隧道地震动力响应影响因素研究及分析

【摘 要】在人类人口急剧增加和世界经济不断发展的今天，地上建筑受到空间发展的影响约束，已经不能满足人类对于可持续发展和生活舒适性的要求，所以地下建筑的发展就显得尤为迫切和重要，而地下结构的建设不可避免的要遭遇到断层和高烈度地震区，因此研究地下结构物在地震荷载下的动力响应就显得尤为重要。隧道的震害形式多种多样，而且影响地震动力响应的因素也非常多，隧道地震动力响应影响因素主要包括了隧道的埋深，周围岩体的地质地形，隧道结构的形式，支护结构，施工方法，本文主要从前三个方面进行阐释。

【关键词】隧道；地震；动力响应

0.引言

随着地下结构的大范围，大规模的修建，地下结构的安全性已经越来越受到专家学者的重视，而近些年世界上发生的地震显示：当前，地球已经进入到了地震多发期。地震对隧道的破坏案例也越来越多的进入人们的视线。但是由于技术发展的原因，现目前的隧道规范大多采用的是静力法，降低了其对于隧道设计和施工的指导性意义，所以对于动力响应的探索就显得尤为重要和急迫了。经过学者对收集的震害材料的研究，发现不同情况下的隧道结構受到地震的破坏情况不尽相同，在人们熟知的几次大震中，大量的山岭隧道都遭到了程度很深的破坏。尤其是在日本发生的7.3级阪神地震，在受灾区域中有接近13%的地下结构遭到了不同程度的破坏，由此改变了学者对于“山岭隧道对地震免疫”的认识。而地震荷载下隧道的动力响应也成了近几年国内外学者研究的重点领域。

1.隧道的埋深

由于地下结构受岩土的约束作用，地下结构的地震响应和地面结构不尽相同.国外学者苏尼尔向世人展示了隧道受到地震的影响程度随着覆盖层的厚度减小而减小，覆盖层的厚度约小，围岩对于隧道产生的约束效应越小，因而受到震害的影响程度越低。由于技术条件和发展的制约，虽然认识到了地下结构覆盖层厚度对于地震动力响应不可替代的作用，但是它的作用效应和作用规律由于现在技术水平的制约仍然滞留在案例分析和理论研究阶段。现目前仍然采用静力作用对于隧道的地震效应进行分析，而对于动力响应，还没有一个定量的指标和一套成熟的研究结论。但是采用静力学的标准对地下结构进行估算并不是非常准确，因为动力对地下结构的作用效应远比静力要更加复杂和深远。国外学者苏尼尔在分析了包括132个隧道震害案例后得出：地震对隧道的破坏程度在埋深大于50m时逐渐降低，而当隧道埋深大于300m时破坏可以忽略不计，国内学者李天斌建立在对汶川地震的案例研究后也得出：覆盖层厚度大于50m的硬质隧道受到的损伤程度在轻微到中等之间，而覆盖层厚度在100m以上其震害程度就可以忽略不计或者很小。

根据对一定数量的震害案例统计分析后表明，当覆盖层厚度在50m以上时，地震的动力效应有很大程度的减弱；而当覆盖层厚度逐渐变大的过程中，地下建筑物的动力响应数据变化规律也逐渐减小，比如隧道加速度的最大值和位移的最大值。当埋深大于一百米时，震害程度和基础数据指标的改变都不太显著。若在地震烈度较高的区域内修建地下结构，隧道的覆盖层厚度应当作为线路设计中平断面和纵断面设计的重要参数。所以综上所述，在进行隧道可行性设计和施工设计的时候，应当使地下结构的埋深大于五十米。2地层条件和周围岩体的作用由于地震传播方式与动力响应受到地层条件的影响非常大，所以其阻尼数值的差别随着地质条件的不同而不一致。在国外学者苏尼尔对不同围岩形式的隧道破坏类型分析整理后发现，在已知的围岩类型震害实例中，松散堆积物的地下洞室有约79%遭受过不同程度的振动破坏，21%发生了严重破坏，另外修建在沉积岩中的隧道有73%发生了不同程度的破坏，10%出现了严重破坏，修建在火成岩，变质岩等坚硬围岩和地层条件下的破坏概率要小很多。

2.地下结构形式的影响

根据国外学者的统计资料表明，由于隧道截面的改变导致了地震在各个不同的剖面处产生不同的动力响应，所以最容易遭到破坏的部位是在隧道剖面形式急剧变化的位置。例如在智利发生的8.1级大地震中，受损坏最严重的是在隧道各个结构的连接部位，包括盾构区间与横通道之间，竖井与盾构区间，洞口截面变化处。另外，支护结构的尺寸（衬砌的厚度）也会影响损害几率，根据震害资料的调查发现，隧道的受损几率随着厚度的减小而减小，统计调查资料显示，衬砌厚度大于四十厘米的隧道段受损几率在百分之八十左右，而厚度在三十厘米以下隧道受损几率为百分之二十左右。因此地下结构和竖井等的结合部位，截面突变处，隧洞的进洞部和转弯处都是抗震的关键和难点部位。

3.地震震级和地震波传播方向的影响

在对大量震害资料进行统计以后，国外学者苏尼尔和威廉发现：地下结构的受损程度随着震级的增大而增大，而大部分地下结构破坏发生在地震震级在七级或七级以上。另外，震中距也会对隧道的破坏程度产生影响，统计资料表明，当震中距在二十五千米以下时，有超过70%的隧道发生了破坏，而破坏隧道里面的76%是发生在震中距在五十千米之内。地震波的入射方向也将对地下结构震动变形形式和受损害的程度产生非常重要影响，通常，地下结构的拉伸和压缩是由于地震波在隧道轴线上传播引起的，而地下结构的环向形变是产生于地震波传播方向垂直于隧道轴线的情况下。

4.结语

地震对地下结构产生的破坏形式和作用效应很复杂，这是是由于隧道的埋深，周围岩体的地质地形，隧道结构的形式，支护结构，和施工方法都会对地震动力效应产生一定的影响，由于周围岩体要对隧道的地震作用产生一定的束缚效应，破坏程度随着埋深的增大而相应的减小，但是超过一定界限以后减小的幅度变小，隧道埋深有助于提高其抗震性能。而截面形式和结构形式变化明显的部位较容易受到破坏。 [科]

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