豎向排列隧道的地震響應(yīng)分析

宋立兵

（中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 神木 100071）

豎向排列隧道的地震響應(yīng)分析

宋立兵

（中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 神木 100071）

建立了均質(zhì)豎向排列隧道模型，對(duì)模型輸入koyna地震波，研究豎向排列隧道的動(dòng)力力學(xué)響應(yīng)特征。分析結(jié)果表明，地震對(duì)豎向排列隧道的影響非常明顯，最大應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間與地震波加速度峰值時(shí)間一致，且最大主應(yīng)力增幅不大，不會(huì)對(duì)隧道造成損害；地震對(duì)隧道的破壞主要體現(xiàn)在拉應(yīng)力方面，地震情況下的拉應(yīng)力已經(jīng)超過了圍巖的抗拉強(qiáng)度，抗拉設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。這個(gè)研究有利于類似工程的抗震設(shè)計(jì)。

隧道工程；地震響應(yīng)；穩(wěn)定性

1 引言

地震是威脅人類安全的主要自然災(zāi)害之一。我國(guó)地震活動(dòng)非常頻繁。因此，我國(guó)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(duì)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(dòng)力計(jì)算功能，對(duì)豎向排列隧道受地震波條件下的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析地震波對(duì)豎向排列隧道穩(wěn)定性的影響，以對(duì)地下工程的抗震設(shè)計(jì)提供理論借鑒。

2 計(jì)算模型

地下隧道群由豎向排列的橫截面為矩形的2個(gè)隧道組成，隧道的長(zhǎng)、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?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)模型大小和地下硐室群的特點(diǎn)，共分14946個(gè)單元和15194個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

為了獲得豎向排列隧道的地震響應(yīng)，暫不考慮分層巖土體物理力學(xué)參數(shù)變化對(duì)地下硐室群穩(wěn)定性的影響，計(jì)算模型中巖體取為均質(zhì)巖體材料。計(jì)算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)西部某地巖石物理力學(xué)參數(shù)折減得來(lái)，見表1。

2.2 初始條件和邊界條件

初始地應(yīng)力場(chǎng)僅按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。靜態(tài)分析所采用的固定邊界或彈性邊界，在動(dòng)力分析中將導(dǎo)致向外傳播的波反射回模型，對(duì)隧道工程這樣的半無(wú)限體進(jìn)行模擬時(shí)，必須處理實(shí)際上趨于無(wú)窮遠(yuǎn)的邊界問題。在計(jì)算時(shí)將模型邊界設(shè)置為粘滯邊界。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用5%瑞利阻尼。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 地震荷載

為模擬地震對(duì)豎向排列隧道的影響，輸入發(fā)生在koyna地區(qū)的地震波進(jìn)行研究。地震波計(jì)算時(shí)間取10s，水平方向最大加速度為3.15m/s2（0.321g）。

3 靜力結(jié)果

靜力開挖條件下，并向排列隧道開挖中，應(yīng)力與位移保持左右對(duì)稱，壓應(yīng)力最大值為5.47MPa，位于下部隧道側(cè)邊處。上部與下部隧道之間連接區(qū)域以拉應(yīng)力為主。拉應(yīng)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(diǎn)出現(xiàn)最大下沉值為0.003 m，下部隧道產(chǎn)生底鼓，底板中點(diǎn)出現(xiàn)最大值為0.005m。

4 動(dòng)力響應(yīng)

4.1 應(yīng)力響應(yīng)

在地震作用下，豎向排列洞室左右兩端的應(yīng)力不再保持對(duì)稱。由圖1可以看出，上部隧道應(yīng)力最大值為2.0 MPa，而下部隧道中點(diǎn)的最大應(yīng)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(xiàn)最大拉應(yīng)力為4.24 MPa，已經(jīng)超過圍巖的抗拉強(qiáng)度，圍巖有拉壞的趨勢(shì)，震害風(fēng)險(xiǎn)甚大，說(shuō)明豎向排列隧道情況下兩個(gè)隧道之間為抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖1 下部隧道底板中點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

4.2 位移響應(yīng)

施加地震后，各點(diǎn)的位移隨著地震時(shí)程的不同而發(fā)生改變，有時(shí)隆起，有時(shí)下沉，這說(shuō)明地震作用對(duì)地下硐室群穩(wěn)定性的影響非常復(fù)雜，圍巖內(nèi)部各點(diǎn)存在明顯的行波效應(yīng)，各點(diǎn)既可能出現(xiàn)拉伸也可能出現(xiàn)壓縮。可以看出在地震作用下，最大下沉值超過0.28m，地震結(jié)束后殘余位移約為0.1m。

5 結(jié)論

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

b.地震對(duì)豎向排列隧道的最大主應(yīng)力影響不大，而拉應(yīng)力影響非常大，拉應(yīng)力峰值已經(jīng)接近圍巖的抗拉強(qiáng)度，圍巖有拉裂破壞的趨勢(shì)，震害風(fēng)險(xiǎn)非常大。

c.地震對(duì)豎向排列隧道的位移產(chǎn)生的影響主要變現(xiàn)在位移隨著地震的時(shí)程發(fā)生拉伸與壓縮變化，最終會(huì)產(chǎn)生參與變形，這是抗震設(shè)計(jì)中需要考慮的。

[1] 楊小禮,張丙強(qiáng),王志斌等.淺埋大跨度連拱隧道地震反應(yīng)分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,37（5）:991-996.

[2] 高峰，李德武.隧道三維地震反應(yīng)分析若干問題的研究，巖土工程學(xué)報(bào)，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。