隧洞抗震理论发展简介

李世慧 李帅 温淼

大连市市政设计研究院有限责任公司 辽宁大连 116000

1 地震对隧洞影响及震害成因

随着世界经济的迅速发展和城市化进程的加速，拥挤的交通成为一个社会问题。为了缓解地面交通的压力，人们开始寻找新的交通模式，各大城市投入地下隧道交通的兴建当中。过去隧洞在受地震破坏的记录比较少，人们普遍认为隧洞及其它地下结构的抗震性比较优越。近年来隧洞受地震破坏的事例逐渐增多，使人们愈发重视地下结构的地震性能。

隧洞的震害原因主要有三类：（1）动力相互作用；（2）断层运动；（3）周围的土体破坏。地震对隧洞结构会产生不容忽视的影响。以前由于经济条件等一系列因素的限制，对隧洞震害的认识水平很局限，导致设计水平很落后，所以对隧洞等地下结构进行深入细致的抗震分析研究具有重要的意义。

2 地下结构抗震研究方法

地下结构抗震研究有原型观测、模型实验和理论分析。

2.1 原型观测

原型观测法是通过对地下结构如隧道等在地震时进行实测，以分析其结构的动力响应。由于地震后土体与结构物的变形是一个场的概念，而模型试验却很难模拟这一点。因此，原型观测在隧洞抗震分析中占有重要的地位。它主要包括震害调查和现场试验两大类。

2.2 模型实验

模型试验作为一种实验技术，可以对理论计算模型的合理性进行验证，也可以对土—结构动力相互作用的机制进行分析研究。通常来讲，模型试验是通过激震实验来对地下结构的响应特性进行分析探讨。模型试验可以分为人工震源实验和振动台实验。

2.3 理论分析

理论分析的主要基础是波动理论和有限元方法。地下隧道结构的震害、动力反应及结构自身（纵向尺寸远大于横向尺寸）特点决定了其抗震分析方法的特点。方法大致可分为两大类：一类为波动法，即将地下结构视为无限线弹性（或弹塑性）介质中孔洞的加固区，求解其波动场和应力场；另一类为相互作用法，即以求解结构运动方程为基础，将土介质的作用等效为弹簧和阻尼。

3 抗震分析已取得成果

在地震中衬砌的开裂是最常发生的现象，常见的破坏形式有横向破坏、环向破坏以及斜向破坏，若斜向破坏还进一步发展，还可能导致底板破坏和环向破坏。在结构支护过程中衬砌的作用至关重要，国内许多学者利用不同的分析方法，综合各种因素来分析研究衬砌在地震荷载作用下的反应。

潘昌实[1]在二维隧洞地震反应分析中分别运用质量弹簧模型法和有限元法，将帝国谷加速度南北分量作为基面的输入加速度，详尽的分析了不同的边界条件、基面深度、阻尼比和不同的地震激振方向等，得出隧洞衬砌的内力分布以及各种因素对衬砌的影响。

林志等[2]在广泛总结国内外关于地下工程结构抗震设计文献的基础上，从多自由度体系的动力平衡微分方程出发，采用时程分析法，计算盾构区间隧洞衬砌结构在地震作用下的反应。通过自由场振动台模型试验，总结了土体的等效线性动力计算模型-Davidenkov模型，将试验结果、计算结果与有限元结果进行了对比，较好的模拟了地下铁道的地震响应。

高峰，关宝树[3]比较了粘弹性边界、粘性边界及固定边界的精度，在地震荷载作用下，对隧洞结构在不同的边界情况下分别用振动方法和波动方法进行了分析，得出无限地基对隧洞在地震荷载作用下的影响和隧洞衬砌的薄弱环节，并以此作为隧洞衬砌优化的设计依据。

孙海涛，徐迎伍[4]将动力有限元—双渐进多向透射边界方法运用到软土地层中盾构隧洞的地震反应中，分别分析了隧洞在不同洞体埋深，不同洞径大小以及不同衬砌弹性模量的条件下，盾构隧洞的地震响应。

李泳伸[5]利用ANSYS数值分析软件，在对鹧鸪山隧洞基本资料的分析的基础上，对多种不同围岩—隧洞结构体系的相互作用原理进行了瞬态动力学分析，并将隧洞在水平荷载作用下，不同地震基本烈度、不同衬砌厚度、隧洞断面面积发生变化等情况下的动力反应进行了对比分析。

从上述文章可以看出，目前数值分析的方法已成为国内外地下结构的理论分析的主要研究方法，常用的有拟静力法（用于浅埋隧洞抗震分析），有限元和无限元耦合的分析方法，通过选用不同的骨架曲线来模拟土体本构关系，选用不同的单元模拟土与结构接触面上的非线性特性。在具体工程问题中数值分析方法也有相应的运用。

4 抗震分析存在的问题

（1）岩体内部物理、力学机制要加深理解，建立更加准确的物理模型。

（2）由于地下结构的复杂性，各物理参数需要调节来和真实情况相吻合。新分析方法应该结合施工和地下结构分析的特点加以发展。

（3）支护结构的设计形式、材料以及施工方法应加以改进，以提高围岩柔韧性和延展性。

5 结语

隧洞等地下结构是社会功能重要的组成部分，造价高、使用周期长，一旦发生破坏，修复困难，直接和间接经济损失巨大。目前我国很多城市正在开展大规模的隧洞等地下工程建设，而我国尚缺少完善的地下结构抗震分析方法和有效的抗震构造措施，因而开展深入系统的理论分析、数值模拟与试验研究，发展合理可靠的地下结构抗震分析理论和方法，获得大型地下结构在地震作用下的反应规律与破坏灾变机理，完善地下结构抗震构造措施，确定优良的地下结构抗震体系，均具有重要的科学意义和工程应用价值。