提高输水盾构隧道抗震性能的措施有三个:控制场地地基地震位移、提高隧道衬砌结构自身的抗震性能、降低土层(围岩)和衬砌间的相互作用。
(1)控制场地地基地震位移
控制场地基本地震位移是减小盾构隧道地震影响的最直接有效措施,即盾构隧道在规划阶段应尽可能避开受地震影响较大的地区。在各行业的抗震规范中,几乎都有对发展断裂带的避让距离要求。而针对一些无法避开的盾构隧道线路,可采用地基处理的方式对隧道周围的土体进行改良,且在计算时充分考虑土体与结构的相互作用。
(2)提高隧道衬砌结构自身的抗震性能
提高盾构隧道衬砌的抗震性能是必须考虑断面内力和位移之间的关系。对于圆形输水盾构隧道,其刚度和内力的关系为:(www.daowen.com)
从公式来看,如果为了减小断面内力,盾构隧道抵抗地震作用的方式有两种。一种是通过提高衬砌和接头刚度的形式,从而使其可以承受更高的外力。例如采用增大螺栓直径、加厚金属构件、提高接头刚度等。这样,隧道整体刚度也会变大,结果可能造成衬砌内力变大。另一种是通过提高衬砌和接头柔度的形式,使其具有更高的弹性变形能力。例如增加管片的分割数量,这样就可以采取降低隧道刚度。然而在输水隧道中,衬砌刚度降低会引起隧道位移增大,接头张开量变大,且减小的管片意味着更多的接缝防水薄弱点,在输水隧道中难以保证使用要求。因此,设计时应选取合适的管片和接头刚度,并在接缝处采取适当的防水措施,从而在充分考虑经济性和安全性基础上,选择最合理的设计方案。
(3)降低地基和衬砌之间的剪切力
按照地下结构抗震设计理论,盾构隧道在地震作用下受三方面的外力:地层位移造成的地震土压力、剪切力和自身的惯性力。其中剪切力的作用与衬砌结构外围的土体性质有很大关系。实际上,在盾构隧道施工时,开挖的土体和衬砌外壁之间会出现空隙,这个空隙由盾尾同步注浆进行填实,这个注浆层通常厚度为十几厘米,在盾构隧道有限元建模分析时,常常将盾构外围土体直接当作原状土层,而忽略了注浆材料的性能。而如果采用剪切刚度较小且具有足够压缩性能的壁后注浆材料,可以有效降低地震作用下的衬砌外围土体剪切力,从而降低地震作用对衬砌结构的影响。
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