一种纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法
【专利摘要】本发明公开了一种纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法，在隧道洞口段的二次衬砌中采用纤维混凝土形成隧道洞口段抗减震构造。纤维混凝土二次衬砌从隧道洞门沿隧道纵向50m范围内进行设置，二次衬砌采用纤维混凝土制成。本发明构造的隧道能够有效提高衬砌的抗冲击、抗疲劳、抗裂和耐久性能，可以很好的控制裂缝的开展，达到裂而不坏；能够提高衬砌的延性，降低脆性，地震响应滞后时间较长，能够有效促进应力重分配和吸收地震能量，抵抗主要地震荷载，削弱地震动力对结构的破坏；衬砌厚度变小，柔度提高，同时可以减少开挖量，能够有效提高隧道修复效率。
【专利说明】一种纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道构造方法，尤其是一种涉及纤维混凝土二次衬砌的隧道抗减震构造方法。
【背景技术】
[0002]隧道是一种埋置于地层内的地下建筑物，地震发生时，地下结构将随围岩一起运动。一般认为，围岩的振动加速度小于地面结构的加速度，围岩有足够的刚度和强度保持隧道形状不发生改变，从而认为隧道具有良好的抗减震性能。但是1995年日本阪神地震造成灾区超过10%的岭隧道发生严重破坏和1999年台湾集集7.6级大地震导致距发震断层25km范围内约25%的隧道严重受损的事实，让人们清醒的认识到地震对地下结构有着重要的影响，地下结构的震害原因和抗减震问题因此开始得到越来越多研究人员和工程技术人员的关注和研究。
[0003]查阅世界范围隧道震害历史资料可知，地震对隧道的破坏是客观存在的。1906年美国旧金山发生的8.3级大地震导致位于断裂带上的两座隧道发生严重破坏；1923年日本关东发生的8.2级大地震导致震区范围内82座铁路隧道遭到破坏或变形；1952年美国克思发生的7.7级地震导致穿越断裂带的4座铁路隧道受损严重；1983年距上海市150km以外洋面上发生的6级地震导致打浦路隧道出现多处裂缝。
[0004]地震对既有隧道造成破坏后，导致隧道洞身修复极其困难，甚至行车中断、隧道永久关闭，这将给交通出行带来严重的不便和给国民经济造成严重的损失。
[0005]我国是世界多地震国家之一，随着我国经济的快速发展，公路隧道、铁路隧道、地铁等隧道与地下结构日益增多，将有很多的隧道穿越高烈度地震区，新建隧道和既有隧道修复都将面临新的挑战。在5.12汶川地震中，新建的都汶公路共有11座隧道都不同程度受损，特别是震中区附近的烧火坪隧道、龙溪隧道、龙洞子隧道和紫坪铺隧道等；在隧道运营中，二次衬砌结构耐性也问题逐渐突出，从以往的地震破坏情况来看，隧道洞口破坏较为严重，是抗震的薄弱区，尤其是浅埋洞口段。而我国地下结构相关抗震规范方面还未提出切实有效地抗减震材料及措施，研究隧道及地下工程抗震问题显得十分紧迫和必要。
[0006]纤维混凝土是近些年发展起来的新型复合建筑材料，它具有优良的增强、增韧、阻裂、耐冲击和耐疲劳等优点，提高了工程构筑物的使用效果，取得了较好的经济效益和社会效益，国内外已广泛用于土木工程建设。采用纤维混凝土制成隧道衬砌，研究纤维混凝土衬砌与围岩的地震力作用下相互作用对隧道结构抗减震具有重大意义。
【发明内容】
[0007]鉴于现有技术的以上不足，本发明要解决的技术问题是:提供一种隧道洞口浅埋段抗减震构造，可减小地震动力对隧道洞口段的破坏，有效提高隧道的抗减震性能。
[0008]本发明的目的通过如下手段来实现。
[0009]纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法，在隧道洞口段二次衬砌中采用纤维混凝土制成隧道洞口浅埋段抗减震构造，包括如下的措施:
[0010]I)所述纤维混凝土二次衬砌从隧道洞门沿隧道纵向50m范围内进行设置，在围岩和初期支护变形基本稳定后进行施作。
[0011]2)二次衬砌采用纤维混凝土制成；采用钢纤维时纤维掺量为35?45kg/m3;采用聚丙烯腈纤维时掺量为0.9?1.2kg/m3。
[0012]3)所述纤维混凝土二次衬砌厚度介于25?45cm之间,截面厚度相等,连接处做圆顺处理。
[0013]初期支护按主要承载结构进行设计和施工，帮助围岩达到施工期间的初步稳定。二次衬砌除了要提供安全贮备和承受后期围岩压力之外，还要承受主要地震荷载作用，减小地震动力对结构的破坏，保证隧道内部的完好。
[0014]地震动力作用下，隧道与围岩之间发生的动力相互作用主要是由于隧道衬砌刚度和围岩刚度不匹配导致的，动力相互作用的强弱和隧道与围岩的相对刚度关系密切。隧道衬砌与周围土体刚度相近或相同时，隧道衬砌和围岩将可以共同变形，两者之间的作用力将大大减小，这样在地震荷载作用下，衬砌结构的附加内力也将减小。
[0015]由于普通混凝土抗拉强度低、脆性大，裂开截面上的基体不能承受任何拉力，在地震荷载作用下，其抗震性能很差。而在混凝土掺入纤维后，纤维通过粘结应力能够控制微小裂缝的进一步开展，使混凝土吸收更多的能量，对混凝土具有明显的阻裂和增强作用。
[0016]为进一步提高隧道的抗减震能力，所述二次衬砌采用纤维混凝土衬砌，并适当减小衬砌厚度，充分利用衬砌柔性优点。
[0017]本发明的有益效果是:能够有效提高衬砌的抗冲击、抗疲劳、抗裂和耐久性能，可以很好的控制裂缝的开展，达到裂而不坏；能够提高衬砌的延性，降低脆性，地震响应滞后时间较长，能够有效促进应力重分配和吸收地震能量，抵抗主要地震荷载，削弱地震动力对结构的破坏；衬砌厚度变小，柔度提高，同时可以减少开挖量，能够有效提高隧道修复效率，总体经济效益和社会效益较好。
[0018]【专利附图】
【附图说明】如下:
[0019]图1是本发明隧道洞口段抗减震构造的纵断面构造示意图。
[0020]图2是图1中A-A剖面的隧道衬砌构造横断面示意图。
[0021]图3是图1中B处的局部放大图。
[0022]图4是纤维混凝土衬砌最大弯矩图。
[0023]图5是钢筋混凝土衬砌最大弯矩图。
[0024]图6是纤维混凝土衬砌最大剪力图。
[0025]图7是钢筋混凝土衬砌最大剪力图。
[0026]图8是纤维混凝土衬砌最大轴力图。
[0027]图9是钢筋混凝土衬砌最大轴力图。
[0028]图10是模型试验衬砌横断面图(单位:cm)。
[0029]图11是纤维混凝土隧道衬砌典型部位应变随时间变化曲线图。
[0030]图12是普通混凝土隧道衬砌典型部位应变随时间变化曲线图。
[0031]图中1.洞门，2.初期支护，3.纤维混凝土二次衬砌，4.混凝土或钢筋混凝土二次衬砌，5.减震缝。[0032]图13是地层及支护结构参数表。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。
[0034]参照图1，本发明的纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造3 (即纤维混凝土二次衬砌)，设置范围为自隧道洞门I起沿隧道纵向50m。隧道洞门I根据地形实际情况，可为端墙式洞门、翼墙式洞门、台阶式洞门或柱式洞门等。隧道初期支护2通常为喷射混凝土层或钢筋混凝土层。纤维混凝土二次衬砌3在围岩和初期支护2变形基本稳定后进行施作。为阻止纵向荷载传递和不同材料间连接时因刚度差异导致的结构破坏，参照图1和图3，在纤维混凝土二次衬砌3的尽头与其对接的混凝土或钢筋混凝土二次衬砌4之间设置环向减震缝5，减震缝5的宽度为10?20mm。
[0035]纤维混凝土二次衬砌3厚度为25?45cm之间，当围岩条件较好情况下，衬砌厚度可取最小值，衬砌截面厚度相等，连接处要圆顺。纤维混凝土强度等级根据工程需要确定，掺加纤维前的混凝土配合比计算应符合现行行业标准。纤维掺量根据纤维种类而定，当采用钢纤维时纤维掺量为35?40kg/m3，当采用聚丙烯腈纤维时掺量为0.9?1.2kg/m3。纤维混凝土的拌合工序及搅拌时间:先加入骨料，再加入纤维和骨料一同搅拌I分钟，然后加入水、减水剂(如需要)、和胶凝材料一同搅拌2分钟，总计搅拌时间不小于3分钟，保证纤维分散性比较好，无结团现象。
[0036]纤维混凝土二次衬砌3的浇筑方法采用泵机将拌好的纤维混凝土泵入模板内，振捣成型。
[0037]采用数值模拟和大型振动台试验，对比纤维混凝土衬砌和普通混凝土衬砌的情况如下:
[0038]( I)钢纤维混凝土隧道衬砌抗震数值分析
[0039]根据某隧道工程实例，对比计算分析钢纤维混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌在抗震上的差异。计算模型中，圆形隧道埋深25m，洞径10m，左右边界各为50m，下边界75m，纵向长度10m。建模中利用等效刚度代换方法，采用相同刚度且均一的衬砌材料。钢纤维混凝土衬砌厚度为30cm，普通钢筋混凝土衬砌厚度取45cm。输入的地震波为校正后的ElcentiO地震波。从宏观上考虑锚杆的加固效应，在实际分析中采用在一定范围内提高围岩力学参数来模拟锚杆的作用。地层及支护结构参数如图13所示。
[0040]由计算可知，围岩塑性区主要集中在隧道拱肩和拱脚处，呈“蝶形”分布。在相同条件下，采用钢纤维混凝衬砌时围岩塑性区范围较小。在衬砌内力方面，钢纤维混凝土衬砌较薄，可以与围岩很好的共同变形，变形量较大，但内力较小；钢筋混凝土衬砌可以抵抗隧道在地震荷载作用下的变形，但是结构内力过大。地震荷载作用下，钢纤维混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌内力的对比，参见图4?图9。
[0041]钢纤维混凝土衬砌可视为一种柔性材料，可以与围岩共同变形，一起承受地震作用，既可减小厚度，又可以降低结构内力，减小围岩塑性区，减轻或避免衬砌结构的破坏。钢筋混凝土衬砌厚度大、刚度高，可视为一种弹性材料，其在地震荷载作用下变形量小，主要依靠其强度来抵抗地震动荷载，当地震动力反复作用或作用较大时容易导致结构破坏失效。
[0042]综上可知，采用纤维混凝土衬砌时，其厚度可比一般混凝土衬砌的厚度小，通过发挥柔性支护作用可以与围岩一起变形，能够较好的吸收地震能量，地震荷载作用下其强度在达到峰值后仍具有一定残留量，能够减小衬砌结构内力，减小围岩塑性区范围，具有较好的抗减震效果。
[0043](2)纤维混凝土隧道衬砌与围岩的地震动力相互作用实验
[0044]结合某实际工程隧道断面尺寸，根据几何相似原理确定模型试验中衬砌的尺寸，参见图10，模型试验衬砌厚度为1.4cm，纵向长度为80cm。衬砌基体材料水泥和河沙的质量比为1:5。同时浇筑素混凝土衬砌和纤维混凝土衬砌，其中纤维混凝土衬砌采用掺量为
1.0kg/m3的聚丙烯腈纤维，除此之外，两组衬砌其他条件完全相同。在室温养护18天后，利用某研究所三向地震模拟振动台进行隧道衬砌抗震性能试验。两隧道衬砌平行置于尺寸为
3.7mX 1.5mX 1.8m的模型箱中，箱内填满河沙，隧道轴线间距1.4m,埋深0.Sm。振动台试验输入波为汶川地震中卧龙台记录的实际地震波，其中沿垂直隧道轴线方向保持地震峰值为0.1g的加速度不变，竖直方向逐级施加地震峰值为0.lg、0.4g、0.8g、l.0g的加速度。在距衬砌端部20cm的衬砌内外表面上的仰拱、拱脚、拱腰、拱顶共8个部位环向设置应变采集点。
[0045]通过试验可知，在裂缝形态方面，素混凝土衬砌裂缝两侧基体完全断开分离，在拱腰和拱脚纵向裂缝之间有环向裂缝，所有裂缝形态基本呈直线型，断口干净整齐，裂缝挤压处有明显破碎掉块痕迹，说明素混凝土衬砌抗拉强度低、脆性大，抗震能力差；纤维混凝土衬砌裂缝呈锯齿形，裂缝处基本是一侧张开，另一侧挤压相连，在裂缝中均可看到乱向分布的纤维，挤压掉的小碎片通过纤维仍粘结在裂缝口处，说明在地震荷载作用下，搭接裂缝的纤维能够通过粘结应力继续传递应力，阻碍裂缝进一步发展。在应变方面，随着加载等级的提高，素混凝土衬砌应变值提高较快，纤维混凝土衬砌应变在后两级加载过程中变化较平缓，并且相同部位其应变值较素混凝土衬砌的应变值普遍较小，参照图11和图12 ;在第四级加载(竖向地震加速度峰值为Ig)作用下t=16.065s时台面竖直方向加速度达最大值,台面振动频率为4.18Hz，此时素混凝土衬砌振动响应频率为3.658Hz，纤维混凝土衬砌振动响应频率为3.681Hz，纤维混凝土衬砌振动响应比素混凝土衬砌振动响应滞后0.04s，说明在地震荷载作用下，纤维对控制混凝土基体微小变形具有一定约束作用，能够有更长时间促进应力重分布，能够吸收更多能量，减小应变幅值，反应滞后，降低了地震动力对结构的破坏程度。
【权利要求】
1.纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法，在隧道洞口段二次衬砌中采用纤维混凝土形成隧道洞口段抗减震构造，包括如下的措施: 1)所述纤维混凝土二次衬砌从隧道洞门沿隧道纵向50m范围内进行设置，在围岩和初期支护变形基本稳定后进行施作； 2)二次衬砌采用纤维混凝土制成:采用钢纤维时纤维掺量为35?45kg/m3;采用聚丙烯腈纤维时纤维掺量为0.9?1.2kg/m3; 3)所述纤维混凝土二次衬砌厚度介于25?45cm之间，截面厚度相等，连接处做圆顺处理。
2.根据权利要求1所述之纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法，其特征在于，所述在纤维混凝土二次衬砌的尽头与与其对接的混凝土或钢筋混凝土二次衬砌之间设置环向减震缝，减震缝的宽度为10?20mm。
3.根据权利要求1所述之纤维混凝土二次衬砌隧道抗减震构造方法，其特征在于，所述隧道洞门根据地形实际情况，可为端墙式洞门、翼墙式洞门、台阶式洞门或柱式洞门。
【文档编号】E21D11/00GK103527212SQ201310545748
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】周佳媚, 蒙国往, 严启, 王英学, 胡瑶瑶, 冯天炜, 常效境 申请人:西南交通大学