竖向排列隧道的地震响应分析

宋立兵

（中国神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 神木 100071）

竖向排列隧道的地震响应分析

宋立兵

（中国神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 神木 100071）

建立了均质竖向排列隧道模型，对模型输入koyna地震波，研究竖向排列隧道的动力力学响应特征。分析结果表明，地震对竖向排列隧道的影响非常明显，最大应力的出现时间与地震波加速度峰值时间一致，且最大主应力增幅不大，不会对隧道造成损害；地震对隧道的破坏主要体现在拉应力方面，地震情况下的拉应力已经超过了围岩的抗拉强度，抗拉设计是抗震设计的重点。这个研究有利于类似工程的抗震设计。

隧道工程；地震响应；稳定性

1 引言

地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一。我国地震活动非常频繁。因此，我国地下工程的震害问题不容忽视[1]。地下隧道群中主要有：竖向排列、水平排列、斜向排列、混合排列。目前，对竖向排列隧道受地震波的影响分析较少[2]。为此，笔者利用ABAQUS提供的动力计算功能，对竖向排列隧道受地震波条件下的响应规律进行研究，分析地震波对竖向排列隧道稳定性的影响，以对地下工程的抗震设计提供理论借鉴。

2 计算模型

地下隧道群由竖向排列的横截面为矩形的2个隧道组成，隧道的长、高均分别为30 m和15 m。上部隧道埋深30 m，下部隧道埋深75 m，下部隧道下方围岩取120 m。不考虑隧道走向方向对计算结果的影响。根据模型大小和地下硐室群的特点，共分14946个单元和15194个节点。

2.1 岩体物理力学参数

为了获得竖向排列隧道的地震响应，暂不考虑分层岩土体物理力学参数变化对地下硐室群稳定性的影响，计算模型中岩体取为均质岩体材料。计算所需的岩体物理力学参数，根据西部某地岩石物理力学参数折减得来，见表1。

2.2 初始条件和边界条件

初始地应力场仅按自重应力场考虑。静态分析所采用的固定边界或弹性边界，在动力分析中将导致向外传播的波反射回模型，对隧道工程这样的半无限体进行模拟时，必须处理实际上趋于无穷远的边界问题。在计算时将模型边界设置为粘滞边界。根据经验采用5%瑞利阻尼。

表1 岩体物理力学参数

2.3 地震荷载

为模拟地震对竖向排列隧道的影响，输入发生在koyna地区的地震波进行研究。地震波计算时间取10s，水平方向最大加速度为3.15m/s2（0.321g）。

3 静力结果

静力开挖条件下，并向排列隧道开挖中，应力与位移保持左右对称，压应力最大值为5.47MPa，位于下部隧道侧边处。上部与下部隧道之间连接区域以拉应力为主。拉应力最大为77.3 kN，位于上部隧道与下部隧道之间。下部隧道顶板中点出现最大下沉值为0.003 m，下部隧道产生底鼓，底板中点出现最大值为0.005m。

4 动力响应

4.1 应力响应

在地震作用下，竖向排列洞室左右两端的应力不再保持对称。由图1可以看出，上部隧道应力最大值为2.0 MPa，而下部隧道中点的最大应力值为6.0 MPa。上部隧道与下部隧道之间的围岩在地震过程中出现最大拉应力为4.24 MPa，已经超过围岩的抗拉强度，围岩有拉坏的趋势，震害风险甚大，说明竖向排列隧道情况下两个隧道之间为抗震设计的重点。

图1 下部隧道底板中点最大主应力时程曲线

4.2 位移响应

施加地震后，各点的位移随着地震时程的不同而发生改变，有时隆起，有时下沉，这说明地震作用对地下硐室群稳定性的影响非常复杂，围岩内部各点存在明显的行波效应，各点既可能出现拉伸也可能出现压缩。可以看出在地震作用下，最大下沉值超过0.28m，地震结束后残余位移约为0.1m。

5 结论

a.地震对竖向排列隧道稳定性的影响非常明显，隧道的应力与位移存在明显的行波特性。与地震加速度的时程曲线非常吻合。

b.地震对竖向排列隧道的最大主应力影响不大，而拉应力影响非常大，拉应力峰值已经接近围岩的抗拉强度，围岩有拉裂破坏的趋势，震害风险非常大。

c.地震对竖向排列隧道的位移产生的影响主要变现在位移随着地震的时程发生拉伸与压缩变化，最终会产生参与变形，这是抗震设计中需要考虑的。

[1] 杨小礼,张丙强,王志斌等.浅埋大跨度连拱隧道地震反应分析[J].中南大学学报:自然科学版,2006,37（5）:991-996.

[2] 高峰，李德武.隧道三维地震反应分析若干问题的研究，岩土工程学报，1998，20（4）：48-53.

Abstract:A homogeneous vertically arranged tunnel model was built.The author studied the mechanical response characters of the vertically arranged tunnel by inputting koyna seismic wave to the model.The analysis shows that the influence is very obvious;the occurrence time of maximum stress accords with the acceleration peak time of seismic wave;the amplitude of principal stress is not big enough to damage the tunnel.The destruction mainly lies in tensile stress which has surpassed the tensile strength of surrounding rocks under the seismic wave.Therefore,tensile resistance is the key to the seismic resistant design.The study is beneficial to the similar engineering.

Keywords:tunnel engineering;seismic response;stability;ABAQUS

编辑：徐树文

Seismic Response Analysis in Vertically Arranged Tunnels

SONG Li-bing

(Halagou Mine,Shenhua and Shendong Coal Group,Shenmu Shannxi719315,China)

TD322+.4

A

1672-5050（2010）08-0048-02

2010-05-10

宋立兵（1975—），男，宁夏平罗人，工程师，主要从事采矿工程方面的工作。