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(zhì)過程機制分析，并針對不同的坡高和坡度進行數(shù)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?shù)姆糯笮Ч苍谠龃?。研究結(jié)果可為高烈度山區(qū)隧道洞口仰坡失穩(wěn)評判預測方法提出一些新的建議。

關(guān)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(fā)帶，且多高山峽谷，西部建設(shè)難免會在高山區(qū)修建隧道，一旦發(fā)生強震，隧道最可能發(fā)生破壞的部位為洞口段。洞口段仰坡在強震作用下極易發(fā)生失穩(wěn)。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(xiàn)破壞。通過對汶川地震重災區(qū)都-汶公路隧道的現(xiàn)場調(diào)研和資料收集[1]（李天斌，2008），在被調(diào)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(xiàn)仰坡失穩(wěn)、洞門損壞等使人的生命和財產(chǎn)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(qū)隧道洞口的選取、進洞方式、支護設(shè)計都具有重要的意義。

2 數(shù)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(jié)通過對仰坡設(shè)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(shù)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(shù)如表1所示。

2.2 坡高的影響

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

坡高20m塑性區(qū)發(fā)展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，并向深部圍巖擴展；0.01秒至0.04秒時間段，隧道內(nèi)部圍巖開始出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，并向上部圍巖擴展，隨時間推移，剪切塑性區(qū)逐漸貫穿至頂，且塑性區(qū)面積逐漸擴大；仰坡剪切塑性區(qū)最早出現(xiàn)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(qū)發(fā)展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，并向深部圍巖擴展；0.02秒時間時，在上部圍巖性質(zhì)變化的交界面，出現(xiàn)拉張塑性區(qū)，且最早出現(xiàn)在底部，隨著時間進行，拉張塑性區(qū)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(qū)逐漸從洞口擴展至整個洞身，0.04秒以后，剪切塑性區(qū)逐漸向上部圍巖擴展，且?guī)r性交界面處剪切塑性區(qū)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(xiàn)剪切塑性區(qū)，隨時間推移，塑性區(qū)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(qū)從襯砌附近開始逐漸向周圍擴展。

坡高40m塑性區(qū)發(fā)展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，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(zhì)變化的交界面，出現(xiàn)拉張塑性區(qū)，且最早出現(xiàn)在底部，隨著時間進行，拉張塑性區(qū)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(qū)逐漸從洞口擴展至整個洞身，0.04秒以后，剪切塑性區(qū)逐漸向上部圍巖擴展，原來交界面受拉張的區(qū)域，從底部開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗羟衅茐那已亟唤缑嫦蛏蠑U展；0.05秒之后，仰坡開始從底部出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，并不斷沿坡面向上擴展，最終與坡體內(nèi)部塑性區(qū)同時達到坡頂，形成貫通區(qū)。整個過程中，洞口處圍巖，先受拉后受剪，且塑性區(qū)從襯砌附近開始逐漸向周圍擴展。

2.2.2 坡高的影響規(guī)律。由以上成果可得出：最先在洞口出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，然后向四周和深部圍巖擴展，且剪切塑性區(qū)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(xiàn)拉張塑性區(qū)，然后隨時間推移由下至上轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟兴苄詤^(qū)，直至貫通。不同坡高情況下，拉張、剪切破壞出現(xiàn)的時刻及其擴展的速度不同，坡高越高，塑性區(qū)出現(xiàn)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(qū)計算結(jié)果

坡度30°塑性區(qū)發(fā)展過程：從加載起至0.01秒，首次在洞口段出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，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(xiàn)剪切塑性區(qū)，并向上擴展；0.05秒左右，邊仰坡出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，最早沿巖性變化交界面擴展；0.06秒左右，仰坡坡面出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，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(tài)。

坡度45°塑性區(qū)發(fā)展過程：該模型使用的標準模型，發(fā)展過程同坡高20m塑性區(qū)發(fā)展過程。

坡度60°塑性區(qū)發(fā)展過程：從加載起至0.02秒，首次在洞口段出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，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(xiàn)剪切塑性區(qū)，并向上擴展；0.05秒左右，仰坡巖性交界面處最先出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，并由下向上擴展；0.06秒時，交界面處剪切塑性區(qū)貫通，坡面從底部出現(xiàn)的剪切塑性區(qū)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(guī)律。由以上成果可得出，最早在洞口出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，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(qū)擴展最為迅速且最先發(fā)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(jié)束語

主要結(jié)論如下：（1）我國西部地區(qū)高海拔、多山地，巖體穩(wěn)定性較差，強震作用下，隧道洞口仰坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞，仰坡的坡高及坡度的不同對其穩(wěn)定性有較大影響。（2）通過數(shù)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(qū)地震多發(fā)帶進行隧道工程的建設(shè)，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(guān)鍵及影響因素分析[J].工程地質(zhì)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.