隧道全自動結構計算軟件SDC抗震模塊的研發與應用

田志宇，林國進，丁 堯

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041)

目前市場上可以用來進行隧道結構計算的軟件有ANSYS，FLAC，MIDAS/GTS，同濟曙光等。這些軟件功能強大，但是要真正能夠熟練運用這些計算軟件切實解決工程問題，沒有幾年的勤學苦練是不行的。一個隧道計算分析人員必須掌握結構力學、材料力學、土力學、巖石力學、隧道力學、混凝土結構設計原理、有限元原理、有限差分原理、相關軟件的操作技巧等一系列知識，才能正確使用這些軟件解決隧道設計與施工中的問題。

隧道結構抗震計算不但要求工程技術人員有扎實的力學基礎、隧道知識，以及復雜的計算軟件操作技巧，還要求其掌握地震、隧道抗震方面的知識，因此對一般的工程技術人員來講，能夠進行隧道結構抗震計算并不容易，本文介紹的新研發的隧道抗震計算模塊可明顯簡化這種計算分析工作。

1 隧道全自動結構計算軟件簡介

1.1 軟件的研發過程［1-4］

自2006年開始，四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院隧道研究設計處所做的隧道結構計算分析共計有70余項。技術人員在計算過程中不斷積累、總結、改進，于2012年開發出隧道全自動結構計算軟件SDC。該軟件是基于通用有限元程序ANSYS和面向對象設計語言Microsoft Visual Basic，針對隧道工程設計與施工的實際需要而開發的隧道專用計算軟件，有很強的實用性，能夠簡便高效地處理隧道工程問題。

1.2 軟件的主要特點

1)簡便:輸入參數即可計算。用戶不用學習有限元理論與ANSYS軟件中建模、分網、計算、后處理等操作技巧，只需選擇計算模塊，并根據提示輸入參數后便可進行計算。原本復雜的隧道結構計算分析變得輕松簡單。目前該軟件是國內最容易操作的隧道有限元計算軟件。

2)高效:幾分鐘解決隧道工程問題。對于一個能夠熟練運用有限元軟件的工程師來說，對某個隧道問題進行計算分析也需要幾天、甚至幾周的時間，而使用本軟件幾分鐘即可完成。

3)實用:專為解決隧道工程問題研發。該軟件既可以對各種工況下各種類型的公路隧道結構(如明洞、暗洞初支、二襯等)進行計算分析，也能對各種工況下的城市下穿隧道的船槽結構、矩形框結構，以及盾構隧道等進行計算分析;不但能夠計算隧道結構的變形、內力，還可以對隧道結構安全系數進行圖形化顯示。

1.3 軟件抗震計算模塊的研發

2012年，以“交通部西部交通建設科技項目——公路隧道抗震及減震技術研究”(項目編號:200831800026)中所提出的新靜力法為理論基礎，研發了隧道抗震計算模塊，使工程技術人員能輕松、快捷、準確地進行隧道淺埋段抗震計算分析。

2 抗震模塊的理論基礎［5-6］

抗震模塊與其它隧道計算模塊的不同之處是抗震模塊考慮了地震力，以及周邊地層彈性抗力系數的折減。下面簡要介紹新靜力法中地震力的計算方法與地層彈簧彈性抗力系數的折減方法。

2.1 地震力的計算方法

2.1.1 埋深5～25 m(含)的地震力

經過大量分析、論證、試算，得出淺埋隧道橫斷面的地震力計算方法。當地震烈度為7，9，11度，埋深h在5～25 m(含)時，隧道橫斷面的地震力計算方法如下:

1)結構的水平慣性力

作用在構件或結構重心處的地震慣性力F一般可表示為

式中:a為作用于結構的地震加速度;g為重力加速度;W為結構的重力;Kc為與地震加速度有關的地震系數。

對于圓形襯砌隧道結構，可以將式(1)具體化并簡化，則勻布的水平慣性力F'1為

式中:ηc為綜合影響系數，與工程重要性、隧道埋深、地層特性有關，對于巖石地基ηc=0.2，對非巖石地基ηc=0.25;Kh為水平地震系數;m為襯砌質量;D為襯砌外直徑。

2)主動側向土壓力增量

地震時地層的內摩擦角要發生變化，由原來的φ減少為(φ － β)，其中 β 為地震角，在 7，8，9，10，11 度區 β 分別為 1.5°，3.0°，6.0°，12.0°，24.0°。因此，結構一側的主動側向土壓力增量Δei為

式中:qi為i點的豎向土壓力，qi= λahi，hi為i點距地表的距離。

3)上方土柱作用在襯砌上半拱圈的摩擦力f為

式中:k為上方土柱摩擦力與其自重的關系系數(如表1所示);G為上方土柱的自重。

計算出全部的地震力后，對于7度和9度地震可以直接使用計算結果，而對于11度地震要對式(2)、式(3)計算結果進行修正，將計算值調整為原來的1/3。

表1 上方土柱摩擦力與其自重的關系系數k

全部的地震力表達圖式見圖1。

圖1 淺埋隧道地震力圖式

2.1.2 其它埋深范圍的地震力

①埋深在25～30 m，采用25 m作為計算埋深;②埋深＞30 m，不作抗震計算;③埋深≤5 m時，可以將地震力計算值進行適當修正，但修正系數還需要進一步研究。

2.2 地層彈性抗力系數的調整

經動力計算研究，當地震烈度為7，9度時，襯砌與圍巖脫空概率較大的區域主要分布在拱肩與拱腰處，且脫空區域呈反對稱特征，即若襯砌一側脫空，另一側會與圍巖密貼。

可以通過調整拱肩、拱腰、拱腳處的彈性抗力系數K來模擬襯砌一側脫空另一側密貼的現象，即要對兩側的拱肩、拱腰、拱腳處的K值均作調整，一側調大，另一側調小。根據脫空區的概率分布，可以考慮以襯砌圓心為中心點，在拱肩、拱腰與拱腳處5°范圍調整彈性抗力系數。

在明確了地震附加荷載的基礎上，通過試算不斷調整K值，使新靜力法計算得到的結構內力、最小安全系數同動力計算得到的結果盡可能接近。通過試算，當地震烈度為9度時，襯砌一側的拱肩、拱腰、拱腳處的彈性抗力系數減小20%，另一側增大20%，結構內力和安全系數接近動力計算結果，如圖2所示。

圖2 K的調整范圍與調整大小

當地震烈度為其它烈度時，也按上述方法對K值進行折減。

3 抗震模塊使用說明

SDC軟件的抗震模塊操作簡單，與其它各子模塊的操作方式相同，步驟如下:①雙擊軟件圖標，啟動軟件，進入軟件主界面。②選擇抗震計算模塊，見圖3(a)。③新建計算項目，見圖3(b)。④逐一填入各個參數值。單擊參數值時，備注欄中將出現關于該參數的解釋，根據解釋及建議值填入參數值，見圖3(c)。⑤單擊“開始計算”按鈕。備注欄中將出現“正在計算，請稍后……”的提示。⑥讀取結果。備注欄中“正在計算，請稍后……”的提示消失，并出現“計算完成!”的提示時即可讀出結果，見圖3(d)。

圖3 計算過程示意

4 應用實例

汶川地震震中區附近都江堰至汶川高速公路龍溪隧道洞口段某斷面埋深25 m，Ⅴ級圍巖，地震烈度11度。應用SDC計算該洞口淺埋段在地震工況下的變形、內力與安全系數。

該洞口淺埋段設計采用Ⅴ加強型襯砌，具體支護參數見表2。

計算所涉及的材料主要為巖土、支護結構(混凝土、鋼筋)，相應的材料參數參照《公路隧道設計規范》［7］(JTG D70—2004)取值，見表3、表4。

表2 Ⅴ加強型襯砌支護參數cm

表4 支護材料物理力學參數

地震相關系數采用SDC軟件按新靜力法計算得出，見表5。按照抗震模塊操作說明進行計算，計算模型見圖4(a)。計算結果見圖4(b)～4(e)。

表5 地震相關系數

由圖4可知，當烈度為11度時，襯砌某些部位(如拱腳)出現安全系數＜1.0的情況，說明二襯已經發生破壞，這與洞口淺埋段實際破壞情況(圖4(f))基本相符。計算得出的發生破壞的部位與實際發生破壞的部位并沒有完全吻合。

圖4 實例計算結果及現場破壞情況

5 結論

1)以“交通部西部交通建設科技項目——公路隧道抗震及減震技術研究”中的新靜力法為理論基礎所編制的隧道全自動結構計算軟件抗震計算模塊能夠簡便、高效地對地震工況下的隧道結構進行力學分析。

2)應用抗震計算模塊對汶川地震一受損隧道進行計算分析，計算結果與觀察到的隧道洞口淺埋段震害現象在宏觀層面吻合得較好。

3)計算得出的發生破壞的部位與實際發生破壞的部位并沒有完全吻合，說明靜力法有一定的局限性。用靜力法進行隧道結構抗震計算還需要做更加深入的研究，以使計算結果與實際情況吻合得更好。

［1］田志宇，林國進，丁堯，等.隧道全自動結構計算軟件用戶手冊［Z］.成都:四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，2012.

［2］田志宇，丁堯，林國進，等.SDC隧道專用計算軟件的開發與應用［C］//中國公路學會計算機應用分會2012年學術年會論文集.銀川:中國公路學會計算機應用分會，2012.

［3］田志宇，鄭金龍，丁堯.SDC在隧道設計與后期服務中的應用［J］.公路隧道，2012(2):35-39.

［4］田志宇，林國進，張兆杰.全自動隧道結構計算軟件SDC在支護參數優化中的應用［C］//2013年全國公路隧道學術交流會論文集.重慶:重慶大學出版社，2013.

［5］四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，西南交通大學.公路隧道抗震及減震技術研究總報告［R］.成都:四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，西南交通大學，2012.

［6］耿萍，應礎斌，張征亮，等.隧道結構抗震設計修正的地震系數法及其應用［J］.鐵道建筑，2011(7):42-45.

［7］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.