害机理和抗震设防措施的分析表明:锚杆(锚管)和围岩注浆加固措施能提高软弱围岩的抗震性;合理的结
构 刚 度 、高 性 能 的 建 筑 材 料 和 高 阻 尼 结 构 能 改 善 衬 砌 结 构 适 应 地 震 位 移 的 能 力 ;减 震 层 、抗 震 缝 和 预 留 错 台 能 减 轻
震害影响。
和参考价值。
2 软弱围岩隧道的震害机理
2.1 围岩位移对隧道震害的影响
围岩对衬砌结构的变形具有约束作用, 使得衬 砌结构具有较好的抗震性能。 衬砌结构的动力响应 很大程度上依赖于围岩, 所产生的附加应力和变形 主要是由围岩的相对位移引起的 。 [1~7] 造成隧道震害 的地震作用有两种: 第一种是地震作用引起的围岩 位移; 第二种是地震作用在衬砌结构中产生的惯性 力,而往往是围岩位移对隧道震害的影 响较大 。 [1,7~9] 因此,围岩位移对隧道震害起到了控制性的作用。
第 48 卷第 6 期(总第 341 期) 2011 年 12 月出版
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Vol . 48 , No . 6 , Total . No . 341 Dec . 2011
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
软弱围岩隧道抗震设防措施
形,进而引发震害。 (3) 与硬岩相比,软弱围岩的结构松散、自稳能
4.1 减震层
在围岩和衬砌结构之间设减震层, 可减小衬砌 结构的地震响应。 软弱围岩隧道的衬砌结构型式为 “初期支护+防水层+二次衬砌”。 围岩和初期支护是 一个统一的联合整体, 二者之间始终保持着紧密接 触, 要在围岩和衬砌结构之间设减震层几乎难以在 工程中实现。
初期支护为柔性结构,具有较好的变形能力,对 围岩地震位移的适应性较好,无需减震层的保护。二 次衬砌为刚性结构,其变形能力较差,是减震层的重 点保护对象。 因此,可结合隧道工程的结构特点,在 初期支护和防水层之间设置减震层,形成“围岩+初 期支护+减震层+防水层+二次衬砌” 的抗震减震系 统。
(3) 高强度和高阻尼结构 高强度和高阻尼结构具有较高的承载能力和消 耗能量的能力,可抵抗和减轻地震反应,是较好的抗 震结构。 如钢纤维混凝土结构就拥有较好的延性和 柔韧性,其抗折和抗拉性能也比较高。 因此,隧道衬 砌结构可采用钢纤维喷混凝土, 以增强衬砌结构的 强度、延性和韧性,使结构具有较好的适应围岩地震 位移的能力。
4 软弱围岩隧道的减震措施
3.2 衬砌结构的抗震
(1) 合理的结构刚度 根据现行相关抗震规范的要求, 软弱围岩段的 衬砌结构应予以加强。 因此, 我国隧道衬砌结构的 抗震措施主要是提高衬砌结构的刚度。实际上,隧道 结构的刚度要能够适应围岩的变形, 以减小结构的 地震响应。衬砌结构的刚度太大,因变形能力较低可 能难以适应围岩的地震位移;刚度太小,又可能不满 足结构强度要求。因此,结构刚度过大或过小均不利 于衬砌结构的抗震, 比较合理的结构刚度应该是结 构能够与围岩协调变形。 一般来说,薄层结构的刚度较小,能够较好地适 应围岩的地震位移,但其强度可能不足。 为此,可考 虑在混凝土结构中添加钢纤维或增设钢筋, 形成薄 层钢纤维混凝土或钢筋混凝土结构。 (2) 高性能建筑材料和合理结构形式 一般情况下,与结构强度有关的因素主要有:结 构尺寸、材料性能和结构形式。 因此,提高衬砌结构 的强度有三种方法: ① 加大结构几何尺寸, 可得到较高的强度,但 结构刚度一般也会随之增大。 ② 采用高性能建筑材料,比如采用高强度喷混 凝土、高锚固力锚杆(锚管)、高强度钢支撑等,可使 结构强度得到提高。随着材料性能的提高,结构尺寸 也随之减小,可保持结构具有合适刚度。
关键词 软弱围岩 隧道 震害机理 抗震措施 减震措施
中 图 分 类 号 :U452.2+8
文 献 标 识 码 :A
1前言
我 国 “512”汶 川 大 地 震 隧 道 震 害 表 明 : [1~6] 在 总 体上隧道震害相对于地面结构来说堪称轻微; 硬岩 隧道的震害较轻, 软弱围岩隧道的震害明显比硬岩 隧道严重,尤其是在隧道围岩发生较大变化地段,如 在浅埋偏压段、断层破碎带、节理密集带或松散堆积 体地段等;隧道震害特征主要表现为:衬砌结构出现 环向、纵向和斜向的裂缝,以及环向错台、钢筋扭曲、 局部掉块或垮塌;洞内路面出现开裂,仰拱出现隆起 等。由此可见,隧道结构的抗震设防应该将软弱围岩 隧道作为重点设防对象。 我国目前的软弱围岩隧道 的抗震设防的设计方法也值得深思, 有必要完善软 弱围岩隧道的抗震设防措施。
力较差,在地震作用下,围岩的压力平衡可能会遭到 破坏,围岩的松弛范围可能会扩大,从而造成围岩的 松弛压力增大, 使衬砌产生过大的应力和变形而发 生震害。
(4) 软弱围岩对衬砌结构的变形约束能力比较 小,在地震作用下,衬砌结构可能难以承受过大的地 震作用而发生震害。
(5) 在软弱围岩 中,比较容易 发生施工塌 方等 质量事故,施工塌方会造成围岩的过分扰动,从而降 低围岩抗震能力, 如果事故处理不当, 容易引发震 害。
设置减震层的目的是通过减震层的减震作用使 围岩的变形难以传到隧道衬砌结构上。因此,减震层 的刚度必须比附近围岩的刚度要小, 而且要具有较 高阻尼的特性, 以便能够吸收和消耗围岩地震变形 和地震能量,达到减轻隧道震害的效果。减震层还必 需满足隧道结构承受平时静力作用和地震动力作用 的工作要求。
4.2 抗震缝
隧道工程是一种相对细长的地下结构物, 隧道 沿线的地质情况各异,软岩和硬岩的分布不均匀,在 地震作用下,易发生过大的相对位移。有必要在易发
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(2) 软弱围岩的结构破碎, 结构的不均匀性和 离散性较大,在地震作用下,软弱围岩可能会发生过 大的位移, 隧道结构因追随围岩位移而发生较大变
修改稿返回日期: 2011-06-28 作者简介: 陈七林(1966-),男,高级工程师,副总工程师,从事隧道及地下铁道等地下工程的勘察设计研究工作,E-mail:cwc667400@163.com.
2.2 软弱围岩隧道的震害成因
(1) 隧道衬砌结构具有追随地震时围岩位移的 特征,其表现在硬岩和软岩中是不一样的。在地震作 用下,软弱围 岩 发 生 的 位 移 比 硬 岩 的 位 移 要 大 。 [9~10] 地震作用可能会使软岩和硬岩之间发生较大的相对 位移,使衬砌产生过大的应力和变形,从而出现开裂 或错台。
(2) 锚杆(锚管)加固 在软弱围岩隧道中, 系统锚杆是常用的支护手 段。作为围岩的抗震加固措施,锚杆的长度应该根据 围岩的松弛范围适当加长,以扩大围岩的加固厚度, 杆体也可以采用锚管, 以便通过锚管进行围岩的注 浆加固。通过调整锚杆(锚管)的长度和间距,以及与 喷混凝土、钢支撑的联合作用,可以将一些不连续的 块状岩石联系在一起, 形成由围岩和支护结构共同 组成的联合支护体系, 以提高围岩和支护结构的整 体稳定性和承载能力。 锚杆(锚管)加固可与围岩注 浆加固组合使用, 可进一步提高软弱围岩的自稳能 力 或 抗 震 性 能[10,14]。 由于软岩和硬岩的抗变形能力相差较大, 地震 时在软硬岩交界处易发生较大的相对位移而引发震 害,其震害机理详见图 1。 为此,可在软硬岩交界附 近的一定范围内设置围岩加固过渡段, 其加固厚度 可采用从软岩到硬岩沿纵向逐步加厚, 采用的加固 强度也可以从软岩到硬岩逐步增强, 以实现围岩的 刚度和地震时的相对位移从软岩到硬岩的渐变过 渡,达到减轻衬砌结构的开裂或错台等震害的目的, 详见图 2。
(1) 周边围岩注浆加固 在工程应用中, 围岩注浆一般是作为超前预加 固措施用在富水或自稳能力较差的软弱围岩地段, 其技术比较成熟。 而作为提高围岩抗震性能的加固 措施, 围岩注浆可在初期支护施工完成后进行。 通 过向初期支护背后进行径向注浆, 在衬砌结构外围 形成强度较高、稳定性较好的“结石体”加固圈;同时
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可确保初期支护与围岩比较全面的牢固密贴, 使围 岩和初期支护形成一个统一的整体, 以提高围岩和 支护结构的整体稳定性和自承能力。因此,采用围岩 注浆加固措施能够减小衬砌结构的地震响应, 起到 减 轻 震 害 的 作 用 [10~14]。
3 软弱围岩隧道的抗震措施
隧道工程是由围岩和衬砌结构组成的整体,围 岩是隧道结构的主体, 这是隧道结构区别于地面结 构的显著特征。在现行相关规范中,隧道结构的抗震 一般只是考虑衬砌结构自身的抗震, 而对围岩的抗 震并未作出实质性的要求。实际上,隧道结构的抗震 需要考虑两个方面:一方面是围岩的抗震,即围岩在 地震作用下具有较好的稳定性和自承能力, 在地震 作用下的位移比较小;另一方面是衬砌结构的抗震, 即衬砌结构在强度和刚度方面对围岩的地震位移具 有良好的适应性和协调性。
软弱围岩隧道抗震设防措施 文 章 编 号 :1009-6582(2011)06-0001-05
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软弱围岩隧道抗震设防措施
陈七林
(福州市规划设计研究院,福州 350003)
摘 要 隧道的抗震设防一直只注重结构的强度,而忽视了结构的变形能力和软弱围岩的抗震能力。 对软弱围
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软弱围岩隧道抗震设防措施
生过大相对位移的地段,如在软硬岩分界处、明暗隧 道分界处、深浅埋隧道分界处、隧道结构突变处等, 设置诱导变形的环向抗震缝, 以减轻结构开裂或错 台等震害,环向抗震缝可设置多条。
4.3 预留错台
在软硬岩分界处、明暗隧道分界处、深浅埋隧道 分界处、隧道结构突变处等地段易发生错台震害,除 了设置抗震缝外,还需要预留错台,即在抗震缝的软 岩侧或易发生较大位移的一侧适当扩大隧道净空的 高度和宽度, 以便发生错台时衬砌结构不至于侵入 建筑限界以内而影响隧道的使用。
图 1 软硬岩分界处震害机理 Fig.1 Earthquake damage mechanism in the boundary
between hard rock and soft rock
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图 2 软硬岩分界处围岩抗震加固 Fig.2 Aseismatic reinforcement of the rock mass in the
现阶段, 我国关于隧道结构抗震设防的研究比 较少见,而且大多仅限于理论研究,在工程应用技术 方面的研究非常少。 我国现在还没有制订专门的隧 道结构的抗震设计规范,在现有的行业规范中,关于 隧道结构的抗震设防措施的规定比较简单, 隧道结 构的抗震设计方法有待进一步的探讨和完善。 本文 主要结合软弱围岩隧道的特点, 分析软弱围岩隧道 的震害机理, 提出了软弱围岩和衬砌结构抗震减震 设防措施, 对软岩隧道抗震设防设计具有一定应用
boundary between hard rock and soft rock
③ 采用合理的结构形式,可提高衬砌结构的承 载能力,同时又具有合适的刚度。如采用仰拱和曲边 墙的隧道结构就具有较好的承载能力和变形能力。
加大结构尺寸是我国目前隧道抗震设计所采用 的方法,值得进一步探讨。采用高性能的建筑材料和 合理的结构形式, 可满足衬砌结构的强度和刚度要 求 ,也 是 符 合 隧 道 技 术 发 展 要 求 的 [15]。
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