不同地形條件下隧道洞口仰坡的地震動力響應

摘 要：通過地質過程機制分析，并針對不同的坡高和坡度進行數值模擬分析，得出隧道仰坡隨坡高的增大，放大作用越明顯，且隨坡度的增大，洞口和坡頂的放大效果也在增大。研究結果可為高烈度山區隧道洞口仰坡失穩評判預測方法提出一些新的建議。

關鍵詞：洞口仰坡；地震；動力響應

1 概述

我國西部處于地震多發帶，且多高山峽谷，西部建設難免會在高山區修建隧道，一旦發生強震，隧道最可能發生破壞的部位為洞口段。洞口段仰坡在強震作用下極易發生失穩。08年5·12汶川特大地震，造成都江堰-汶川的公路隧道不同程度地出現破壞。通過對汶川地震重災區都-汶公路隧道的現場調研和資料收集[1]（李天斌，2008），在被調查的紫坪鋪、龍溪等11座隧道中，隧道洞口段受損嚴重，很多洞口出現仰坡失穩、洞門損壞等使人的生命和財產遭受威脅。通過對不同地形條件下隧道洞口仰坡的地震動力響應的研究，對強震區隧道洞口的選取、進洞方式、支護設計都具有重要的意義。

2 數值模擬分析

為了探究隧道洞口仰坡坡高和坡度在不同的情況下，洞口段地震動力響應有何差異，本節通過對仰坡設置20m、30m、40m三種不同高度和30°、45°、60°三種不同坡度分別建立了數值模型，并模擬了地震波分析其動力響應。為了便于比較，建立了一個標準模型（坡高20m、坡度45°），只改變其中一個因素，來研究該因素對洞口仰坡的地震動力響應。

2.1 標準模型的建立

如圖1所示為標準模型，坡高20m，仰坡坡度45°，隧道跨度10m，左右各延伸7m，底部延伸10m。為方便進行分析，所有模型均以整體的一半顯示。模型材料參數如表1所示。

2.2 坡高的影響

2.2.1 塑性區計算結果。塑性區表示的是潛在破壞區或已破壞的區域包括拉張、剪切破壞，其狀態包含正在拉張破壞、正在剪切破壞、曾經拉張破壞、曾經剪切破壞、沒有破壞狀態。對比不同時刻該邊坡塑性狀態，可以得出邊坡的變形破壞機理[2][3][4]。

坡高20m塑性區發展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現剪切塑性區，并向深部圍巖擴展；0.01秒至0.04秒時間段，隧道內部圍巖開始出現剪切塑性區，并向上部圍巖擴展，隨時間推移，剪切塑性區逐漸貫穿至頂，且塑性區面積逐漸擴大；仰坡剪切塑性區最早出現在坡底部，逐漸向上延展直至貫通。并且隨計算時間的改變，洞口段襯砌周邊圍巖先受拉張破壞，后受剪切破壞。

坡高30m塑性區發展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現剪切塑性區，并向深部圍巖擴展；0.02秒時間時，在上部圍巖性質變化的交界面，出現拉張塑性區，且最早出現在底部，隨著時間進行，拉張塑性區沿交界面向上擴展；0.03秒至0.04秒時間段，襯砌附近圍巖的剪切塑性區逐漸從洞口擴展至整個洞身，0.04秒以后，剪切塑性區逐漸向上部圍巖擴展，且巖性交界面處剪切塑性區擴展最為迅速，最先形成貫通；0.05秒開始，仰坡坡腳處開始出現剪切塑性區，隨時間推移，塑性區向上部擴展直至貫通。整個過程中，洞口處圍巖，先受拉后受剪，且塑性區從襯砌附近開始逐漸向周圍擴展。

坡高40m塑性區發展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現剪切塑性區，并向深部圍巖擴展；0.01秒至0.02秒時間段，在上部圍巖性質變化的交界面，出現拉張塑性區，且最早出現在底部，隨著時間進行，拉張塑性區沿交界面向上擴展；0.02秒至0.04秒時間段，襯砌附近圍巖的剪切塑性區逐漸從洞口擴展至整個洞身，0.04秒以后，剪切塑性區逐漸向上部圍巖擴展，原來交界面受拉張的區域，從底部開始轉變為受剪切破壞且沿交界面向上擴展；0.05秒之后，仰坡開始從底部出現剪切塑性區，并不斷沿坡面向上擴展，最終與坡體內部塑性區同時達到坡頂，形成貫通區。整個過程中，洞口處圍巖，先受拉后受剪，且塑性區從襯砌附近開始逐漸向周圍擴展。

2.2.2 坡高的影響規律。由以上成果可得出：最先在洞口出現剪切塑性區，然后向四周和深部圍巖擴展，且剪切塑性區不斷向上延展直至貫通。如果邊坡較高（≥30m）的情況下，在上部巖性交界面處先出現拉張塑性區，然后隨時間推移由下至上轉變為剪切塑性區，直至貫通。不同坡高情況下，拉張、剪切破壞出現的時刻及其擴展的速度不同，坡高越高，塑性區出現時刻越早、擴展速度越快。

不同坡高情況下，在坡頂處均有放大效應，且隨坡高的增高，放大作用越明顯。

2.3 仰坡坡度的影響

2.3.1 塑性區計算結果

坡度30°塑性區發展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現剪切塑性區，并向深部圍巖擴展；0.02秒至0.04秒，隧道深處襯砌周邊圍巖出現剪切塑性區，并向上擴展；0.05秒左右，邊仰坡出現剪切塑性區，最早沿巖性變化交界面擴展；0.06秒左右，仰坡坡面出現剪切塑性區，并由下而上擴展；0.07秒時候邊仰坡基本處于剪切破壞狀態。

坡度45°塑性區發展過程：該模型使用的標準模型，發展過程同坡高20m塑性區發展過程。

坡度60°塑性區發展過程：從加載起至0.02秒，首次在洞口段出現剪切塑性區，并向深部圍巖擴展；0.03秒至0.04秒時間段，襯砌周邊圍巖出現剪切塑性區，并向上擴展；0.05秒左右，仰坡巖性交界面處最先出現剪切塑性區，并由下向上擴展；0.06秒時，交界面處剪切塑性區貫通，坡面從底部出現的剪切塑性區向上部擴展；0.08秒時，邊仰坡基本破壞。

2.3.2 仰坡坡度的影響規律。由以上成果可得出，最早在洞口出現剪切塑性區，并不斷向四周和隧道深部擴展，隨即向上延展，仰坡巖性交界面剪切塑性區擴展最為迅速且最先發生貫通。

在洞口和坡頂處地震放大作用明顯，且隨坡度的增大，洞口和坡頂處的放大效果均在增大。

3 結束語

主要結論如下：（1）我國西部地區高海拔、多山地，巖體穩定性較差，強震作用下，隧道洞口仰坡易發生失穩破壞，仰坡的坡高及坡度的不同對其穩定性有較大影響。（2）通過數值分析得出：在地震作用下，坡高越高，仰坡坡度越大，地震放大作用越明顯。因此，在西部地區地震多發帶進行隧道工程的建設，應盡量避免高邊坡、仰坡較大的地帶。

參考文獻

[1]李天斌.汶川特大地震中山嶺隧道變形破壞關鍵及影響因素分析[J].工程地質學報，2008，16（6）：742-750.

[2]言立信，蔡漢成，王群敏，等.巖土體在地震作用下的破壞研究[J].煤炭學報，2010，35（10）：1621-1626.

[3]鄭穎人，葉海林，黃潤秋.地震邊坡破壞機制及其破裂面的分析探討[J].巖石力學與工程學報，2009，28（8）：1714-1723.

[4]STEVENL，VANIER.G Geotechnical Earthquake Eenineering.Prenti

-ceHallinc.U.S.A.1996，423-462.