雙連拱隧道洞口段動(dòng)力響應(yīng)研究★

王正松 高 波

2008年“5?12”汶川大地震中，城鎮(zhèn)道路交通設(shè)施損毀嚴(yán)重。據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，四川、甘肅、陜西、重慶、云南、湖北、河南等省市，因地震受損的高速公路 19條，國道、省道干線公路 159條，農(nóng)村公路 7 605條，道路累計(jì)長度 53 288 km;受損的橋梁 5 560座，隧道 110座，直接經(jīng)濟(jì)損失653.06億元[1]。

已有資料及實(shí)例表明，強(qiáng)烈地震對隧道及地下工程會(huì)產(chǎn)生重大影響，一旦隧道破損，修復(fù)非常困難，特別是對一些重要線路上的長大隧道，因地震破壞而造成停運(yùn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過隧道本身的修復(fù)費(fèi)用[2-5];隧道洞口是整個(gè)隧道抗震設(shè)防的薄弱環(huán)節(jié)。因此，對隧道洞口段地震動(dòng)力響應(yīng)研究是十分必要的。

1 模型建立及數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型建立及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)雅瀘高速公路某雙連拱隧道洞口的地形及地質(zhì)條件，并考慮到動(dòng)力計(jì)算的邊界效應(yīng)問題，洞口模擬水平方向選取 130m;縱向沿隧道洞軸線方向則選取50m，頂部按照實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行適當(dāng)簡化模擬。隧道模型見圖 1，圍巖參數(shù)見表 1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

1.2 邊界條件

以有限區(qū)域來模擬無限區(qū)域的動(dòng)力計(jì)算必須考慮邊界上波的傳播效應(yīng)，應(yīng)不使波在邊界上發(fā)生反射再返回到計(jì)算域中，因此，在計(jì)算中采用黏性邊界，該邊界在FLAC3D模型中被稱之為free-field boundary。具體方法為:在邊界之外一微小距離設(shè)立與域內(nèi)網(wǎng)格相同的單元以模擬無限域，該單元與域內(nèi)外邊界單元之間以彈性及黏性元件相連，以便吸收邊界的反射能量。

1.3 地震波的選用

本文采用根據(jù)場地條件合成的超越概率為 2%的人工地震波，其峰值加速度約為4.37m/s2，出現(xiàn)時(shí)刻為6.46 s。由于該地震波能量主要集中在前15 s，故本文采用該地震波前 15 s進(jìn)行計(jì)算[6]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 位移、速度及加速度結(jié)果及分析

從圖 1～圖 4，表 2可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)襯砌最大絕對位移為-96.48 cm，發(fā)生在右線洞口拱頂處;隧道的拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小，同一橫斷面上絕對位移相差很小，見表 2。

表2 位移峰值表 cm

2)在地震作用下的圍巖的位移響應(yīng)呈水平層狀分布，隨著高程的增大，位移的響應(yīng)增強(qiáng)，地表的位移響應(yīng)最大;在相同的高程下，位移地震動(dòng)力響應(yīng)量值是基本相同的;隧道結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)與同一高程處的圍巖位移響應(yīng)基本相同，隧道結(jié)構(gòu)的存在對圍巖的位移響應(yīng)影響很小，見圖 1。

3)洞口處位移峰值最大，隨著距洞口距離增大，位移峰值減小。在同一個(gè)橫斷面上拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小，見圖2。

4)隧道襯砌各監(jiān)測點(diǎn)的位移時(shí)程曲線形式基本相同，與施加地震波的位移時(shí)程曲線在形式上較為接近，可見，隧道的存在并不會(huì)改變地震波入射的頻譜特性。

5)從監(jiān)測地表三點(diǎn)的加速度、速度時(shí)程曲線圖可以看出，三點(diǎn)的加速度、速度絕對值大小關(guān)系為:aP1＞aP2＞aP3，vP1＞vP2＞vP3(見圖3，圖 4)。這表明地表的加速度、速度響應(yīng)放大效應(yīng)是很明顯的，P1，P2，P3位置見圖1。

2.2 內(nèi)力結(jié)果及分析

左右線隧道襯砌彎矩、軸力、剪力峰值計(jì)算結(jié)果見表 3。

表3 內(nèi)力峰值表

內(nèi)力峰值沿縱向變化系 15 s內(nèi)各斷面監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)力值最大值，從圖 1～圖 4，表1～表3可得到:

1)襯砌內(nèi)力峰值(彎矩、軸力、剪力)發(fā)生在洞口處，在距洞口30m內(nèi)，內(nèi)力峰值隨著距洞口的距離增加而減小，特別是在距洞口10m內(nèi)減小幅度很大;在距洞口30m外，內(nèi)力峰值隨著距洞口的距離增加基本變化很小，趨于穩(wěn)定;2)隧道襯砌彎矩峰值發(fā)生在洞口處墻腳，軸力峰值發(fā)生在洞口處墻腳，剪力峰值發(fā)生在洞口處拱腰;并且左右線隧道同一斷面最大的內(nèi)力峰值發(fā)生在靠近中墻一側(cè)。在地震發(fā)生時(shí)隧道周圍的巖土體主要是受拉破壞，只有很少一部分是受剪破壞，隧道洞口上部的仰坡主要是受拉破壞。

3 結(jié)論及建議

基于以上計(jì)算研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論(見圖 5～圖 7)。

1)洞口處位移峰值最大，隨著距洞口距離增大，位移峰值減小。在同一個(gè)橫斷面上拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小;2)襯砌的內(nèi)力峰值(彎矩、軸力、剪力)發(fā)生在洞口處，在距洞口 30m內(nèi)，內(nèi)力峰值隨著距洞口的距離增加而減小，特別是在距洞口 10m內(nèi)減小幅度很大;3)左右線隧道彎矩峰值發(fā)生在墻腳和仰拱，隧道軸力峰值發(fā)生在墻腳和拱肩，隧道剪力峰值發(fā)生在墻腳和拱腰;4)隧道周圍的巖土體主要是受拉破壞，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)隧道洞口上部的仰坡，特別是強(qiáng)風(fēng)化巖石及土體。

在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分重視隧道仰拱、拱肩及墻腳等抗震薄弱環(huán)節(jié)，防止仰拱產(chǎn)生過大的變形，以及在墻腳、拱肩處產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。在隧道施工中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到圍巖對隧道抗震的重要性，盡量采用機(jī)械開挖，盡量少擾動(dòng)圍巖，愛護(hù)圍巖，保護(hù)圍巖，使圍巖與結(jié)構(gòu)共同作用，減輕結(jié)構(gòu)的損害。

[1] 李建民.“5.12”汶川地震災(zāi)區(qū)橋梁典型損毀情況與原因淺析[J].城市道橋與防洪，2008(8):26-27.

[2] 王明年.高地震區(qū)地下結(jié)構(gòu)減震技術(shù)原理的研究[D].成都:西南交通大學(xué)博士論文，1999.

[3] 王志杰.地震區(qū)隧道洞口段減震模式研究[D].成都:西南交通大學(xué)碩士論文，1996.

[4] 王義軍.國道318線黃草坪隧道地震動(dòng)力響應(yīng)及減震措施研究[D].成都:成都理工大學(xué)碩士論文，2005.

[5] 潘昌實(shí).隧道及地下結(jié)構(gòu)物抗震問題的研究概況[J].世界隧道，1996(5):7-16.

[6] 沈聚敏，周錫元.抗震工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.