雙連拱隧道洞口段動力響應研究★

王正松 高 波

2008年“5?12”汶川大地震中，城鎮道路交通設施損毀嚴重。據交通運輸部統計，四川、甘肅、陜西、重慶、云南、湖北、河南等省市，因地震受損的高速公路 19條，國道、省道干線公路 159條，農村公路 7 605條，道路累計長度 53 288 km;受損的橋梁 5 560座，隧道 110座，直接經濟損失653.06億元[1]。

已有資料及實例表明，強烈地震對隧道及地下工程會產生重大影響，一旦隧道破損，修復非常困難，特別是對一些重要線路上的長大隧道，因地震破壞而造成停運帶來的經濟損失遠遠超過隧道本身的修復費用[2-5];隧道洞口是整個隧道抗震設防的薄弱環節。因此，對隧道洞口段地震動力響應研究是十分必要的。

1 模型建立及數值模擬方法

1.1 計算模型建立及計算參數

根據雅瀘高速公路某雙連拱隧道洞口的地形及地質條件，并考慮到動力計算的邊界效應問題，洞口模擬水平方向選取 130m;縱向沿隧道洞軸線方向則選取50m，頂部按照實際地質條件進行適當簡化模擬。隧道模型見圖 1，圍巖參數見表 1。

表1 數值模擬參數表

1.2 邊界條件

以有限區域來模擬無限區域的動力計算必須考慮邊界上波的傳播效應，應不使波在邊界上發生反射再返回到計算域中，因此，在計算中采用黏性邊界，該邊界在FLAC3D模型中被稱之為free-field boundary。具體方法為:在邊界之外一微小距離設立與域內網格相同的單元以模擬無限域，該單元與域內外邊界單元之間以彈性及黏性元件相連，以便吸收邊界的反射能量。

1.3 地震波的選用

本文采用根據場地條件合成的超越概率為 2%的人工地震波，其峰值加速度約為4.37m/s2，出現時刻為6.46 s。由于該地震波能量主要集中在前15 s，故本文采用該地震波前 15 s進行計算[6]。

2 數值模擬結果及分析

2.1 位移、速度及加速度結果及分析

從圖 1～圖 4，表 2可以得到以下幾點認識:

1)襯砌最大絕對位移為-96.48 cm，發生在右線洞口拱頂處;隧道的拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小，同一橫斷面上絕對位移相差很小，見表 2。

表2 位移峰值表 cm

2)在地震作用下的圍巖的位移響應呈水平層狀分布，隨著高程的增大，位移的響應增強，地表的位移響應最大;在相同的高程下，位移地震動力響應量值是基本相同的;隧道結構的位移響應與同一高程處的圍巖位移響應基本相同，隧道結構的存在對圍巖的位移響應影響很小，見圖 1。

3)洞口處位移峰值最大，隨著距洞口距離增大，位移峰值減小。在同一個橫斷面上拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小，見圖2。

4)隧道襯砌各監測點的位移時程曲線形式基本相同，與施加地震波的位移時程曲線在形式上較為接近，可見，隧道的存在并不會改變地震波入射的頻譜特性。

5)從監測地表三點的加速度、速度時程曲線圖可以看出，三點的加速度、速度絕對值大小關系為:aP1＞aP2＞aP3，vP1＞vP2＞vP3(見圖3，圖 4)。這表明地表的加速度、速度響應放大效應是很明顯的，P1，P2，P3位置見圖1。

2.2 內力結果及分析

左右線隧道襯砌彎矩、軸力、剪力峰值計算結果見表 3。

表3 內力峰值表

內力峰值沿縱向變化系 15 s內各斷面監測點的內力值最大值，從圖 1～圖 4，表1～表3可得到:

1)襯砌內力峰值(彎矩、軸力、剪力)發生在洞口處，在距洞口30m內，內力峰值隨著距洞口的距離增加而減小，特別是在距洞口10m內減小幅度很大;在距洞口30m外，內力峰值隨著距洞口的距離增加基本變化很小，趨于穩定;2)隧道襯砌彎矩峰值發生在洞口處墻腳，軸力峰值發生在洞口處墻腳，剪力峰值發生在洞口處拱腰;并且左右線隧道同一斷面最大的內力峰值發生在靠近中墻一側。在地震發生時隧道周圍的巖土體主要是受拉破壞，只有很少一部分是受剪破壞，隧道洞口上部的仰坡主要是受拉破壞。

3 結論及建議

基于以上計算研究，得出以下幾點結論(見圖 5～圖 7)。

1)洞口處位移峰值最大，隨著距洞口距離增大，位移峰值減小。在同一個橫斷面上拱頂處的位移最大，仰拱及墻腳處的位移最小;2)襯砌的內力峰值(彎矩、軸力、剪力)發生在洞口處，在距洞口 30m內，內力峰值隨著距洞口的距離增加而減小，特別是在距洞口 10m內減小幅度很大;3)左右線隧道彎矩峰值發生在墻腳和仰拱，隧道軸力峰值發生在墻腳和拱肩，隧道剪力峰值發生在墻腳和拱腰;4)隧道周圍的巖土體主要是受拉破壞，在設計施工中應適當地加強隧道洞口上部的仰坡，特別是強風化巖石及土體。

在抗震設計中，應充分重視隧道仰拱、拱肩及墻腳等抗震薄弱環節，防止仰拱產生過大的變形，以及在墻腳、拱肩處產生過大的應力集中。在隧道施工中，應充分認識到圍巖對隧道抗震的重要性，盡量采用機械開挖，盡量少擾動圍巖，愛護圍巖，保護圍巖，使圍巖與結構共同作用，減輕結構的損害。

[1] 李建民.“5.12”汶川地震災區橋梁典型損毀情況與原因淺析[J].城市道橋與防洪，2008(8):26-27.

[2] 王明年.高地震區地下結構減震技術原理的研究[D].成都:西南交通大學博士論文，1999.

[3] 王志杰.地震區隧道洞口段減震模式研究[D].成都:西南交通大學碩士論文，1996.

[4] 王義軍.國道318線黃草坪隧道地震動力響應及減震措施研究[D].成都:成都理工大學碩士論文，2005.

[5] 潘昌實.隧道及地下結構物抗震問題的研究概況[J].世界隧道，1996(5):7-16.

[6] 沈聚敏，周錫元.抗震工程學[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.