豎向排列隧道的地震響應分析

宋立兵

（中國神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 100071）

豎向排列隧道的地震響應分析

宋立兵

（中國神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 100071）

建立了均質豎向排列隧道模型，對模型輸入koyna地震波，研究豎向排列隧道的動力力學響應特征。分析結果表明，地震對豎向排列隧道的影響非常明顯，最大應力的出現時間與地震波加速度峰值時間一致，且最大主應力增幅不大，不會對隧道造成損害；地震對隧道的破壞主要體現在拉應力方面，地震情況下的拉應力已經超過了圍巖的抗拉強度，抗拉設計是抗震設計的重點。這個研究有利于類似工程的抗震設計。

隧道工程；地震響應；穩定性

1 引言

地震是威脅人類安全的主要自然災害之一。我國地震活動非常頻繁。因此，我國地下工程的震害問題不容忽視[1]。地下隧道群中主要有：豎向排列、水平排列、斜向排列、混合排列。目前，對豎向排列隧道受地震波的影響分析較少[2]。為此，筆者利用ABAQUS提供的動力計算功能，對豎向排列隧道受地震波條件下的響應規律進行研究，分析地震波對豎向排列隧道穩定性的影響，以對地下工程的抗震設計提供理論借鑒。

2 計算模型

地下隧道群由豎向排列的橫截面為矩形的2個隧道組成，隧道的長、高均分別為30 m和15 m。上部隧道埋深30 m，下部隧道埋深75 m，下部隧道下方圍巖取120 m。不考慮隧道走向方向對計算結果的影響。根據模型大小和地下硐室群的特點，共分14946個單元和15194個節點。

2.1 巖體物理力學參數

為了獲得豎向排列隧道的地震響應，暫不考慮分層巖土體物理力學參數變化對地下硐室群穩定性的影響，計算模型中巖體取為均質巖體材料。計算所需的巖體物理力學參數，根據西部某地巖石物理力學參數折減得來，見表1。

2.2 初始條件和邊界條件

初始地應力場僅按自重應力場考慮。靜態分析所采用的固定邊界或彈性邊界，在動力分析中將導致向外傳播的波反射回模型，對隧道工程這樣的半無限體進行模擬時，必須處理實際上趨于無窮遠的邊界問題。在計算時將模型邊界設置為粘滯邊界。根據經驗采用5%瑞利阻尼。

表1 巖體物理力學參數

2.3 地震荷載

為模擬地震對豎向排列隧道的影響，輸入發生在koyna地區的地震波進行研究。地震波計算時間取10s，水平方向最大加速度為3.15m/s2（0.321g）。

3 靜力結果

靜力開挖條件下，并向排列隧道開挖中，應力與位移保持左右對稱，壓應力最大值為5.47MPa，位于下部隧道側邊處。上部與下部隧道之間連接區域以拉應力為主。拉應力最大為77.3 kN，位于上部隧道與下部隧道之間。下部隧道頂板中點出現最大下沉值為0.003 m，下部隧道產生底鼓，底板中點出現最大值為0.005m。

4 動力響應

4.1 應力響應

在地震作用下，豎向排列洞室左右兩端的應力不再保持對稱。由圖1可以看出，上部隧道應力最大值為2.0 MPa，而下部隧道中點的最大應力值為6.0 MPa。上部隧道與下部隧道之間的圍巖在地震過程中出現最大拉應力為4.24 MPa，已經超過圍巖的抗拉強度，圍巖有拉壞的趨勢，震害風險甚大，說明豎向排列隧道情況下兩個隧道之間為抗震設計的重點。

圖1 下部隧道底板中點最大主應力時程曲線

4.2 位移響應

施加地震后，各點的位移隨著地震時程的不同而發生改變，有時隆起，有時下沉，這說明地震作用對地下硐室群穩定性的影響非常復雜，圍巖內部各點存在明顯的行波效應，各點既可能出現拉伸也可能出現壓縮。可以看出在地震作用下，最大下沉值超過0.28m，地震結束后殘余位移約為0.1m。

5 結論

a.地震對豎向排列隧道穩定性的影響非常明顯，隧道的應力與位移存在明顯的行波特性。與地震加速度的時程曲線非常吻合。

b.地震對豎向排列隧道的最大主應力影響不大，而拉應力影響非常大，拉應力峰值已經接近圍巖的抗拉強度，圍巖有拉裂破壞的趨勢，震害風險非常大。

c.地震對豎向排列隧道的位移產生的影響主要變現在位移隨著地震的時程發生拉伸與壓縮變化，最終會產生參與變形，這是抗震設計中需要考慮的。

[1] 楊小禮,張丙強,王志斌等.淺埋大跨度連拱隧道地震反應分析[J].中南大學學報:自然科學版,2006,37（5）:991-996.

[2] 高峰，李德武.隧道三維地震反應分析若干問題的研究，巖土工程學報，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

編輯：徐樹文

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，寧夏平羅人，工程師，主要從事采礦工程方面的工作。