隧道抗震减震的研究进展

肖强 ，陈小良 ，辛建平 ，刘定文

（1军事医学科学院 院务部，北京 100850；2重庆市地质灾害防治工程技术研究中心，重庆 400041）

引言

19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，而21世纪则是人类利用和开发地下空间的世纪。发展地下交通运输系统是我们必须面对和必须解决的问题。其中，隧道建设首当其冲。隧道的抗震、减震设计和施工方面的研究在1995年日本阪神地震后才达到一个高潮。国外对隧道抗震的研究起步相比国内较早，国内研究相对比较滞后。

我国是地震多发地区，所以如何解决好交通系统中隧道的抗震问题是一个重要课题。

本文综合大量的关于隧道抗震、减震，隧道动力分析以及隧道稳定性分析的文献资料，总结了目前国内外尤其是国内关于隧道抗震、减震研究的现状，同时通过对这些文献资料的分析也对隧道抗震、减震方面的研究做了一些展望。

1 抗震研究现状简介

抗震就是通过加强建筑物本身的强度来抵抗地震对建筑物的影响，从而使这种影响被控制在建筑物能够承受的范围之内[1]。一般来说，抗震和减震是双管齐下的。目前，抗震理论分析方法主要分为解析法和数值方法两类[2-3]。国内相关隧道规范采用的是沿用地面结构抗震设计方法的解析法中的拟静力法。由于地下结构有自己的特殊性即地下结构要受到周围岩土介质很强的约束作用，所以套用地面结构的抗震设计方法偏于保守，从而必须对隧道抗震进行研究以解决目前理论存在的缺陷。

1.1 隧道和周围岩土介质以及衬砌在地震下相互作用的研究

隧道不像是地面结构，地面结构除了基础外，其余部分不受约束，而隧道是全部或部分处于周围介质的约束下的，从而研究隧道和周围土体的相互作用是从本质上解决隧道在地震作用下受力特点这一问题的关键。张鸿等[4]讨论了动力有限元法中土体材料非线性、土与结构间的接触非线性和边界条件等一系列重要问题，并以实际工程为例应用动力有限元法对地铁隧道的地震反应进行了非线性分析。杨小礼等[5]采用有限元与无限元耦合方法讨论交通隧道在地震波作用下震动反应问题，并考虑地基土的非线性与层状性，运用等效线性模型处理土的非线性，Newmark-β求解动态平衡方程；地震荷载作用下，交通隧道与周围介质是一起振动的，初砌结构刚度不同，跟随周围介质振动的情况也不一样，初砌结构与周围介质相对刚度差决定初砌结构的受力特征，柔性地下结构更能适应地震反应。陈国兴等[6]进行土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台模型试验，分别测出了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、结构的侧向土压力反应和隧道结构的应变反应，分析了模型地基的边界模拟效果、模型地基和隧道结构的加速度反应规律；其次对模型隧道结构的应变实测结果进行了分析，给出了地铁区间隧道在水平向地震动作用下横截面的应变分布规律，分析了模型箱侧壁与地基土以及隧道结构与土体接触面上的动土压力实测结果及其反应的规律，对试验中模型土的液化现象、地震裂缝和地下结构上浮等震害现象进行了描述。F.Kirzhner等[7]分析了地震作用下隧道围岩的动力响应，阐述了动力荷载对隧道稳定性的影响，指出在一般情况下由地震产生的压力要小于隧道围岩的强度，隧道在地震作用下一般是有较高安全度的，但是地震作用在地表产生的反应将导致复杂的后果，并提出了用于动荷载作用下隧道围岩压力和位移发展区域的判断方法。谷拴成等[8]考虑土与隧道体的相互作用，忽略结构惯性力，根据反应位移法，将隧道设计过程中各种动荷载(包括地震和爆破荷载)形成的地震波引起的隧道周围的土体位移作为荷载，通过弹簧作用于支护结构体上，推导出较为简单实用的公式来计算隧道在地震中的纵向和弯曲荷载，并讨论了其设计中的塑性问题，提出在隧道的设计中，是否考虑土与结构相互作用是很重要的，因为两者的计算结果相差比较大，对于塑性问题，在实际工程中可以作为一种评价，因为到达塑性阶段以后，隧道已经发生裂缝。许增会等[9]研究了地震对隧道围岩稳定性的影响规律，得出了在不同岩性、跨度、地震波的类型情况下地震作用对隧道围岩产生拉应力和位移的特征，指出围岩的位移差异是破坏衬砌的主要原因。L.C.F.Ingerslev[10]讨论了沉管隧道完成设计和建造要求后应该考虑其受震后如何确保其周围软弱砂土的稳定性。Kazuo Konagai等[11]研究Kizawa隧道在日本新滹中部地震后出现严重裂缝，调查造成损坏的原因，指导对隧道周围土体的长期观察，从而为合理的恢复提供依据。张华兵等[12]通过模拟发生在一个线性轴对称的隧道内的爆炸来分析隧道周围土体的弹塑性压力密度行为以及土体的剪力参数对土-结构相互作用的影响。王祥秋等[13]基于等厚度夹层单元与粘弹性边界条件，建立隧道-围岩体系的动力有限元分析模型，模拟围岩及其衬砌结构之间的力学性态。陈健云等[14]采用阻尼影响抽取法研究了围岩动刚度的动力特性，提出了岩石地下结构抗震分析的实用算法，在此基础上对溪洛渡超大型地下洞室群的抗震安全性进行了评价。严松宏等[15]以高速铁路南京长江隧道为例，分析了利用弹簧-质量模型进行沉管隧道地震响应分析时，地基阻尼比、地基与隧道刚度之比以及管段不同联结方式等因素对沉管隧道地震响应的影响。刘晶波等[16]为研究地铁盾构隧道的地震反应特性，采用复反应分析法研究了并行隧道间距离、衬砌厚度、材料性质等因素对地震反应的影响，提出相对于设计基本地震加速度，把地面与基岩间峰值相对位移作为地下结构的设计地震动参数更为合理。韦敏才[17]研究了不同洞型、不同方向地震作用下的地下结构的地震反应。陶连金等[18]用动力离散元法对节理岩体进行动力分析，解释节理岩体中地下洞室的地震动反应以及围岩的变形与破坏机理。

1.2 隧道洞口段动力特性以及抗震设防长度的研究

由于隧道除了洞口外都是处于一定的埋深范围内，而处在一定围岩约束段的隧道受到围岩的约束作用在地震作用下受到的破坏相比没有约束的洞口段破坏的可能性要小得多。在隧道震害调查中也发现，洞口段的结构在地震时最容易发生破坏，是抗震的薄弱部分[19]，所以洞口段的动力特性以及抗震设防长度就是一个值得考虑和解决的问题。这一点在“5·12”汶川大地震隧道受震的情况中可以得到验证:大部分隧道整体都还是没有受到大的破坏，但是在隧道洞口段却可以看到明显的破坏痕迹。郭军等[20]采用FLAC3D对9度地震区一实际重大工程的公路隧道明洞结构进行了抗震计算，得到了衬砌结构各控制点的加速度及内力响应规律，同时比较了不同填土厚度条件下衬砌结构的安全性能。结果表明:在50a超越概率为10%的人工合成地震波条件下，衬砌的控制设计位置为衬砌墙脚、仰拱；随着填土厚度的增加，支护结构安全系数普遍降低；拱肩部为临界稳定位置等。高峰等运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界，进行了隧道三维地震反应分析，计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关，洞口段松软、破碎的围岩越长，隧道的设防长度就越长；隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大；在地震荷载作用下，洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力；可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移[21]。S.H.Wang等[22]也探讨了大跨度隧道入口处由于位移因素引起的不同位置的破坏的原因和隧道开挖后破坏处的变形。Sangki Kwon等[23]应用FLAC3D软件分析了一个概念设计（一个地下空间研究实验室URL），为了验证设计的可能性，做了包括地震波折射观测在内的调查，在设计时应用FLAC3D考虑隧道几何学、隧道洞口坡面等一系列的因素。王祥秋等阐述了基于小波变换的隧道洞口段三维动力有限元分析的时域分析法，建立了相应的有限元分析模型，对提速列车振动荷载作用下，不同围岩条件隧道洞口段动力响应特性进行分析研究，得出了隧道洞口段不同围岩条件下的时程响应规律[13、24]。

1.3 隧道动力稳定性评价

隧道作为交通运输系统的一个重要组成，它在地震作用下的稳定性就成为一个关系到生命、财产安全甚至在战备的情况下关乎国家存亡的重要问题。目前为止还没有系统的关于隧道动力稳定性评价的方法。从目前的研究来看主要是从解析法、数值方法以及模型试验来分析隧道动力稳定性的。

1.3.1 应用解析法评价隧道动力稳定性

地下结构的抗震分析方法实际上主要有两种:一种可称之为波动法，以求解波动方程为基础；另一种可称之为相互作用法，以求解结构运动方程为基础[25]。由于对地下结构的抗震缺乏研究，国内相关规范基本上都借鉴地上结构的抗震理论和方法，采用解析法中的拟静力法。解析方法又具体分为反应位移法[26]、ST.John法[27]、福季耶娃法[27]以及BART 法[27]、围岩应变传递法[26]、地基抗力系数法[26]、递推衍射法[27]等。因为解析法要对实际情况作很大的简化和假设，这样就必然会影响计算结果的可信程度，而且计算比较困难，同时随着计算机的发展给数值方法带来了新的发展，所以关于解析法的研究相对有所减少。最近的研究主要有张栋梁等[28]基于拟静力假定，采用平面弹性理论的复变函数方法，利用土与结构间的力和位移协调条件，推导出地震中自由场土体剪应变最大时刻土-结构间不滑移和完全滑移两种接触条件下，圆形衬砌动内力的解析解。苏燕等[29]针对上海某越江通道工程盾构法隧道，按一种简化的拟静力计算方法分析隧道的抗震稳定性，并结合可靠性理论对隧道进行动力可靠性分析，对拟建隧道的抗震风险做出初步评价。徐建平等[30]利用拟静力法对隧道抗滑稳定性进行了校核。李海波等[31]提出了动应力集中因子代表值的概念，以合理反映地震荷载作用下地下洞室围岩的动应力集中程度，并将动应力集中因子代表值，作为洞室地震响应的关键特征来衡量洞室地震响应的大小。

1.3.2 应用数值分析方法评价隧道动力稳定性

随着计算机技术的进步，数值方法得到了很大的发展，并且数值方法利用计算机强大的计算和模拟能力可以模拟复杂的岩土本构关系和边界条件，还可以加入使用者自己提供的本构模型，因而其研究也出现了空前的活跃。黄胜等[32]采用数值方法中的波动分析法，以无限元模拟远场动力边界，分析高烈度地震下隧道的安全性。许增会等[9]利用ANSYS软件的谱分析研究了地震对隧道围岩稳定性的影响规律。郭军等[20]采用FLAC3D对9度地震区一实际重大工程的公路隧道明洞结构进行了抗震计算。高峰等[21]利用自编的三维有限元地震反应分析程序对隧道洞口段的抗震设防长度进行了研究。杨小礼等[33]在动态有限元理论的基础上，采用大型有限元程序ANSYS对浅埋大跨度连拱隧道进行地震反应分析。庄海洋等[34]应用自编的土体-结构体系整体有限元分析软件对南京软土地基上区间隧道的地震反应进行了分析。陈贵红[35]利用ANSYS，分析地质条件、埋深等对隧道地震反应的影响。祝彦知等[36]将土体的横观各向同性弹塑性理论引入层状土层-地铁区间隧道动力有限元分析程序，并利用所研制的程序对上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震波输入下的地震反应进行了计算。李育枢等[37]用动力有限元法研究了偏压隧道洞口横向边坡在水平地震、垂直地震以及水平和垂直地震同时作用下的全时程动力反应规律。梁波等[38]运用时程分析方法研究浅埋偏压隧道在水平地震、垂直地震以及45°方向作用下的全时程动力反应规律。陈贵红等[39]以南京长江沉管隧道为例，利用动力有限元法对沉管隧道进行抗震分析；对埋深、地质条件、水等因素对沉管隧道地震反应的影响进行分析。郭毅之等[40]采用全三维非线性建模方法建立了沉管隧道总体有限元模型，通过对沉管隧道总体模型合理分区来进行地震响应分析，应用通用的非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解。P.Jia等[41]利用数值分析方法研究成层接头处的不同俯角和侧压力系数对隧道接头处的围岩的稳定性的影响。Y.Guo等[42]利用高性能计算机模拟盾构隧道的地震反应分析，模拟考虑了材料的非线性的长期影响以及大变形和接触条件，目的就是要提供高精确度的隧道受震后的变形和稳定性预测。张华兵等[12]采用粘弹塑性模型对黄土隧道围岩进行有限元分析，研究围岩的变形规律，探讨围岩位移场分布，并同真实黄土隧道试验的侧面无衬砌和半衬砌两种工况各3种状态的变形破坏结果进行比较，发现用有限元方法模拟的结果与真实隧道的变形破坏过程基本吻合。李仲奎等[43]采用FLAC3D用应力边界法快速生成初始应力场对溪洛渡水电站地下厂房洞室群进行围岩稳定性分析。陶连金等[44]采用了动力离散元法对一个大断面地下洞室在地震载荷的作用下的动力影响及围岩稳定性进行了分析，并模拟出围岩失稳和破坏的全过程。Y.Li等[45]以上海扬子江泥浆盾构隧道为例利用有限分析中的最大值方法和三维数值模型来分析隧道的稳定性，研究了局部破坏和整体破坏的机理。

1.3.3 通过模型试验评价隧道动力稳定性

地震的爆发是无规律的，所以也就无法从自然爆发的地震中做试验研究它对隧道的影响，而解析法或者是数值方法虽然能从一定程度上分析地震作用对隧道稳定性的影响，但毕竟只有真正的试验才能具有更高的说服力，才能更准确地反应实际情况。模型试验就是以相似理论为依据，通过对原型的缩比做比例试验来真实反映实际规律的有效方法。但是模型试验花费巨大，而且满足相似比也比较困难，所以这方面的试验也不是太多。陈国兴等[6，46]以南京地铁的建设背景为基础，对含有可液化土层的深厚软弱场地上双洞单轨的地铁区间隧道结构进行了大型振动台模型试验研究。申玉生等以雅安-泸沽高速公路高烈度地震区山岭隧道为依托工程，对山岭隧道洞口段结构动力响应进行大型振动台模型试验研究[47]。Y.Ashida等[48]利用隧道爆破和TBM震动作为地震源来模拟隧道受震以此建议采用一种比较精确的图像技术来预测未来的隧道面的破坏情况。C.Wright等[49]分析了南非某一铁矿隧道的地震折射波的速度变异，尤其是其中P波的变异，由此帮助对埋深比较大的隧道的模型研究。杨超等[50]进行了软土地铁车站结构的振动台试验以研究土体和结构模型的加速度响应、结构模型表面的动土压力以及结构构件的应变规律，并且还利用数值方法与振台试验进行比较。王志杰等[51]采用伺服式液压振动台做模型试验，研究隧道加设隔震层后衬砌的受力特性。

2 减震研究现状简介

减震就是通过采取适当的措施来提高建筑物对地震动所产生影响的适应能力，使建筑物能够承受该影响[1]。减震的最终目标是和抗震是一样的，都是使地震动对建筑物的使用功能的影响达到最小。很多研究都是抗震和减震一起进行的。目前在实际工程中主要就是采用改变地下结构本身性能、加固围岩以及设置减震系统这三种措施。黄胜等[32]研究西藏扎墨公路高烈度地震区嘎隆拉隧道地震动力响应，分析隧道抗震层的减震机制，数值模拟橡胶和泡沫混凝土两类材料抗震层的减震效果。申玉生等[46]以雅安—泸沽高速公路高烈度地震区山岭隧道为依托工程，发现隧道设置减震层后，衬砌裂缝数量明显减少，能够改善隧道结构的整体受力状态。高峰等运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界，计算了不同地震动作用下不同的围岩材料对隧道地震反应的影响，并通过改变隧道衬砌一定范围内围岩材料的参数，计算了隧道的地震反应，分析了在隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这两种方法的减震效果、适用条件及其减震机理[52]。王志杰等[51]在分析了地面结构隔震原理的基础上，以隧道洞口段为研究对象，对围岩-隧道衬砌结构体系进行了减震研究。

3 总结与展望

总的来说由于受到科技发展水平和人类认识的局限性以及地震发生的不可预知性和复杂性的局限，目前的研究还处于探索阶段，都还没有比较深入比较系统地了解隧道在地震作用下的受力状态以及抗震和减震的机理。今后需要从以下几个方面进行深入研究。

（1）隧道不像地面建筑那样，它还受到周围土体或是岩体的约束，所以首先要解决在地震荷载作用下隧道与周围土体的受力状态，也就是土-结构相互作用的机理。

（2）隧道的破坏模式以及地震荷载作用下稳定性分析与评价。

（3）目前的隧道抗震设计很大一部分是套用地面建筑的，尤其是抗震构造，所以要解决符合隧道本身的设计方法以及隧道抗震构造措施。

（4）从“汶川”大地震可以看出很多隧道主要是洞口段受到破坏，所以研究解决洞口段的动力特性以及抗震设防长度也是很有必要的。

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