关于隧道加固设计的分析

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摘要：本文作者结合盾构法施工原理，介绍了盾构法在隧道设计建设中的应用。

关键词：隧道；加固设计；分析

中图分类号：TU2文献标识码：A 文章编号：

隧道是公路建设中一个重要的组成部分，既然避免不了就要保证设计的科学和施工质量的优质。虽然隧道的抗震效果比地面结构要强，但是设计施工质量也明显低于地面工程。认真应对公路隧道受地震严重破坏的预期，制动科学有效的设计方案，保证隧道抗震加固的效果。高烈度地震对公路、铁路、隧道、桥梁、通讯、供水等设施都会造成巨大的破坏，对高烈度地震区的公路隧道开展抗、减震的研究正逐渐得到人们的关注。根据四川汶川5•12特大地震的震害调查结果分析报道,道路工程中遭受地震破坏最严重的是路基,其次为桥梁,隧道最轻。地震对隧道工程的破坏包括衬砌成片剥落掉块,洞体横向剪断,纵向错动或剪切裂缝,边墙上斜裂缝与竖向裂缝,衬砌内鼓、开裂、拱顶外翘、衬砌压碎、剥落,洞口衬砌裂损、洞口高边坡坍塌等。如果隧道所处地区地质情况较差，又是地震高发区，那么由于隧道出口为浅埋，就极其容易出现坍塌现象。所以必须对高地震区的隧道设计进行研究。

1 盾构隧道抗震计算方法

抗震设计是需要进行科学的计算。近年来，隧道的设计施工技术普遍应用了复杂的横截面和大尺寸横截面的盾构技术，要求在横截面部位进行抗震设计已经成为惯例。但是在实际建设中，盾构隧道和周边土体之间的动力相互作用是很复杂和不确定的，盾构隧道横向上抗震设计方法目前还没有特别成熟的经验，许多工程师和研究人员一直致力于此项技术的研究。由于分析结果复杂，成熟的、适用的抗震设计方法还没有形成，处于研究阶段。隧道的地震变形方法是一种静力分析方法的体现。在静力分析方法中，人们把自由土体反应位移认定为施加在隧道结构上的地震荷载因素。最近一个时期，有人把此方法当作盾构隧道纵向抗震设计的适用方法。目前，我国在隧道纵向抗震分析中，设计使用方法一般有以下几种：

1.1 震度法。该种方法是将地震对隧道的影响看作隧道产生的惯性力，把这个惯性力作为外力增加为隧道的荷载，以静力计算法获取隧道的内力、位移等响应值，从而判断其安全性；

1.2 响应位移法。响应位移法认为地震时，结构的加速度及变形是因为周围地层的响应而产生的，隧道作为一种结构物与地层形成一个整体一起运动，从而使结构产生动应力和动应变，由于不同深度、位置处的地层位置，所产生的运动与位移是不同的，使结构物在相应深度处被迫产生不同的位移和运动，结构物在此情况下承受由强制变形产生的应力与应变；

1.3 动力反应分析法，隧道作为一种地下结构物，在其纵向分析中一般用的最多的是质量弹簧模型法，其主要原理为：假定基岩上的表面地层作剪切振动，我们把表面地层看做被分成多数垂直于隧道轴线的条带分割，每个条带用等效质量一弹簧系统(一个质量、一个弹簧和一个把质量与基岩相连的减振器组成)代表，再把相邻的两个质量用弹簧和减振器连接后形成一个系统，建立该系统的运动方程后，计算出每个质量处的位移情况，然后按弹性地基梁理论计算隧道的位移和内力的具体数据。

上述三种方法中，都有各自的弊端，第一种方法就是普遍应用的传统结构抗震分析方法，这样计算是不能反映出地下结构本身所具有的特点，后面两种方法是人们针对地下结构本身固有的地震反应特点而探索出来的，这两种方法考虑了结构与土层的相互作用问题，可对结构本身反应的计算方法仍然是利用静力的弹性地基梁理论进行的，所以对相互作用过程中的土的粘性阻尼的影响考虑显得缺乏。

2 盾构隧道抗震措施的分析

采用盾构法的隧道建设中，从目前业内人士的研究状况看所采用的抗震措施，主要有以下几个方面：

2.1 对于衬砌位移的处理措施，衬砌最大位移差越大，则相对衬砌产生的应力就越大。所以设计中应该注意减小衬砌的最大位移差，这样隧道衬砌承受的应力会相应的减小；

2.2 减震的措施，隧道的减震设计中，减震层的弹性模量与围岩弹性模量的差直接关系到减震效果，但在实际地下结构中，设计师要考虑隧道在静力作用下的荷载及变形情况，还要考虑减震层的刚度下限。对于软质围岩，如果设置减震层，其效果不明显，但是如果设置加固层的减震，那么所产生的效果就非常明显了；在硬质围岩层面，设置减震层后，减震效果明显提高，而设置加固层的减震效果有所减弱，施工时要保证注浆密实并且浇筑范围要大些一些，其减震效果也就能够非常好 。

3 提高隧道抗震能力的措施

3.1 选好地基

选择一个最佳的建设位置，将隧道工程尽量建于均匀、稳定的地基中，避开断层，远离山坡坡面，绕开山坡不稳定地段以及饱和砂土地基，以便能够减少地震液化情况；

3.2 勘测过程中尽量选取埋深较大的线形，使道路走向远离风化岩层区；

3.3 设计区间隧道转角处的交角不可以太小，否则对抗震不利，应加强隧道出入口处的抗震设计及施工；

3.4 如果施工实际情况允许，施工过程中尽量采用暗挖法；

3.5 施工中尽量减少土体不连续性对抗震能力的影响，如果施工区内的土壤与岩石上或土体内有岩石隆起部位，施工中应在开挖范围内用土或集料进行回填处理，以消除地基硬点的影响，避免或减少破坏发生率；

3.6 设计采用抗震缝，也可以增加隧道管段间的柔性接头等措施，从而实现降低隧道整体区间长度的目标；

3.7 提高施工质量，严格按设计规范施工，增加土体与隧道衬砌间的稳定性和牢固性。

4 盾构隧道抗震加固措施

对于公路施工的线性，是人们无法控制的，尤其是不能因为地震区就不修路，所以加固隧道，保证公路的使用寿命，就要采取科学的措施。上文已经对隧道的震害特点和抗震措施进行了分析，具体可从以下几方面实施：

4.1 关于选择隧道位置，设计时应尽量选择山坡稳定、地质条件较好的位置开挖，避免使隧道穿越不稳定断层地区。

4.2 隧道的洞口必须避开容易发生滑坡、岩堆和泥石流的地段，这样在一定程度上可以减少地震对公路的破坏。

4.3 如果隧道经过地带是浅埋、偏压以及破碎带等不良地段时，设计施工方案可以在其衬砌背后进行压注水泥砂浆的办法进行加固处理。充分利用地下结构比地面结构抗震效果好的优势，借助先进的技术，对公路隧道受地震严重破坏的预测要缜密，找出容易被破坏的原因，进行有针对性的加固处理。

5 结束语

随着科技的飞速发展，以及国民经济发展所需的基础设施建设投入的增加，地下空间开发和地下结构建设规模正在日益扩展，充分利用地下资源是未来城市及交通发展的趋势。地下结构的抗震设计及其安全性评价是隧道施工中的一项重要内容，加强这方面的研究具有非常重大的意义。目前我国有上千座铁路、公路隧道都处在西部强震地带，这一情况可以促进隧道震害的研究工作，并且可以准确地为抗震加固提供科学的数据资料。对于公路建设的选址和隧道设计、施工的开展都显得特别重要，保证隧道工程抗震稳定性，提高设计施工质量，既是对国家财政资金负责，也是对企业的市场信誉负责。

参考文献：

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