隧道结构抗震设计方法的研究现状及发展方向

2023-03-12何俊奎

四川水泥 2023年1期

何俊奎

（成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川成都 610051）

0 引言

穿越高烈度地区的隧道工程在遭遇强震时会被破坏，不仅影响隧道的正常运行，特别是由此引发的次生灾害以及灾后修复、重建给人民财产带来巨大的损失，因此高烈度地区的隧道进行抗震设防是非常必要的。但由于隧道及地质体的复杂性，其抗震设计计算方法还有一定的局限性。隧道结构抗震设计受多种因素的影响和制约，比如：设防烈度、隧道的结构形式（断面形状、跨度、衬砌类型）、隧道周围的地层状况（隧道的埋深、围岩级别、地质条件，构造环境、地下水环境）、以及获取参数时采用的试验方法、试验设备等等。本文将对隧道工程抗震设计的研究进展进行总结，并对现阶段的抗震设计计算方法的优缺点进行分析，针对性地提出优化措施和指明研究方向。

1 国内外隧道抗震分析方法的研究现状

现阶段隧道抗震分析方法主要有原型观测、理论分析、模型试验等三大类。

1.1 原型观测法

原型观测包含灾害调查和现场试验两大类。现场灾害调查是最直观、最真实的结果，能客观反映隧道工程在遭遇地震后的破坏程度，破坏形式，薄弱部位等等，但是必须在震后进行，受观测时间、手段的限制，没法很好地揭示隧道结构在地震过程中的动力响应过程。但是观测结果并不影响对隧道抗震设计的重要指导意义，所以长期以来一直受到人们的重视，相关资料也在不断地积累和总结。李天斌[1]在汶川地震后对都-汶公路11座隧道进行了现场调研，将山岭隧道的破坏形式概括为洞口边坡崩塌或滑塌，洞门裂损，衬砌围岩坍塌、开裂、错位，底板开裂隆起，初期支护变形及开裂等几种形式。对这些破坏形式进行详细研究后，指出发震断层的次级断层、基覆界面、洞口不稳定斜坡、高地应力下的软弱围岩等是隧道强震破坏的主要因素，并建议洞口边坡防护、洞口明洞和洞门结构作为一个系统进行综合设计，穿越活动断层的次级断层时，应在其两侧一定范围内二次衬砌采用钢筋混凝土结构，基覆面、围岩软弱过渡带、围岩质量突变地带采用改变围岩力学性质让其渐变的措施。

现场试验是在施工过程中预先在衬砌和围岩的关键部位埋设力学元件，当地震发生时，通过测试元件记录的数据进行地震动分析。该方法的难点是，现有技术无法预测地震什么时候发生，也不能准确地预知哪些部位会发生破坏，所以关键部位的确定可以参考力学分析和震害调查的积累，但是由于地层的复杂性和隧道自身的多样性，以及地震的不确定性等因素都给该项工作的开展增加了相当的难度，当前主要以人工震源试验居多。

1.2 理论分析方法

隧道结构由于受周围地层的约束效应，其震动特性表现出与地上结构明显不同的特征，这也导致了地震力的计算和抗震措施的研究有别于地上结构。目前隧道的抗震理论分析主要有解析法和数值分析法。

（1）解析法。解析法主要以结构力学、结构动力学、考虑岩土体与隧道结构相互作用为理论基础，仅用于断面简单、规则的隧道，在均质地层中的受力情况。对非均质的，非弹性的不均匀围岩，需要对地震波进行反射、折射及波形处理，求解相当复杂，限制了其应用的发展。宴启祥[2]等以弹性薄壁圆柱壳理论为基础，在考虑地层与结构相互作用以及界面滑移特性的基础上，给出了深埋圆形盾构隧道在地震剪切波作用下的附加内力拟静力求解计算式。在均质地层中，通过隧道周边一定距离地层的剪切位移或剪切力，利用该计算式可以方便地计算出盾构隧道的地震内力，有效地降低了盾构隧道抗震分析的复杂性。隧道抗震计算不仅要考虑横向响应，也要考虑纵向效应。

（2）数值分析法。解析法是基于某些理想条件得到的，而现今隧道工程面临的问题越来越复杂，地层的复杂性、不均匀性、隧道断面的不规则性等往往会导致解析解很难获得。随着计算机技术的日新月异和有限元、离散元、有限差分等数字理论的发展，隧道工程抗震研究越来越多地集中到了数值分析上，数值分析法既可以达到工程需求精度，也可以节约研究成本。申玉生等[3]采用FLAC3D对某公路隧道深大通风竖井在穿越软硬岩交界面时的振动响应进行动力时程分析，分析发现竖井结构主震方向的应力和位移在软岩侧比硬岩侧大，提出在软硬交界面采用注浆加固软岩，使岩体刚度逐步过渡的方案，可有效提高竖井的抗震性能。王维等[4]采用地层-结构模型，基于梁单元等效刚度模型计算了不同地震作用下盾构隧道纵向地震响应，计算表明软硬突变的地层是盾构隧道纵向抗震的薄弱部位，软土侧结构内力响应显著增大的区域达到隧道直径的4倍；当地震波横向输入时，纵向弯矩起控制作用，纵向输入时，则是较高的轴力起控制作用；相同水平地震作用下，地震波纵向传递时比横向传递更加不利。龚国栋等[5]以天津Z2线一期工程为例，采用ABAQUS软件对软土场地中盾构隧道横断面抗震进行了非线性动力分析，分析表明小震和中震作用下隧道管片中的静力荷载起控制作用，而在大震作用下管片中的内力分布有很大变化；在地应力和地震联合作用下，盾构管片的最大正弯矩出现在拱底附近，最大负弯矩出现在两侧拱腰附近，建议在管片制造时，加强拱顶、拱腰和拱底的构造措施。王维等[4]对水工隧道洞门在地震作用下的响应进行了三维数字分析，研究表明在动水压力作用下，考虑岩体-隧道相互作用和将二者视为一体进行考虑，其地震响应会有很大不同，考虑相互作用的位移峰值比不考虑要大48%。并且由于结构位移和挤压荷载的作用，会出现拱肩开裂，底板隆起的破坏特征。研究表明，在混凝土中掺入适当的钢纤维对隧道延性有明显提高。

1.3 模型试验法

模型试验是相对准确的分析方法，不仅可以直接得到参数供设计使用，还可以对数值计算进行校核。由于对研究人员素质要求高，研究成本较高，一般仅用于重大项目中。目前国内外广泛开展的主要是地震振动台模型试验和离心机模型试验。

（1）地震振动台模型试验。隋传毅等[6]通过地震振动台试验研究了地震作用下设减震缝、内外套管和不设防三种隧道结构在穿越高烈度断层区时的地震响应，建议在穿越断层时，如果隧道设防水平较低时，可采用减震缝的方法，在获得较好抗震性能的情况下降低造价；如果隧道设防水平较高或为生命线工程时，应通过特殊设计保证隧道在高烈度地震作用下仍然能安全通行，套筒结构隧道方案在地震振动台试验中表现出优越的性能。研究表明素混凝土衬砌由于初始微裂缝的存在使其抗拉强度较低，表现出脆性性能；钢筋混凝土衬砌由于有钢筋而具有较好的抗震能力，但由于其刚度较大，不适应高烈度地区隧道产生的大变形，所以建议其应用于中、低烈度地区；聚丙烯混凝土由于聚丙烯的加入，提高了混凝土的力学强度，粗糙度以及撕裂性能，能显著延缓混凝土的开裂和减轻应力集中现象，能适应隧道大变形，是高烈度地区隧道抗震较好的选择。

（2）离心机模型试验。离心机振动台试验通过增加模型的重力加速度，可以模拟与原型相近的应力水平，能较好地反映原型的物理特性和结构的动力反应。在日本和欧美国家应用较为广泛。

1.4 三种方法的优缺点

原型观测法可以直观地描述地震作用下的破坏形态及薄弱部位；数值分析法可以方便地改变参数条件，进行大量的分析进而总结规律和分析灾变后果；模型试验法可以较好地检测数值分析参数的正确性，为数值分析提供有力的支撑。以上隧道抗震分析方法，各有优缺点，很难仅采用一种方法就能较好地满足现代隧道设计的需求，往往需要根据隧道工程的重要性、几何条件以及周围的地层条件选择其中两种或多种方法进行联合应用。

2 现阶段隧道抗震设计的主要方法及存在的问题

隧道工程由于处于地下，被地质体包围，没有特别明显的惯性特性，其振动特征也不同于地上结构，因此，隧道地震荷载的计算和抗震性能的研究都与上部结构有很大的不同。现阶段对隧道地震荷载的计算方法有静力系数法、反应位移法和动力时程分析法，其优缺点分析如下。

（1）静力系数法[7]虽然简单、便于工程师采用，但是该方法对隧道遭遇地震时的受力机理揭示不够准确，简单地套用上部结构地震计算方法是欠妥的，导致在埋深较浅时，地震力估算偏小；而埋深较大时，地震力又过于夸大，误差较大。该方法可以结合反应位移法，通过动力有限元对不同结构，不同地层，不同设防烈度的隧道进行比较分析，根据研究结果修正地震系数对地震力的估算式。

（2）反应位移法[6-10]需要把自由场土体的最大位移差强加到与隧道结构相连的弹簧远端，以此来计算地震在隧道结构中的响应。获取该值可采用有限元也可以采用现场试验。有限元计算的单位力作用下的位移，无论方法多么准确，都与实际会存在一定的差异。由于不同地方的地层在地质历史上的建造或改造的不同，导致变形计算存在很大的地方经验性，这就是规范在计算沉降变形时要乘以当地经验系数的原因。现有规范基础系数的计算与加载板的形状、尺寸有关，一般是圆形和方形，而隧道结构往往是弧形的凹面，与传统测试条件不同，需对这种弧形凹面载荷板的形状和尺寸效应进行研究。另外围岩弹性抗力系数不仅与围岩等级有关，还与隧道埋深、围岩的性质有关。由于地层产状的不同，有时竖向和水平向的弹性抗力系数都会有较大的差异，很多商用软件将弹性抗力系数只与围岩等级相关是欠妥的，所以开展适合隧道围岩弹性抗力系数相关的研究是必要的。

（3）动力时程分析法[7-10]在处理地层结构相互作用时能较好地反映地层的非均匀性，各向异性和非线性以及复杂的边界条件，能较好地揭示隧道结构在地震作用下的响应规律，但是由于其复杂性，对使用者的理论水平要求较高，且耗时非常长，所以很难在工程界得到广泛的应用。但是可以作为科研手段，根据研究结果对静力系数法和反应位移法提供建议和指导。动力时程计算准确性取决于参数输入的准确性，所以需积累相关经验，对无经验的情况可开展现场试验、室内试验研究获取。

3 隧道抗震设计的研究方向

现有的衬砌主要是素混凝土或钢筋混凝土，材料较为单一，且素混凝土在地震时容易开裂、剥落，因此，需对适应抗震需求的衬砌新材料进行研究。现阶段，学者们往往只是针对某一种新材料进行了研究，比如钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土，并没有对新型材料进行对比研究。为了给工程界提供性价比较高的方案建议，在研发具有较好延性的新材料时，需在相同条件下对新材料进行对比研究，

地震调查发现，隧道二次衬砌在地震作用下经常发生45°的共轭剪切裂缝，可以对钢筋混凝土衬砌的结构形式进行改良研究，比如对带钢筋混凝土内支撑的衬砌抗震性能进行研究，这个内支撑可以是钢筋支撑、钢板支撑，也可以是型钢支撑。

地震调查发现，隧道洞口的重力式挡土墙在地震作用下经常发生破坏，造成次生灾害。可以研究配筋毛石挡墙的抗震性能，比如在纵向如何设置构造柱，横向如何在灰缝中配入拉结筋或设置圈梁，以较低的成本获得较好的抗震性能。

对软岩、地应力较大，以及地震作用下可能坍塌的隧道，可以开展型钢-钢筋混凝土组合衬砌的抗震性能研究、塌拱产生的冲击力以及衬砌的抗冲切计算的研究。

隔震、消能减震是隧道地震研究的另一重要路径。有些学者研究了在某一确定条件下在初衬和二衬之间设置橡胶或泡沫混凝土的隧道抗震性能，还需对不同烈度、不同地层下减震层的厚度、设置长度、以及地震作用破坏后如何更换处理进行系统研究，为工程设计提供系统化参数。