地震波入射方向对地下工程响应特征初步分析★

陈永前 宋成科

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.中国地震局第一监测中心，天津 300180)

0 引言

我国的山岭隧道大量修建于20世纪90年代以后，2008年“5·12”汶川大地震是对山岭隧道抗震性能的一次大检验。对隧道及地下工程震害资料的研究，国内外专家学者都已做了很多工作，斯蒂文斯、道丁、欧文等分别对隧道震害进行了大量研究，并建立了相应的数据库[1-3]。国内的潘昌实、高波、王峥峥等也对隧道和地下结构的地震灾害规律进行了研究[4]。汶川地震后，诸多国内外专家学者对汶川地震中山岭隧道的震害情况进行了详细的现场调查、分析，得出了很多重要的结果。影响隧道及地下结构稳定性的因素有很多种，包括埋深、地应力、地质条件、地震震级、震中位置以及地震波入射方向等等。前人在不同的地震波入射角度对隧道洞室的响应特征分析方面做了一定的工作，但目前缺乏地震波入射角的变化对隧道洞室的影响系统全面地分析研究。鉴于此，本文通过ANSYS三维有限元软件研究地震波入射角从垂直于隧道轴线的垂直面和水平面两组方案对隧道及地下结构等的破坏机理及形式，并结合汶川地震的隧道震害实例分析隧道动力响应特征，试图更全面了解和掌握隧道洞室随地震波入射角变化的响应特征。

1 地震波的选择

为有效模拟地震波入射角度对隧道洞室所产生的响应特征，本文将采用人工合成的地震波数据，以掌握地下工程在地震时最容易受到破坏的部位，如图1所示。

2 模型建立

在分析隧道及地下工程随地震波入射角变化时的响应特征时，本文在模拟计算中采用如下基本假设：

1)不考虑由于介质特性对地下工程的稳定性所产生的影响，所以衬砌和围岩均采用线弹性材料；

2)岩性较为单一，多为砂岩，选择Ⅲ类围岩，不设置锚杆。

本次模拟选择模型尺寸如图2所示，地下工程断面形状设计为马蹄形，设计模型的力学参数如表1所示。

表1 模型的力学参数

3 模拟方案及监测点

本文设计了两组模拟方案，在隧道截面的轮廓上设定拱顶、左右拱肩、左右拱脚和拱底为监测点，如图3所示。

方案一：地震波入射角在垂直于隧道轴线的平面内变化，从地震波的入射角与沿着Y轴正向为0°算起，沿顺时针变换入射角度，分别设定30°,45°,60°,90°,120°,135°,150°,180°共9种模拟工况的入射角度，如图4所示。

方案二：地震波的入射角在平行于隧道轴线的水平面内变化，从地震波入射方向与隧道轴线方向平行为0°算起，分别有30°,45°,60°,90°共5种模拟工况的入射角度，如图5所示。

4 模拟结果及讨论

4.1 模拟结果

通过上述的两组模拟方案，下面将从应力场和位移场两方面对结果进行分析。

1)地震波入射角在垂直于隧道轴线垂直面内变化。

图6和图7是地震波入射角在垂直于隧道轴线的平面内变化的模拟结果，由图6可知，在0°～90°范围内，随着地震波入射角度的逐渐增大拱顶和拱底的最大主应力基本没有变化，基本保持在0 MPa，左右拱脚和左右拱肩的最大主应力逐渐降低；在90°～180°范围内，随着地震波入射角度的增大，拱底的最大主应力逐渐升高，最大值达到3.02 MPa；当入射角为180°时(地震波垂直向上)，拱顶和拱底受地震波的影响大于其他部位的监测点；当入射角为0°时(地震波垂直向下)，左右拱肩的最大主应力最大，即受地震波影响最大，说明在实际中地震时这两个部位受到地震破坏是最为严重的。

由图7可知，拱顶、拱肩、拱脚和拱底沿Y轴和X轴方向的位移随着地震波入射角度的增大先减小后增大，从图8和图9还可以看出，随着地震波入射角的增大，所有监测点的位移场变化是拱顶>拱脚>拱肩>拱底，这说明地震时隧道拱顶受到的破坏最为严重，而拱底受到地震波的影响较小，这与实际当中隧道震害实例是相符的，所以隧道及地下工程的拱顶在设计时需要提高其抗震设防强度。

2)地震波入射角在平行于隧道轴线平面内变化。

图8和图9是地震波入射角在水平面上变化的模拟结果，由图8可知，应力场变化情况是拱脚>拱肩>拱顶和拱底，说明地震时拱顶和拱底受不容易应力集中，而最容易进行应力集中的是拱脚的部位。从应力场趋势还可以看出，入射角为30°和60°时，拱肩和拱脚的应力变化均较大，说明当地震波的入射角度接近30°和60°时对隧道及地下工程的拱肩和拱脚最容易产生应力集中；由图9可知，从位移的角度也是说明当地震波入射角度接近30°或60°时各个监测点的位移也比较大，拱顶在X轴方向的位移变化较大，这说明地震时拱顶部位会产生很大的变形，也最容易坍塌。

4.2 与隧道工程震例进行对比分析

通过收集前人对隧道及地下工程震害实例的资料发现，这些工程的破坏是有一定的规律的，下面这些例子是典型的隧道震害实例，对于研究隧道及地下工程具有很强的代表性，如1995年日本阪神7.2级大地震，使地铁站的混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂等破坏现象随处可见[5]；1906年旧金山8.3级大地震，使莱特一号隧道是木衬砌，其拱顶及两侧坍塌、木料折断、轨道隆起、枕木裂断、断层水平错位1.37 m；莱特二号隧道没有穿越断层，也发生了洞顶坍塌[6,7]；2008年5月12日汶川8.0级大地震，致使多条交通线特别是宝成铁路及都汶高速公路上多座隧道严重损坏，多座隧道的拱顶破裂，衬砌开裂变形，洞口仰坡大面积塌方致使交通处于瘫痪状态[8]。

5 结语

本文通过使用三维有限元软件ANSYS对两组地震波入射角的变换对地下工程的响应情况进行了模拟，并与隧道震害实例进行了对比分析，得出了以下几点认识：

1)通过两组模拟结果可以发现，左右拱肩和左右拱脚的最大主应力变化较大，容易产生应力集中，拱顶的变形较大，所以拱顶、拱肩和拱脚等部位均为隧道及地下工程抗震设计的薄弱部位。

2)从两组模拟结果来看，一方面是当地震波在垂直面内与Y轴重合时对隧道及地下工程的破坏是最大的，另一方面当地震波在水平面内入射角度接近30°和60°时对隧道及地下工程的破坏是最大的，这是入射角度对隧道及地下工程影响的极限值，当然这只是通过数值模拟得出的一些认识，相信随着科技的进步将来会有更深入的认识。