沉管隧道抗震研究現狀綜述

譚家麒

摘要：沉管隧道逐漸成為了水下隧道施工方式的最優方案。但沉管隧道和所有基礎建設一樣，都必須經受住地震的考驗。本文對國內外關于沉管隧道抗震研究現狀進行了綜述。

關鍵字：水底隧道；沉管隧道；抗震研究

一、前言

沉管隧道給國家社會帶來了發展的同時，也不可避免會地受到地震的影響。沉管結構如果由于地震受到嚴重的破壞，將會帶來毀滅性的損失。因此，沉管隧道結構在對抗地震破壞的設計要求，已經受到了學者們的高度重視。本文綜述了針對沉管隧道抗震研究的現狀，希望對今后關于沉管隧道抗震研究工作有借鑒作用。

沉管隧道地震效應反應特點

二、沉管隧道抗震現狀

針對沉管隧道這一特殊結構，借鑒陳慶，項宗方[1]先前所研究的內容，對于沉管隧道抗震的方法主要有：觀測法、理論分析、數值模擬和實驗法。

（一）觀測法

觀測法是在發生地震后，通過對管體的變形特征和對其動力特性進行實測后得出的響應特性。其包含了震害的調查和地震的監測。但由于地震發生的不確定時因素太多，以及條件的限制，所以對于這方面的資料是有限的。對地震的監測可以在發生地震時，得到沉管結構的動力響應過程。

（二）理論分析

理論分析分為波動法和結構動力學法。

1）波動法

波動法是在求解波動方程的基礎上，對整個系統進行分析研究，而不單獨以荷載為對象進行分析，來求得其應力場與波動場。高廣運[2]等采用大弧假定，得出了半空間隧道和襯砌中散射波在P波作用下的級數表達式。波動法通常用于分析平面問題，當地震波頻率過高以及易受到干擾時，其應用會受到限制。

2）結構動力學法

結構動力學法是假定土體介質中的波動場不會受到結構的影響，用彈簧和阻尼罐替代土體介質的作用，對沉管結構施加相互作用力，將其視為主要對象求解其地震動力反應。此方法的重點是要求出土體介質的阻尼常數和彈性常數。董云、樓夢麟[3]針對港珠澳超長沉管隧道通過時域數值計算，討論了考慮地震輸入荷載影響時Rayleigh阻尼系數的選擇方法以及其比例系數的確定。但管體受到圍巖的動力影響在時間和空間上都是耦合的，所以結構動力學法很難對地震作用的響應做出準確的分析。

（三）數值模擬

對于復雜地形、地質中的地下結構，從理論上分析對其地震響應有一定的困難，因此，數值模擬成為了當今學者最常用的研究方法。如今，在沉管隧道中所用到的數值模擬主要包括有限元法、離散單元法、邊界單元法。

1）有限元法

有限元法是如今分析巖土結構地震響應使用頻率最高的數值模擬方法，它是采用離散的單元對連續體場函數的離散解進行求解。嚴松宏[4]等運用二維平面有限元法計算了南京長江越江隧道沉管段在地震作用下產生的內力和變形，其計算結果對沉管設計具有參考價值。但有限元法的缺點是在計算過程中，忽略了軟弱地質條件的影響。并且，有限元法是針對局部進行計算，其研究范圍受到了限制。

2）離散單元法

離散單元法是將選定的軟弱面巖體當作研究塊體，允許其移動或分離，從而模擬巖體的非線性變形。但只有對于整體性較差的巖體進行模擬才會顯著的效果，這樣，離散單元法就有一定的局限性。所以在實際運用過程中，通常把離散單元法與其他方法結合進行分析。

3）邊界單元法

邊界單元法是在將求解域的邊界離散化的基礎上，用邊界單元代替域邊界，最后用邊界單元建立線性方程，再求解。但由于求解過程中存在多種介質，分析過程較復雜，所以一般不會單獨運用于沉管結構地震反應的分析。

如今，很多學者通過數值模擬的方法對沉管隧道的抗震進行了研究，并得出了有價值的結論。曹文宏 [5]等運用高性能計算機，對上海外環沉管隧道進行了地震響應的三維數值模擬研究。李偉華[6]運用顯式有限元法，分析了水深、地質條件等因素對沉管隧道地震反映的影響，并得出一些可供沉管隧道抗震設計參考的結論。

（四）實驗研究

實驗研究是通過激震實驗對沉管隧道結構的響應特征進行研究，主要方法就是振動臺模型試驗。振動臺實驗可以深入地模擬隧道結構從而獲得精確的動力響應特性和震害特性。徐志英、施善云[7] 用大型振動臺進行了土—地下結構的動力相互作用試驗并在這種試驗的基礎上提出了土—地下結構動力相互作用的計算模型。但振動臺實驗在邊界條件的處理上還有待進一步深化。

三、結語

本文重點闡述了沉管隧道抗震分析的方法。如今雖然對沉管隧道抗震有一些研究與探索的結論，但是由于沉管結構的不成熟和沉管結構的地震響應特性的特殊性，實際運用于工程的較少。從筆者的角度認為，如下幾個方面還需要更多的學者進行更多更深的研究：

1. 沉管隧道上部回填土的厚度以及水底挖槽深度對其地震響應特性的影響

2. 對于沉管隧道抗震具體措施以及震后的補救措施還不夠明確

3. 關于沉管隧道抗震的理論并沒有很好地聯系到實際工程

在今后的研究中，圍繞這些方法展開深入的分析研究，并建立起完善的沉管隧道抗震研究體系，為我國沉管隧道乃至地下結構的抗震設計和研究提供依據。

參考文獻：

[1]陳慶，項宗方.地下結構抗震研究現狀綜述[J].四川建筑科學研究，2011，37（6）.

[2]高廣運，李育樞，李天斌.P波作用下淺埋圓形襯砌隧道動力反應分析[J].中南公路工程，2007，32（2）.

[3]董云，樓夢麟.關于超長沉管隧道地震反應分析中瑞利阻尼矩陣的討論[J].地震工程與工程振動，2014，34（1）.

[4]嚴松宏，潘昌實.沉管隧道在地震與靜荷載共同作用下橫向受力分析[J].蘭州交通大學學報，2009，28（3）.

[5]曹文宏，喬宗昭，金先龍，陳鴻.外環線沉管隧道地震響應的三維數值模擬[J].中國市政工程，2006，119（1）.

[6]李偉華.考慮水-飽和土場地-結構耦合時的沉管隧道地震反應分析[J].防災減災工程學報，2010，30（6）.

[7]徐志英，施善云.土與地下結構動力相互作用的大型振動臺試驗與計算[J].巖土工程學報，1993，15（4）.endprint