由于地质背景和地理环境的特殊性,隧道洞口部分与隧道洞身相比易于受到地震或者自然灾害的影响,不仅是隧道洞口段复杂而又特别的构造,或者其连接两种不同的建构筑物的作用,还与其所处的位置有着密切的关系,所以不言而喻成了抗震设防的重点。不管是隧道的出口,还是入口段其周围极其复杂的岩土、流水以及地质等各种问题,时刻影响着隧道洞口段的正常使用。由于西部的山脉和峡谷的限制,需要修建隧道以此来联通外部的其他等级的公路或者铁路,这是经济社会发展的必然趋势。就目前来说,将隧道抗震研究问题从实验室或者科研所等的研究仿真平台带入到以与真实工程背景相结合显得迫在眉睫。本文以方家湾隧道的具体工程实例为基础背景,研究了黄土隧道衬砌结构在地震荷载作用下的动力响应特征,提出了为西部黄土地区隧道结构抗震设防的关键环节,分析了钢纤维混凝土对隧道结构的地震作用,并得出了合理的结果。本论文所研究的隧道的抗震设防长度为黄土隧道结构的抗震能力提供了重要的理论依据。本论文所研究的内容包括以下几个方面:(1)阅读该领域的最权威的相关文献,了解国内外隧道洞口段抗震分析的主要研究成果,并对当今常用的地下结构动力分析理论作了详细的介绍和叙述。根据许多先前研究和最新公开文献的最新成果,确定与黄土隧道地震分析所需要的材料参数并参考了以往研究的成果计算出了相关参数值以及本构模型,阻尼条件,边界条件等。(2)使用有限元软件来构建隧道的三维模型,并在水平横向和纵向以及竖向(三个方向)上输入三种不同的地震波。通过数值模拟,得出以下结论:(1)隧道衬砌结构的纵向峰值位移随着距隧道纵向距离的增加而减小。输入汶川地震波时,峰值位移为7.34783cm。在隧道衬砌结构的隧道洞口监测面上,隧道衬砌结构的峰值位移相对较大。隧道结构峰值加速度图表的变化规律与位移基本大体类似,其峰值加速度为2.6541m/s~2。输入神户地震波时,峰值位移为8.94407cm,隧道洞口监测面处的隧道衬砌结构位移较大。根据图表绘制的沿隧道纵向峰值加速度的变化规律可知,与位移呈现了基本大体相似的趋势,其峰值为3.40477m/s~2。输入EL-Centro地震波时,最大位移为33.3248cm,隧道洞口衬砌监测面处隧道结构位移较大。同样,隧道纵向各监测点加速度图表变化规律与位移基本类似,其最大值为3.66977m/s~2。(2)当输入汶川地震波时,在隧道结构的软硬岩石交界面的位置,隧道结构的内力和应力突然变化。轴向峰值力为363.907kN,出现在软硬岩石交界面的左右拱肩处。峰值剪力为43.05kN,出现在软硬岩石交界面的拱脚处。峰值弯矩大小为6.04008kN·m,出现在软岩和硬岩交界面的隧道结构监测面的拱脚处。由隧道结构监测面沿隧道纵向每3m提取各点的数据结果绘制的图表变化趋势可知,隧道结构的内力和应力都在不同程度的逐渐减小。因此,隧道的软硬岩交界面以及隧道洞口段都是隧道抗震设防的重点。当输入神户地震波时,在隧道结构的软硬岩石交界面的位置,隧道结构的内力和应力会突然骤增紧接着在下一监测面处减小。最大主应力为10.604MPa,出现在隧道结构的左右拱脚处。轴向峰值力为887.324kN,出现在软硬岩石交界面的左右拱肩处。峰值剪切力为73.4779kN,出现在软硬岩石交界面的拱脚处。峰值弯矩大小为8.34331kN·m,它出现在软硬岩石之间的交界面的拱脚处。由隧道结构监测面沿隧道纵向每3m提取各点的数据结果绘制的图表变化趋势可知,隧道结构的内力和应力都在不同程度的逐渐减小。因此,隧道的软硬岩交界面以及隧道洞口段是隧道抗震设防的重点。当输入EL-Centro地震波时,在隧道结构的软硬岩石发生很大变化的位置,隧道结构监测面处的内力和应力突然骤增然后在下一监测面处减小。最大主应力为10.177MPa,出现在结构的左右拱脚处。轴向峰值力为632.642kN,出现在软硬岩石界面的左右拱肩处。峰值剪切力为83.6893kN,出现在软硬岩石交界面的拱脚处。峰值弯矩大小为9.70695kN·m,它出现在结构的软岩和硬岩之间交界面的拱脚处。由隧道纵向结构监测面沿隧道纵向每3m提取各点的数据结果绘制的图表变化趋势可知,隧道结构的内力和应力都在不同程度的逐渐减小。因此,隧道的软硬岩石交界面以及隧道洞口段都是隧道抗震设防的重点。(3)通过在隧道衬砌结构中添加钢纤维混凝土抗震材料,在钢纤维混凝土的作用下,大多数监测点处的应力均增大,最大主应力的峰值出现在拱顶,大小为1666.82kPa。与普通混凝土相比增加了9.5%。最小主应力的峰值出现在左右拱肩,大小为-133.24kPa,与普通混凝土相比增加了41.2%。可以看出,当将钢纤维混凝土加入隧道衬砌结构并用作抗震材料时,结构应力可以在一定程度上增加,并且在地震作用下消散地震能量时是有效的。(4)根据本论文的数值仿真模拟结果以及最新的隧道抗震规范可知,对于黄土隧道的Ⅴ级围岩区段,可考虑抗震设防长度为27m。有软硬岩石过渡段存在的隧道结构的设防长度应适当加长,建议设防长度为26-30m,以确保隧道洞口的安全。