隧洞抗震理論發(fā)展簡介

李世慧 李帥 溫淼

大連市市政設計研究院有限責任公司 遼寧大連 116000

1 地震對隧洞影響及震害成因

隨著世界經濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加速，擁擠的交通成為一個社會問題。為了緩解地面交通的壓力，人們開始尋找新的交通模式，各大城市投入地下隧道交通的興建當中。過去隧洞在受地震破壞的記錄比較少，人們普遍認為隧洞及其它地下結構的抗震性比較優(yōu)越。近年來隧洞受地震破壞的事例逐漸增多，使人們愈發(fā)重視地下結構的地震性能。

隧洞的震害原因主要有三類：（1）動力相互作用；（2）斷層運動；（3）周圍的土體破壞。地震對隧洞結構會產生不容忽視的影響。以前由于經濟條件等一系列因素的限制，對隧洞震害的認識水平很局限，導致設計水平很落后，所以對隧洞等地下結構進行深入細致的抗震分析研究具有重要的意義。

2 地下結構抗震研究方法

地下結構抗震研究有原型觀測、模型實驗和理論分析。

2.1 原型觀測

原型觀測法是通過對地下結構如隧道等在地震時進行實測，以分析其結構的動力響應。由于地震后土體與結構物的變形是一個場的概念，而模型試驗卻很難模擬這一點。因此，原型觀測在隧洞抗震分析中占有重要的地位。它主要包括震害調查和現場試驗兩大類。

2.2 模型實驗

模型試驗作為一種實驗技術，可以對理論計算模型的合理性進行驗證，也可以對土—結構動力相互作用的機制進行分析研究。通常來講，模型試驗是通過激震實驗來對地下結構的響應特性進行分析探討。模型試驗可以分為人工震源實驗和振動臺實驗。

2.3 理論分析

理論分析的主要基礎是波動理論和有限元方法。地下隧道結構的震害、動力反應及結構自身（縱向尺寸遠大于橫向尺寸）特點決定了其抗震分析方法的特點。方法大致可分為兩大類：一類為波動法，即將地下結構視為無限線彈性（或彈塑性）介質中孔洞的加固區(qū)，求解其波動場和應力場；另一類為相互作用法，即以求解結構運動方程為基礎，將土介質的作用等效為彈簧和阻尼。

3 抗震分析已取得成果

在地震中襯砌的開裂是最常發(fā)生的現象，常見的破壞形式有橫向破壞、環(huán)向破壞以及斜向破壞，若斜向破壞還進一步發(fā)展，還可能導致底板破壞和環(huán)向破壞。在結構支護過程中襯砌的作用至關重要，國內許多學者利用不同的分析方法，綜合各種因素來分析研究襯砌在地震荷載作用下的反應。

潘昌實[1]在二維隧洞地震反應分析中分別運用質量彈簧模型法和有限元法，將帝國谷加速度南北分量作為基面的輸入加速度，詳盡的分析了不同的邊界條件、基面深度、阻尼比和不同的地震激振方向等，得出隧洞襯砌的內力分布以及各種因素對襯砌的影響。

林志等[2]在廣泛總結國內外關于地下工程結構抗震設計文獻的基礎上，從多自由度體系的動力平衡微分方程出發(fā)，采用時程分析法，計算盾構區(qū)間隧洞襯砌結構在地震作用下的反應。通過自由場振動臺模型試驗，總結了土體的等效線性動力計算模型-Davidenkov模型，將試驗結果、計算結果與有限元結果進行了對比，較好的模擬了地下鐵道的地震響應。

高峰，關寶樹[3]比較了粘彈性邊界、粘性邊界及固定邊界的精度，在地震荷載作用下，對隧洞結構在不同的邊界情況下分別用振動方法和波動方法進行了分析，得出無限地基對隧洞在地震荷載作用下的影響和隧洞襯砌的薄弱環(huán)節(jié)，并以此作為隧洞襯砌優(yōu)化的設計依據。

孫海濤，徐迎伍[4]將動力有限元—雙漸進多向透射邊界方法運用到軟土地層中盾構隧洞的地震反應中，分別分析了隧洞在不同洞體埋深，不同洞徑大小以及不同襯砌彈性模量的條件下，盾構隧洞的地震響應。

李泳伸[5]利用ANSYS數值分析軟件，在對鷓鴣山隧洞基本資料的分析的基礎上，對多種不同圍巖—隧洞結構體系的相互作用原理進行了瞬態(tài)動力學分析，并將隧洞在水平荷載作用下，不同地震基本烈度、不同襯砌厚度、隧洞斷面面積發(fā)生變化等情況下的動力反應進行了對比分析。

從上述文章可以看出，目前數值分析的方法已成為國內外地下結構的理論分析的主要研究方法，常用的有擬靜力法（用于淺埋隧洞抗震分析），有限元和無限元耦合的分析方法，通過選用不同的骨架曲線來模擬土體本構關系，選用不同的單元模擬土與結構接觸面上的非線性特性。在具體工程問題中數值分析方法也有相應的運用。

4 抗震分析存在的問題

（1）巖體內部物理、力學機制要加深理解，建立更加準確的物理模型。

（2）由于地下結構的復雜性，各物理參數需要調節(jié)來和真實情況相吻合。新分析方法應該結合施工和地下結構分析的特點加以發(fā)展。

（3）支護結構的設計形式、材料以及施工方法應加以改進，以提高圍巖柔韌性和延展性。

5 結語

隧洞等地下結構是社會功能重要的組成部分，造價高、使用周期長，一旦發(fā)生破壞，修復困難，直接和間接經濟損失巨大。目前我國很多城市正在開展大規(guī)模的隧洞等地下工程建設，而我國尚缺少完善的地下結構抗震分析方法和有效的抗震構造措施，因而開展深入系統(tǒng)的理論分析、數值模擬與試驗研究，發(fā)展合理可靠的地下結構抗震分析理論和方法，獲得大型地下結構在地震作用下的反應規(guī)律與破壞災變機理，完善地下結構抗震構造措施，確定優(yōu)良的地下結構抗震體系，均具有重要的科學意義和工程應用價值。