关键词:
隧道通风竖井
软弱夹层
地震响应
数值模拟
减震措施
摘要:
随着我国公路隧道建设的大规模推进至西部地区,面临的复杂地质条件日益增多,公路隧道结构经常不得不与软弱夹层相交。作为长大公路隧道不可或缺的组成部分,通风竖井在穿越软弱夹层地带时面临的挑战尤为严峻。软弱夹层的不利地质条件极大地增加了地震来临时通风竖井遭受损害的风险,直接威胁到人们的生命财产安全。针对这一问题,本研究以某实际工程中一个穿越软弱夹层的公路隧道通风竖井工程为例,通过数值模拟方法,深入探究了软弱夹层对通风竖井抗震性能的影响规律以及有效的减震措施。研究工作具体包括:
(1)采用ANSYS有限元软件并利用时程分析法对穿越软弱夹层的隧道通风竖井在地震作用下的响应进行了数值模拟分析。通过比较存在与不存在软弱夹层条件下的通风竖井地震响应,本文深入探讨了软弱夹层对通风竖井地震响应影响的具体规律。研究发现,软弱夹层总体上会放大通风竖井的地震响应,改变衬砌的最大位移及最大应力出现的位置。此外,软弱夹层的存在对通风竖井地震响应的影响存在特定范围,该范围内的响应变化更加剧烈;
(2)通过建立多个动力分析数值模型,深入探讨了影响穿软弱夹层通风竖井地震动力响应的关键因素:软弱夹层的弹性模量、厚度及其相对位置。研究结果揭示,增加软弱夹层的厚度或降低其弹性模量均会导致通风竖井地震响应的显著增强,尤其是在软弱夹层附近。此外,软弱夹层的位置不同,对公路隧道通风竖井的地震反应影响各异。当软弱夹层位于相对较浅的地下深度时,其主要影响通风竖井距离地表较近部分的位移响应,导致竖井位移峰值增大:当软弱夹层位于更深的地方时,其主要影响通风竖井的应力响应,导致竖井应力峰值明显增大;
(3)以通风竖井与联络风道连接处为研究对象,通过对模型进行动力时程分析,揭示了此类交叉结构的地震响应规律,得出了结构薄弱位置。研究表明,矩形剖面边长中点以及联络风道的拱脚附近应力集中明显,这些区域对结构的抗震安全构成了严重威胁,因此在设计和建设阶段需予以充分重视;
(4)通过比较不同结构刚度、衬砌厚度以及注浆层厚度对穿越软弱夹层通风竖井地震响应的影响,探究了减少软弱夹层震害的有效措施。研究发现,相较于增加衬砌厚度和提高结构刚度,对围岩进行注浆加固是一种更为有效的抗震方法,且注浆范围越广减震效果越显著。