隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

何俊奎

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

穿越高烈度地區(qū)的隧道工程在遭遇強震時會被破壞，不僅影響隧道的正常運行，特別是由此引發(fā)的次生災(zāi)害以及災(zāi)后修復(fù)、重建給人民財產(chǎn)帶來巨大的損失，因此高烈度地區(qū)的隧道進行抗震設(shè)防是非常必要的。但由于隧道及地質(zhì)體的復(fù)雜性，其抗震設(shè)計計算方法還有一定的局限性。隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計受多種因素的影響和制約，比如：設(shè)防烈度、隧道的結(jié)構(gòu)形式（斷面形狀、跨度、襯砌類型）、隧道周圍的地層狀況（隧道的埋深、圍巖級別、地質(zhì)條件，構(gòu)造環(huán)境、地下水環(huán)境）、以及獲取參數(shù)時采用的試驗方法、試驗設(shè)備等等。本文將對隧道工程抗震設(shè)計的研究進展進行總結(jié)，并對現(xiàn)階段的抗震設(shè)計計算方法的優(yōu)缺點進行分析，針對性地提出優(yōu)化措施和指明研究方向。

1 國內(nèi)外隧道抗震分析方法的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段隧道抗震分析方法主要有原型觀測、理論分析、模型試驗等三大類。

1.1 原型觀測法

原型觀測包含災(zāi)害調(diào)查和現(xiàn)場試驗兩大類?，F(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查是最直觀、最真實的結(jié)果，能客觀反映隧道工程在遭遇地震后的破壞程度，破壞形式，薄弱部位等等，但是必須在震后進行，受觀測時間、手段的限制，沒法很好地揭示隧道結(jié)構(gòu)在地震過程中的動力響應(yīng)過程。但是觀測結(jié)果并不影響對隧道抗震設(shè)計的重要指導(dǎo)意義，所以長期以來一直受到人們的重視，相關(guān)資料也在不斷地積累和總結(jié)。李天斌[1]在汶川地震后對都-汶公路11座隧道進行了現(xiàn)場調(diào)研，將山嶺隧道的破壞形式概括為洞口邊坡崩塌或滑塌，洞門裂損，襯砌圍巖坍塌、開裂、錯位，底板開裂隆起，初期支護變形及開裂等幾種形式。對這些破壞形式進行詳細研究后，指出發(fā)震斷層的次級斷層、基覆界面、洞口不穩(wěn)定斜坡、高地應(yīng)力下的軟弱圍巖等是隧道強震破壞的主要因素，并建議洞口邊坡防護、洞口明洞和洞門結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，穿越活動斷層的次級斷層時，應(yīng)在其兩側(cè)一定范圍內(nèi)二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基覆面、圍巖軟弱過渡帶、圍巖質(zhì)量突變地帶采用改變圍巖力學(xué)性質(zhì)讓其漸變的措施。

現(xiàn)場試驗是在施工過程中預(yù)先在襯砌和圍巖的關(guān)鍵部位埋設(shè)力學(xué)元件，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，通過測試元件記錄的數(shù)據(jù)進行地震動分析。該方法的難點是，現(xiàn)有技術(shù)無法預(yù)測地震什么時候發(fā)生，也不能準確地預(yù)知哪些部位會發(fā)生破壞，所以關(guān)鍵部位的確定可以參考力學(xué)分析和震害調(diào)查的積累，但是由于地層的復(fù)雜性和隧道自身的多樣性，以及地震的不確定性等因素都給該項工作的開展增加了相當(dāng)?shù)碾y度，當(dāng)前主要以人工震源試驗居多。

1.2 理論分析方法

隧道結(jié)構(gòu)由于受周圍地層的約束效應(yīng)，其震動特性表現(xiàn)出與地上結(jié)構(gòu)明顯不同的特征，這也導(dǎo)致了地震力的計算和抗震措施的研究有別于地上結(jié)構(gòu)。目前隧道的抗震理論分析主要有解析法和數(shù)值分析法。

（1）解析法。解析法主要以結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、考慮巖土體與隧道結(jié)構(gòu)相互作用為理論基礎(chǔ)，僅用于斷面簡單、規(guī)則的隧道，在均質(zhì)地層中的受力情況。對非均質(zhì)的，非彈性的不均勻圍巖，需要對地震波進行反射、折射及波形處理，求解相當(dāng)復(fù)雜，限制了其應(yīng)用的發(fā)展。宴啟祥[2]等以彈性薄壁圓柱殼理論為基礎(chǔ)，在考慮地層與結(jié)構(gòu)相互作用以及界面滑移特性的基礎(chǔ)上，給出了深埋圓形盾構(gòu)隧道在地震剪切波作用下的附加內(nèi)力擬靜力求解計算式。在均質(zhì)地層中，通過隧道周邊一定距離地層的剪切位移或剪切力，利用該計算式可以方便地計算出盾構(gòu)隧道的地震內(nèi)力，有效地降低了盾構(gòu)隧道抗震分析的復(fù)雜性。隧道抗震計算不僅要考慮橫向響應(yīng)，也要考慮縱向效應(yīng)。

（2）數(shù)值分析法。解析法是基于某些理想條件得到的，而現(xiàn)今隧道工程面臨的問題越來越復(fù)雜，地層的復(fù)雜性、不均勻性、隧道斷面的不規(guī)則性等往往會導(dǎo)致解析解很難獲得。隨著計算機技術(shù)的日新月異和有限元、離散元、有限差分等數(shù)字理論的發(fā)展，隧道工程抗震研究越來越多地集中到了數(shù)值分析上，數(shù)值分析法既可以達到工程需求精度，也可以節(jié)約研究成本。申玉生等[3]采用FLAC3D對某公路隧道深大通風(fēng)豎井在穿越軟硬巖交界面時的振動響應(yīng)進行動力時程分析，分析發(fā)現(xiàn)豎井結(jié)構(gòu)主震方向的應(yīng)力和位移在軟巖側(cè)比硬巖側(cè)大，提出在軟硬交界面采用注漿加固軟巖，使巖體剛度逐步過渡的方案，可有效提高豎井的抗震性能。王維等[4]采用地層-結(jié)構(gòu)模型，基于梁單元等效剛度模型計算了不同地震作用下盾構(gòu)隧道縱向地震響應(yīng)，計算表明軟硬突變的地層是盾構(gòu)隧道縱向抗震的薄弱部位，軟土側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)顯著增大的區(qū)域達到隧道直徑的4倍；當(dāng)?shù)卣鸩M向輸入時，縱向彎矩起控制作用，縱向輸入時，則是較高的軸力起控制作用；相同水平地震作用下，地震波縱向傳遞時比橫向傳遞更加不利。龔國棟等[5]以天津Z2線一期工程為例，采用ABAQUS軟件對軟土場地中盾構(gòu)隧道橫斷面抗震進行了非線性動力分析，分析表明小震和中震作用下隧道管片中的靜力荷載起控制作用，而在大震作用下管片中的內(nèi)力分布有很大變化；在地應(yīng)力和地震聯(lián)合作用下，盾構(gòu)管片的最大正彎矩出現(xiàn)在拱底附近，最大負彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰附近，建議在管片制造時，加強拱頂、拱腰和拱底的構(gòu)造措施。王維等[4]對水工隧道洞門在地震作用下的響應(yīng)進行了三維數(shù)字分析，研究表明在動水壓力作用下，考慮巖體-隧道相互作用和將二者視為一體進行考慮，其地震響應(yīng)會有很大不同，考慮相互作用的位移峰值比不考慮要大48%。并且由于結(jié)構(gòu)位移和擠壓荷載的作用，會出現(xiàn)拱肩開裂，底板隆起的破壞特征。研究表明，在混凝土中摻入適當(dāng)?shù)匿摾w維對隧道延性有明顯提高。

1.3 模型試驗法

模型試驗是相對準確的分析方法，不僅可以直接得到參數(shù)供設(shè)計使用，還可以對數(shù)值計算進行校核。由于對研究人員素質(zhì)要求高，研究成本較高，一般僅用于重大項目中。目前國內(nèi)外廣泛開展的主要是地震振動臺模型試驗和離心機模型試驗。

（1）地震振動臺模型試驗。隋傳毅等[6]通過地震振動臺試驗研究了地震作用下設(shè)減震縫、內(nèi)外套管和不設(shè)防三種隧道結(jié)構(gòu)在穿越高烈度斷層區(qū)時的地震響應(yīng)，建議在穿越斷層時，如果隧道設(shè)防水平較低時，可采用減震縫的方法，在獲得較好抗震性能的情況下降低造價；如果隧道設(shè)防水平較高或為生命線工程時，應(yīng)通過特殊設(shè)計保證隧道在高烈度地震作用下仍然能安全通行，套筒結(jié)構(gòu)隧道方案在地震振動臺試驗中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。研究表明素混凝土襯砌由于初始微裂縫的存在使其抗拉強度較低，表現(xiàn)出脆性性能；鋼筋混凝土襯砌由于有鋼筋而具有較好的抗震能力，但由于其剛度較大，不適應(yīng)高烈度地區(qū)隧道產(chǎn)生的大變形，所以建議其應(yīng)用于中、低烈度地區(qū)；聚丙烯混凝土由于聚丙烯的加入，提高了混凝土的力學(xué)強度，粗糙度以及撕裂性能，能顯著延緩混凝土的開裂和減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，能適應(yīng)隧道大變形，是高烈度地區(qū)隧道抗震較好的選擇。

（2）離心機模型試驗。離心機振動臺試驗通過增加模型的重力加速度，可以模擬與原型相近的應(yīng)力水平，能較好地反映原型的物理特性和結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。在日本和歐美國家應(yīng)用較為廣泛。

1.4 三種方法的優(yōu)缺點

原型觀測法可以直觀地描述地震作用下的破壞形態(tài)及薄弱部位；數(shù)值分析法可以方便地改變參數(shù)條件，進行大量的分析進而總結(jié)規(guī)律和分析災(zāi)變后果；模型試驗法可以較好地檢測數(shù)值分析參數(shù)的正確性，為數(shù)值分析提供有力的支撐。以上隧道抗震分析方法，各有優(yōu)缺點，很難僅采用一種方法就能較好地滿足現(xiàn)代隧道設(shè)計的需求，往往需要根據(jù)隧道工程的重要性、幾何條件以及周圍的地層條件選擇其中兩種或多種方法進行聯(lián)合應(yīng)用。

2 現(xiàn)階段隧道抗震設(shè)計的主要方法及存在的問題

隧道工程由于處于地下，被地質(zhì)體包圍，沒有特別明顯的慣性特性，其振動特征也不同于地上結(jié)構(gòu)，因此，隧道地震荷載的計算和抗震性能的研究都與上部結(jié)構(gòu)有很大的不同?，F(xiàn)階段對隧道地震荷載的計算方法有靜力系數(shù)法、反應(yīng)位移法和動力時程分析法，其優(yōu)缺點分析如下。

（1）靜力系數(shù)法[7]雖然簡單、便于工程師采用，但是該方法對隧道遭遇地震時的受力機理揭示不夠準確，簡單地套用上部結(jié)構(gòu)地震計算方法是欠妥的，導(dǎo)致在埋深較淺時，地震力估算偏??；而埋深較大時，地震力又過于夸大，誤差較大。該方法可以結(jié)合反應(yīng)位移法，通過動力有限元對不同結(jié)構(gòu)，不同地層，不同設(shè)防烈度的隧道進行比較分析，根據(jù)研究結(jié)果修正地震系數(shù)對地震力的估算式。

（2）反應(yīng)位移法[6-10]需要把自由場土體的最大位移差強加到與隧道結(jié)構(gòu)相連的彈簧遠端，以此來計算地震在隧道結(jié)構(gòu)中的響應(yīng)。獲取該值可采用有限元也可以采用現(xiàn)場試驗。有限元計算的單位力作用下的位移，無論方法多么準確，都與實際會存在一定的差異。由于不同地方的地層在地質(zhì)歷史上的建造或改造的不同，導(dǎo)致變形計算存在很大的地方經(jīng)驗性，這就是規(guī)范在計算沉降變形時要乘以當(dāng)?shù)亟?jīng)驗系數(shù)的原因。現(xiàn)有規(guī)范基礎(chǔ)系數(shù)的計算與加載板的形狀、尺寸有關(guān)，一般是圓形和方形，而隧道結(jié)構(gòu)往往是弧形的凹面，與傳統(tǒng)測試條件不同，需對這種弧形凹面載荷板的形狀和尺寸效應(yīng)進行研究。另外圍巖彈性抗力系數(shù)不僅與圍巖等級有關(guān)，還與隧道埋深、圍巖的性質(zhì)有關(guān)。由于地層產(chǎn)狀的不同，有時豎向和水平向的彈性抗力系數(shù)都會有較大的差異，很多商用軟件將彈性抗力系數(shù)只與圍巖等級相關(guān)是欠妥的，所以開展適合隧道圍巖彈性抗力系數(shù)相關(guān)的研究是必要的。

（3）動力時程分析法[7-10]在處理地層結(jié)構(gòu)相互作用時能較好地反映地層的非均勻性，各向異性和非線性以及復(fù)雜的邊界條件，能較好地揭示隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，但是由于其復(fù)雜性，對使用者的理論水平要求較高，且耗時非常長，所以很難在工程界得到廣泛的應(yīng)用。但是可以作為科研手段，根據(jù)研究結(jié)果對靜力系數(shù)法和反應(yīng)位移法提供建議和指導(dǎo)。動力時程計算準確性取決于參數(shù)輸入的準確性，所以需積累相關(guān)經(jīng)驗，對無經(jīng)驗的情況可開展現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗研究獲取。

3 隧道抗震設(shè)計的研究方向

現(xiàn)有的襯砌主要是素混凝土或鋼筋混凝土，材料較為單一，且素混凝土在地震時容易開裂、剝落，因此，需對適應(yīng)抗震需求的襯砌新材料進行研究?，F(xiàn)階段，學(xué)者們往往只是針對某一種新材料進行了研究，比如鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土，并沒有對新型材料進行對比研究。為了給工程界提供性價比較高的方案建議，在研發(fā)具有較好延性的新材料時，需在相同條件下對新材料進行對比研究，

地震調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌在地震作用下經(jīng)常發(fā)生45°的共軛剪切裂縫，可以對鋼筋混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)形式進行改良研究，比如對帶鋼筋混凝土內(nèi)支撐的襯砌抗震性能進行研究，這個內(nèi)支撐可以是鋼筋支撐、鋼板支撐，也可以是型鋼支撐。

地震調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道洞口的重力式擋土墻在地震作用下經(jīng)常發(fā)生破壞，造成次生災(zāi)害?？梢匝芯颗浣蠲瘬鯄Φ目拐鹦阅埽热缭诳v向如何設(shè)置構(gòu)造柱，橫向如何在灰縫中配入拉結(jié)筋或設(shè)置圈梁，以較低的成本獲得較好的抗震性能。

對軟巖、地應(yīng)力較大，以及地震作用下可能坍塌的隧道，可以開展型鋼-鋼筋混凝土組合襯砌的抗震性能研究、塌拱產(chǎn)生的沖擊力以及襯砌的抗沖切計算的研究。

隔震、消能減震是隧道地震研究的另一重要路徑。有些學(xué)者研究了在某一確定條件下在初襯和二襯之間設(shè)置橡膠或泡沫混凝土的隧道抗震性能，還需對不同烈度、不同地層下減震層的厚度、設(shè)置長度、以及地震作用破壞后如何更換處理進行系統(tǒng)研究，為工程設(shè)計提供系統(tǒng)化參數(shù)。

4 結(jié)束語

（1）隧道洞口、偏壓、淺埋、斷層破碎帶、軟硬交界以及不良地質(zhì)處是抗震重點設(shè)防部位。其抗震計算方法雖取得了一定的成果，還需對地震力計算方法進一步研究和完善，以便獲得既能滿足工程精度又便于工程界應(yīng)用的計算方法。

（2）根據(jù)隧道破壞類型，有針對性地研究隧道新型材料和新結(jié)構(gòu)形式在地震作用下的抗震性能。

（3）隧道橫向地震研究較多，豎向抗震研究較少，需加強隧道的豎向抗震研究。

（4）隔震、消能減震是隧道設(shè)計的一大趨勢，目前也取得了一定的成果，但是還不夠系統(tǒng)，需進一步進行系統(tǒng)研究，為工程設(shè)計提供可操作性參數(shù)。

（5）隧道現(xiàn)場原位測試是最真實、最直接的，但是由于人工誘發(fā)地震波還不能完全反應(yīng)天然地震波的振動特性和振動強度，如何確定人工地震波與天然地震波的震動參數(shù)的差異也是值得研究的課題。