双连拱隧道洞口段动力响应研究★

王正松 高 波

2008年“5◦12”汶川大地震中，城镇道路交通设施损毁严重。据交通运输部统计，四川、甘肃、陕西、重庆、云南、湖北、河南等省市，因地震受损的高速公路 19条，国道、省道干线公路 159条，农村公路 7 605条，道路累计长度 53 288 km;受损的桥梁 5 560座，隧道 110座，直接经济损失653.06亿元[1]。

已有资料及实例表明，强烈地震对隧道及地下工程会产生重大影响，一旦隧道破损，修复非常困难，特别是对一些重要线路上的长大隧道，因地震破坏而造成停运带来的经济损失远远超过隧道本身的修复费用[2-5];隧道洞口是整个隧道抗震设防的薄弱环节。因此，对隧道洞口段地震动力响应研究是十分必要的。

1 模型建立及数值模拟方法

1.1 计算模型建立及计算参数

根据雅泸高速公路某双连拱隧道洞口的地形及地质条件，并考虑到动力计算的边界效应问题，洞口模拟水平方向选取 130m;纵向沿隧道洞轴线方向则选取50m，顶部按照实际地质条件进行适当简化模拟。隧道模型见图 1，围岩参数见表 1。

表1 数值模拟参数表

1.2 边界条件

以有限区域来模拟无限区域的动力计算必须考虑边界上波的传播效应，应不使波在边界上发生反射再返回到计算域中，因此，在计算中采用黏性边界，该边界在FLAC3D模型中被称之为free-field boundary。具体方法为:在边界之外一微小距离设立与域内网格相同的单元以模拟无限域，该单元与域内外边界单元之间以弹性及黏性元件相连，以便吸收边界的反射能量。

1.3 地震波的选用

本文采用根据场地条件合成的超越概率为 2%的人工地震波，其峰值加速度约为4.37m/s2，出现时刻为6.46 s。由于该地震波能量主要集中在前15 s，故本文采用该地震波前 15 s进行计算[6]。

2 数值模拟结果及分析

2.1 位移、速度及加速度结果及分析

从图 1～图 4，表 2可以得到以下几点认识:

1)衬砌最大绝对位移为-96.48 cm，发生在右线洞口拱顶处;隧道的拱顶处的位移最大，仰拱及墙脚处的位移最小，同一横断面上绝对位移相差很小，见表 2。

表2 位移峰值表 cm

2)在地震作用下的围岩的位移响应呈水平层状分布，随着高程的增大，位移的响应增强，地表的位移响应最大;在相同的高程下，位移地震动力响应量值是基本相同的;隧道结构的位移响应与同一高程处的围岩位移响应基本相同，隧道结构的存在对围岩的位移响应影响很小，见图 1。

3)洞口处位移峰值最大，随着距洞口距离增大，位移峰值减小。在同一个横断面上拱顶处的位移最大，仰拱及墙脚处的位移最小，见图2。

4)隧道衬砌各监测点的位移时程曲线形式基本相同，与施加地震波的位移时程曲线在形式上较为接近，可见，隧道的存在并不会改变地震波入射的频谱特性。

5)从监测地表三点的加速度、速度时程曲线图可以看出，三点的加速度、速度绝对值大小关系为:aP1＞aP2＞aP3，vP1＞vP2＞vP3(见图3，图 4)。这表明地表的加速度、速度响应放大效应是很明显的，P1，P2，P3位置见图1。

2.2 内力结果及分析

左右线隧道衬砌弯矩、轴力、剪力峰值计算结果见表 3。

表3 内力峰值表

内力峰值沿纵向变化系 15 s内各断面监测点的内力值最大值，从图 1～图 4，表1～表3可得到:

1)衬砌内力峰值(弯矩、轴力、剪力)发生在洞口处，在距洞口30m内，内力峰值随着距洞口的距离增加而减小，特别是在距洞口10m内减小幅度很大;在距洞口30m外，内力峰值随着距洞口的距离增加基本变化很小，趋于稳定;2)隧道衬砌弯矩峰值发生在洞口处墙脚，轴力峰值发生在洞口处墙脚，剪力峰值发生在洞口处拱腰;并且左右线隧道同一断面最大的内力峰值发生在靠近中墙一侧。在地震发生时隧道周围的岩土体主要是受拉破坏，只有很少一部分是受剪破坏，隧道洞口上部的仰坡主要是受拉破坏。

3 结论及建议

基于以上计算研究，得出以下几点结论(见图 5～图 7)。

1)洞口处位移峰值最大，随着距洞口距离增大，位移峰值减小。在同一个横断面上拱顶处的位移最大，仰拱及墙脚处的位移最小;2)衬砌的内力峰值(弯矩、轴力、剪力)发生在洞口处，在距洞口 30m内，内力峰值随着距洞口的距离增加而减小，特别是在距洞口 10m内减小幅度很大;3)左右线隧道弯矩峰值发生在墙脚和仰拱，隧道轴力峰值发生在墙脚和拱肩，隧道剪力峰值发生在墙脚和拱腰;4)隧道周围的岩土体主要是受拉破坏，在设计施工中应适当地加强隧道洞口上部的仰坡，特别是强风化岩石及土体。

在抗震设计中，应充分重视隧道仰拱、拱肩及墙脚等抗震薄弱环节，防止仰拱产生过大的变形，以及在墙脚、拱肩处产生过大的应力集中。在隧道施工中，应充分认识到围岩对隧道抗震的重要性，尽量采用机械开挖，尽量少扰动围岩，爱护围岩，保护围岩，使围岩与结构共同作用，减轻结构的损害。

[1] 李建民.“5.12”汶川地震灾区桥梁典型损毁情况与原因浅析[J].城市道桥与防洪，2008(8):26-27.

[2] 王明年.高地震区地下结构减震技术原理的研究[D].成都:西南交通大学博士论文，1999.

[3] 王志杰.地震区隧道洞口段减震模式研究[D].成都:西南交通大学硕士论文，1996.

[4] 王义军.国道318线黄草坪隧道地震动力响应及减震措施研究[D].成都:成都理工大学硕士论文，2005.

[5] 潘昌实.隧道及地下结构物抗震问题的研究概况[J].世界隧道，1996(5):7-16.

[6] 沈聚敏，周锡元.抗震工程学[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.