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摘要：大量的调查资料和研究数据表明，在地震作用下，隧道的埋置深度对其受地震破坏的程度影响很大。本文通过展示地震作用下浅埋隧道洞口段衬砌结构模型试验相关数据，结合有限元分析软件ANSYS建立的模型的计算结果，提取衬砌结构部分关键节点的加速度峰值的变化规律，总结出浅埋山岭隧道洞口段衬砌结构地震响应规律。本文旨在得出地震响应规律，为山岭隧道洞口段衬砌的抗减震研究和设计提供参考和依据。
关键词：浅埋隧道；洞口段；地震响应
中图分类号： U45 文献标识码： A
0 引言
随着我国经济的快速稳定发展，交通运输的等级和需求量要求越来越高，山岭隧道的建设数量也越来越多。由于近年来的地震给震区的隧道造成了不同程度的破坏，山岭隧道的抗震研究越来越受到重视。据不完全统计，2008年的“5·12”汶川特大地震造成四川公路隧道约73座共6.9万延米严重破坏，严重威胁了隧道的安全运营。
目前國内已经有不少关于隧道抗震的研究[1][2]，综合这些研究成果可以知道，随着隧道埋深的增加，其地震破坏程度具有减小的趋势，当隧道埋深大于50m，其地震破坏程度显著降低。围岩塑性区主要分布在隧道洞口附近，隧道结构旁的围岩受结构影响，更易于进入塑性状态。在地震作用下，隧道洞口段或穿越断裂带地层隧道段，衬砌出现开裂、错位、剥落、垮塌，山体发生滑动、滚石等现象较为严重。对于山岭隧道洞口段，其特点是穿越复杂地质条件的山体，往往处于偏压或浅埋状态，隧道衬砌结构在地震作用下容易受到破坏。加上山体边坡在地震作用下容易出现滑坡等地质灾害，所以，十分有必要开展对浅埋山岭隧道洞口段衬砌结构的地震响应规律研究，掌握洞口段衬砌结构在地震作用下的速度和加速度变化规律，为洞口段衬砌的抗减震研究和设计提供参考[3~5]。
本文作者基于开展的大型振动台模型试验，获取大量试验数据，对浅埋隧道洞口段的衬砌结构地震响应进行了初步的试验研究。在此基础上，本文通过建立有限元模型进行数值计算，分析了衬砌结构地震响应规律，为今后的相关研究和实际工程应用提供依据。
1 试验概况
本文依托于国家自然科学基金项目“近断层脉冲型地震动作用下隧道抗减震理论研究”(51078324)的三轴向大型振动台模型试验，展开对隧道洞口段衬砌结构地震响应规律的研究。本次试验为物理相似模型试验，而相似模型试验研究是根据相似理论，使用与天然岩石等材料物理力学性质相似的人工材料，按工程实际原形，以一定比例缩小而成模型，然后在模型中按相似比制作相似模型，观测模型的变形、位移、应力和破坏等情况，据此分析推测现场实际状况。
由于土体性状的复杂性，通过近似相似的方法和相似比关系原则，试验模型尺寸、弹性模量和应力相似比取为30:1，时间、速度相似比取为5.48:1，加速度相似比取为1:1。洞口段围岩及隧道结构模型断面图如图1所示，图中尺寸单位为cm。图2为模型实物的自由角度视图。
图1 洞口段围岩及隧道结构模型断面图图2 洞口段模型实物图
模型以现有原始地震动记录作为荷载地震波输入，在模型底部同时输入水平和竖向地震波，地震波数据来源于1999年台湾集集地震TCU052台站的实测数据，通过乘以一个系数处理地震波输入时的幅值，根据相似比关系换算得到振动台面横向地震加速度在6.2s附近达到峰值，为90cm/s2。振动台面横向加速度时程曲线如图3所示。
图3 台面横向地震波图4某测点拱顶横向加速度时程曲线
2 试验数据分析
在模型的拱顶、拱腰及仰拱处分别设置有加速度计和位移计，在试验过程中测试记录相应位置的加速度和位移变化。参考一些研究成果可知，隧道在受到横向较大的地震波影响时较容易被破坏，因此取洞口仰坡中部位置处某测点的隧道衬砌为例，得到衬砌拱顶处的横向加速度时程曲线图如图4所示。从图像可以得出，该测点处衬砌拱顶的横向加速度时程曲线与振动台面的加速度时程曲线形式大体一致，拱顶处横向加速度峰值为110cm/s2，略大于台面横向加速度峰值的90cm/ s2，符合地震作用下隧道结构的响应规律，即随地震波向上传播，岩土体地震响应有增大的趋势。
以隧道横向输入地震波为例，分别查看隧道洞口段衬砌拱顶、拱腰以及仰拱的加速度峰值，得到加速度峰值随洞口段埋深变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，隧道洞口段随着埋深的增加，隧道衬砌拱顶的加速度峰值有略微增大的趋势，而拱腰和仰拱有略微减小的趋势。隧道衬砌加速度峰值整体有减小的趋势。
图5 试验衬砌加速度峰值变化曲线 图6 模型衬砌加速度峰值变化曲线
3 计算模型及计算分析
在数值分析建模中，将所有的结构都采用实体单元进行模拟，二次衬砌采用弹性本构，围岩采用弹塑性本构。山岭隧道洞口段的围岩地质条件往往较差，在本文中将模型的围岩等级定义为V级，隧道埋深从3m渐变至40m，计算模型物理力学指标如表1所示。
表1 计算模型物理力学指标
利用ANSYS建立的隧道洞口段整体模型网格图如图7所示。隧道洞口段衬砌模型网格图如图8所示。为了对比试验中洞口段衬砌加速度峰值随埋深变化的曲线，经过后处理计算，提取模型中响应埋深位置处对应节点的加速度峰值，得到数值模型衬砌加速度峰值随埋深变化曲线如图6所示。从图6可以看出，隧道洞口段衬砌拱顶、拱腰和仰拱处的加速度峰值显然随着埋深在减小。而数值模型在同样的输入地震波作用下，隧道衬砌整体的加速度幅值相对试验模型衬砌的加速度幅值大一倍左右。这跟数值模型尺寸和试验模型的设计有一定关系。
图7 隧道洞口段整体模型网格图 图8 隧道洞口段衬砌模型网格图
4 规律对比分析
从图5和图6的对比可以看出，试验模型和数值模型中隧道衬砌结构的加速度峰值从仰拱至拱顶位置呈现逐渐增大的趋势，在对衬砌结构进行抗震设计时，在结构上应对拱顶区域附近进行加强。同时可以看出，试验的结果跟数值计算的结果有一定的差别，这跟试验模型的参数设置以及数值模型的参数选取有一定的关系，但能够得出总体趋势是随着埋深增加，洞口段40m长度以内衬砌结构各位置处的加速度峰值呈现递减趋势，原因是随着埋深的增加，隧道围岩对衬砌结构的约束作用加强，结构稳定性增加，抗震性能增强。
5 结论
本文通过对比一些试验数据和ANSYS模型计算结果，对浅埋隧道洞口段的衬砌结构在地震作用下的加速度进行了分析，总结出一些变化规律，并得到如下结论：
（1）经过试验和数值模型计算均得出隧道衬砌结构的地震响应随地震波往地表传播逐渐增大，与地面建筑在地震作用下的响应有相似之处。
（2）洞口段的地震响应较洞身段的地震响应明显，数值计算出衬砌加速度峰值随埋深增加而减小，而试验结果的加速度峰值随埋深增加而减小的趋势相对数值计算的结果较为不明显，整个洞口段的加速度峰值不一定出现在洞口处，因此在隧道结构抗震设计中，应当统一整个洞口段的抗震设计等级。
参考文献
[1] 唐锞. 山岭隧道洞口段地震动力响应影响因素规律研究[D]. 成都：西南交通大学，2009；
[2] 张林. 山岭隧道洞口段地震动力响应及抗减震措施研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2010；
[3] 蒋树屏，方林，林志. 不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析[J]. 岩土力学, 2014,(1): 217-222+231；
[4] 申玉生，高波，王英学. 强震区山岭隧道洞口段结构动力特性分析[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(增1):3131-3136
[5] 蒋树屏，蒋华，王晓雯等.高烈度地震区公路隧道洞口段地震响应分析[J].现代隧道技术，2008,45(6):5-10
关键词：浅埋隧道；洞口段；地震响应
中图分类号： U45 文献标识码： A
0 引言
随着我国经济的快速稳定发展，交通运输的等级和需求量要求越来越高，山岭隧道的建设数量也越来越多。由于近年来的地震给震区的隧道造成了不同程度的破坏，山岭隧道的抗震研究越来越受到重视。据不完全统计，2008年的“5·12”汶川特大地震造成四川公路隧道约73座共6.9万延米严重破坏，严重威胁了隧道的安全运营。
目前國内已经有不少关于隧道抗震的研究[1][2]，综合这些研究成果可以知道，随着隧道埋深的增加，其地震破坏程度具有减小的趋势，当隧道埋深大于50m，其地震破坏程度显著降低。围岩塑性区主要分布在隧道洞口附近，隧道结构旁的围岩受结构影响，更易于进入塑性状态。在地震作用下，隧道洞口段或穿越断裂带地层隧道段，衬砌出现开裂、错位、剥落、垮塌，山体发生滑动、滚石等现象较为严重。对于山岭隧道洞口段，其特点是穿越复杂地质条件的山体，往往处于偏压或浅埋状态，隧道衬砌结构在地震作用下容易受到破坏。加上山体边坡在地震作用下容易出现滑坡等地质灾害，所以，十分有必要开展对浅埋山岭隧道洞口段衬砌结构的地震响应规律研究，掌握洞口段衬砌结构在地震作用下的速度和加速度变化规律，为洞口段衬砌的抗减震研究和设计提供参考[3~5]。
本文作者基于开展的大型振动台模型试验，获取大量试验数据，对浅埋隧道洞口段的衬砌结构地震响应进行了初步的试验研究。在此基础上，本文通过建立有限元模型进行数值计算，分析了衬砌结构地震响应规律，为今后的相关研究和实际工程应用提供依据。
1 试验概况
本文依托于国家自然科学基金项目“近断层脉冲型地震动作用下隧道抗减震理论研究”(51078324)的三轴向大型振动台模型试验，展开对隧道洞口段衬砌结构地震响应规律的研究。本次试验为物理相似模型试验，而相似模型试验研究是根据相似理论，使用与天然岩石等材料物理力学性质相似的人工材料，按工程实际原形，以一定比例缩小而成模型，然后在模型中按相似比制作相似模型，观测模型的变形、位移、应力和破坏等情况，据此分析推测现场实际状况。
由于土体性状的复杂性，通过近似相似的方法和相似比关系原则，试验模型尺寸、弹性模量和应力相似比取为30:1，时间、速度相似比取为5.48:1，加速度相似比取为1:1。洞口段围岩及隧道结构模型断面图如图1所示，图中尺寸单位为cm。图2为模型实物的自由角度视图。
图1 洞口段围岩及隧道结构模型断面图图2 洞口段模型实物图
模型以现有原始地震动记录作为荷载地震波输入，在模型底部同时输入水平和竖向地震波，地震波数据来源于1999年台湾集集地震TCU052台站的实测数据，通过乘以一个系数处理地震波输入时的幅值，根据相似比关系换算得到振动台面横向地震加速度在6.2s附近达到峰值，为90cm/s2。振动台面横向加速度时程曲线如图3所示。
图3 台面横向地震波图4某测点拱顶横向加速度时程曲线
2 试验数据分析
在模型的拱顶、拱腰及仰拱处分别设置有加速度计和位移计，在试验过程中测试记录相应位置的加速度和位移变化。参考一些研究成果可知，隧道在受到横向较大的地震波影响时较容易被破坏，因此取洞口仰坡中部位置处某测点的隧道衬砌为例，得到衬砌拱顶处的横向加速度时程曲线图如图4所示。从图像可以得出，该测点处衬砌拱顶的横向加速度时程曲线与振动台面的加速度时程曲线形式大体一致，拱顶处横向加速度峰值为110cm/s2，略大于台面横向加速度峰值的90cm/ s2，符合地震作用下隧道结构的响应规律，即随地震波向上传播，岩土体地震响应有增大的趋势。
以隧道横向输入地震波为例，分别查看隧道洞口段衬砌拱顶、拱腰以及仰拱的加速度峰值，得到加速度峰值随洞口段埋深变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，隧道洞口段随着埋深的增加，隧道衬砌拱顶的加速度峰值有略微增大的趋势，而拱腰和仰拱有略微减小的趋势。隧道衬砌加速度峰值整体有减小的趋势。
图5 试验衬砌加速度峰值变化曲线 图6 模型衬砌加速度峰值变化曲线
3 计算模型及计算分析
在数值分析建模中，将所有的结构都采用实体单元进行模拟，二次衬砌采用弹性本构，围岩采用弹塑性本构。山岭隧道洞口段的围岩地质条件往往较差，在本文中将模型的围岩等级定义为V级，隧道埋深从3m渐变至40m，计算模型物理力学指标如表1所示。
表1 计算模型物理力学指标
利用ANSYS建立的隧道洞口段整体模型网格图如图7所示。隧道洞口段衬砌模型网格图如图8所示。为了对比试验中洞口段衬砌加速度峰值随埋深变化的曲线，经过后处理计算，提取模型中响应埋深位置处对应节点的加速度峰值，得到数值模型衬砌加速度峰值随埋深变化曲线如图6所示。从图6可以看出，隧道洞口段衬砌拱顶、拱腰和仰拱处的加速度峰值显然随着埋深在减小。而数值模型在同样的输入地震波作用下，隧道衬砌整体的加速度幅值相对试验模型衬砌的加速度幅值大一倍左右。这跟数值模型尺寸和试验模型的设计有一定关系。
图7 隧道洞口段整体模型网格图 图8 隧道洞口段衬砌模型网格图
4 规律对比分析
从图5和图6的对比可以看出，试验模型和数值模型中隧道衬砌结构的加速度峰值从仰拱至拱顶位置呈现逐渐增大的趋势，在对衬砌结构进行抗震设计时，在结构上应对拱顶区域附近进行加强。同时可以看出，试验的结果跟数值计算的结果有一定的差别，这跟试验模型的参数设置以及数值模型的参数选取有一定的关系，但能够得出总体趋势是随着埋深增加，洞口段40m长度以内衬砌结构各位置处的加速度峰值呈现递减趋势，原因是随着埋深的增加，隧道围岩对衬砌结构的约束作用加强，结构稳定性增加，抗震性能增强。
5 结论
本文通过对比一些试验数据和ANSYS模型计算结果，对浅埋隧道洞口段的衬砌结构在地震作用下的加速度进行了分析，总结出一些变化规律，并得到如下结论：
（1）经过试验和数值模型计算均得出隧道衬砌结构的地震响应随地震波往地表传播逐渐增大，与地面建筑在地震作用下的响应有相似之处。
（2）洞口段的地震响应较洞身段的地震响应明显，数值计算出衬砌加速度峰值随埋深增加而减小，而试验结果的加速度峰值随埋深增加而减小的趋势相对数值计算的结果较为不明显，整个洞口段的加速度峰值不一定出现在洞口处，因此在隧道结构抗震设计中，应当统一整个洞口段的抗震设计等级。
参考文献
[1] 唐锞. 山岭隧道洞口段地震动力响应影响因素规律研究[D]. 成都：西南交通大学，2009；
[2] 张林. 山岭隧道洞口段地震动力响应及抗减震措施研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2010；
[3] 蒋树屏，方林，林志. 不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析[J]. 岩土力学, 2014,(1): 217-222+231；
[4] 申玉生，高波，王英学. 强震区山岭隧道洞口段结构动力特性分析[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(增1):3131-3136
[5] 蒋树屏，蒋华，王晓雯等.高烈度地震区公路隧道洞口段地震响应分析[J].现代隧道技术，2008,45(6):5-10