隧道結構抗震設計方法的研究現狀及發展方向

何俊奎

（成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

穿越高烈度地區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，特別是由此引發的次生災害以及災后修復、重建給人民財產帶來巨大的損失，因此高烈度地區的隧道進行抗震設防是非常必要的。但由于隧道及地質體的復雜性，其抗震設計計算方法還有一定的局限性。隧道結構抗震設計受多種因素的影響和制約，比如：設防烈度、隧道的結構形式（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、地質條件，構造環境、地下水環境）、以及獲取參數時采用的試驗方法、試驗設備等等。本文將對隧道工程抗震設計的研究進展進行總結，并對現階段的抗震設計計算方法的優缺點進行分析，針對性地提出優化措施和指明研究方向。

1 國內外隧道抗震分析方法的研究現狀

現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

原型觀測包含災害調查和現場試驗兩大類?，F場災害調查是最直觀、最真實的結果，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構在地震過程中的動力響應過程。但是觀測結果并不影響對隧道抗震設計的重要指導意義，所以長期以來一直受到人們的重視，相關資料也在不斷地積累和總結。李天斌[1]在汶川地震后對都-汶公路11座隧道進行了現場調研，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，指出發震斷層的次級斷層、基覆界面、洞口不穩定斜坡、高地應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、洞口明洞和洞門結構作為一個系統進行綜合設計，穿越活動斷層的次級斷層時，應在其兩側一定范圍內二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，基覆面、圍巖軟弱過渡帶、圍巖質量突變地帶采用改變圍巖力學性質讓其漸變的措施。

現場試驗是在施工過程中預先在襯砌和圍巖的關鍵部位埋設力學元件，當地震發生時，通過測試元件記錄的數據進行地震動分析。該方法的難點是，現有技術無法預測地震什么時候發生，也不能準確地預知哪些部位會發生破壞，所以關鍵部位的確定可以參考力學分析和震害調查的積累，但是由于地層的復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的難度，當前主要以人工震源試驗居多。

1.2 理論分析方法

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

（1）解析法。解析法主要以結構力學、結構動力學、考慮巖土體與隧道結構相互作用為理論基礎，僅用于斷面簡單、規則的隧道，在均質地層中的受力情況。對非均質的，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，求解相當復雜，限制了其應用的發展。宴啟祥[2]等以彈性薄壁圓柱殼理論為基礎，在考慮地層與結構相互作用以及界面滑移特性的基礎上，給出了深埋圓形盾構隧道在地震剪切波作用下的附加內力擬靜力求解計算式。在均質地層中，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隧道的地震內力，有效地降低了盾構隧道抗震分析的復雜性。隧道抗震計算不僅要考慮橫向響應，也要考慮縱向效應。

（2）數值分析法。解析法是基于某些理想條件得到的，而現今隧道工程面臨的問題越來越復雜，地層的復雜性、不均勻性、隧道斷面的不規則性等往往會導致解析解很難獲得。隨著計算機技術的日新月異和有限元、離散元、有限差分等數字理論的發展，隧道工程抗震研究越來越多地集中到了數值分析上，數值分析法既可以達到工程需求精度，也可以節約研究成本。申玉生等[3]采用FLAC3D對某公路隧道深大通風豎井在穿越軟硬巖交界面時的振動響應進行動力時程分析，分析發現豎井結構主震方向的應力和位移在軟巖側比硬巖側大，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-結構模型，基于梁單元等效剛度模型計算了不同地震作用下盾構隧道縱向地震響應，計算表明軟硬突變的地層是盾構隧道縱向抗震的薄弱部位，軟土側結構內力響應顯著增大的區域達到隧道直徑的4倍；當地震波橫向輸入時，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力分布有很大變化；在地應力和地震聯合作用下，盾構管片的最大正彎矩出現在拱底附近，最大負彎矩出現在兩側拱腰附近，建議在管片制造時，加強拱頂、拱腰和拱底的構造措施。王維等[4]對水工隧道洞門在地震作用下的響應進行了三維數字分析，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%。并且由于結構位移和擠壓荷載的作用，會出現拱肩開裂，底板隆起的破壞特征。研究表明，在混凝土中摻入適當的鋼纖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供設計使用，還可以對數值計算進行校核。由于對研究人員素質要求高，研究成本較高，一般僅用于重大項目中。目前國內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減震縫、內外套管和不設防三種隧道結構在穿越高烈度斷層區時的地震響應，建議在穿越斷層時，如果隧道設防水平較低時，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；如果隧道設防水平較高或為生命線工程時，應通過特殊設計保證隧道在高烈度地震作用下仍然能安全通行，套筒結構隧道方案在地震振動臺試驗中表現出優越的性能。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，不適應高烈度地區隧道產生的大變形，所以建議其應用于中、低烈度地區；聚丙烯混凝土由于聚丙烯的加入，提高了混凝土的力學強度，粗糙度以及撕裂性能，能顯著延緩混凝土的開裂和減輕應力集中現象，能適應隧道大變形，是高烈度地區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力水平，能較好地反映原型的物理特性和結構的動力反應。在日本和歐美國家應用較為廣泛。

1.4 三種方法的優缺點

原型觀測法可以直觀地描述地震作用下的破壞形態及薄弱部位；數值分析法可以方便地改變參數條件，進行大量的分析進而總結規律和分析災變后果；模型試驗法可以較好地檢測數值分析參數的正確性，為數值分析提供有力的支撐。以上隧道抗震分析方法，各有優缺點，很難僅采用一種方法就能較好地滿足現代隧道設計的需求，往往需要根據隧道工程的重要性、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合應用。

2 現階段隧道抗震設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構，因此，隧道地震荷載的計算和抗震性能的研究都與上部結構有很大的不同?，F階段對隧道地震荷載的計算方法有靜力系數法、反應位移法和動力時程分析法，其優缺點分析如下。

（1）靜力系數法[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，簡單地套用上部結構地震計算方法是欠妥的，導致在埋深較淺時，地震力估算偏??；而埋深較大時，地震力又過于夸大，誤差較大。該方法可以結合反應位移法，通過動力有限元對不同結構，不同地層，不同設防烈度的隧道進行比較分析，根據研究結果修正地震系數對地震力的估算式。

（2）反應位移法[6-10]需要把自由場土體的最大位移差強加到與隧道結構相連的彈簧遠端，以此來計算地震在隧道結構中的響應。獲取該值可采用有限元也可以采用現場試驗。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歷史上的建造或改造的不同，導致變形計算存在很大的地方經驗性，這就是規范在計算沉降變形時要乘以當地經驗系數的原因?，F有規范基礎系數的計算與加載板的形狀、尺寸有關，一般是圓形和方形，而隧道結構往往是弧形的凹面，與傳統測試條件不同，需對這種弧形凹面載荷板的形狀和尺寸效應進行研究。另外圍巖彈性抗力系數不僅與圍巖等級有關，還與隧道埋深、圍巖的性質有關。由于地層產狀的不同，有時豎向和水平向的彈性抗力系數都會有較大的差異，很多商用軟件將彈性抗力系數只與圍巖等級相關是欠妥的，所以開展適合隧道圍巖彈性抗力系數相關的研究是必要的。

（3）動力時程分析法[7-10]在處理地層結構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雜的邊界條件，能較好地揭示隧道結構在地震作用下的響應規律，但是由于其復雜性，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用。但是可以作為科研手段，根據研究結果對靜力系數法和反應位移法提供建議和指導。動力時程計算準確性取決于參數輸入的準確性，所以需積累相關經驗，對無經驗的情況可開展現場試驗、室內試驗研究獲取。

3 隧道抗震設計的研究方向

現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，需對適應抗震需求的襯砌新材料進行研究?，F階段，學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，

地震調查發現，隧道二次襯砌在地震作用下經常發生45°的共軛剪切裂縫，可以對鋼筋混凝土襯砌的結構形式進行改良研究，比如對帶鋼筋混凝土內支撐的襯砌抗震性能進行研究，這個內支撐可以是鋼筋支撐、鋼板支撐，也可以是型鋼支撐。

地震調查發現，隧道洞口的重力式擋土墻在地震作用下經常發生破壞，造成次生災害?？梢匝芯颗浣蠲瘬鯄Φ目拐鹦阅?，比如在縱向如何設置構造柱，橫向如何在灰縫中配入拉結筋或設置圈梁，以較低的成本獲得較好的抗震性能。

對軟巖、地應力較大，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。有些學者研究了在某一確定條件下在初襯和二襯之間設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、設置長度、以及地震作用破壞后如何更換處理進行系統研究，為工程設計提供系統化參數。

4 結束語

（1）隧道洞口、偏壓、淺埋、斷層破碎帶、軟硬交界以及不良地質處是抗震重點設防部位。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用的計算方法。

（2）根據隧道破壞類型，有針對性地研究隧道新型材料和新結構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、消能減震是隧道設計的一大趨勢，目前也取得了一定的成果，但是還不夠系統，需進一步進行系統研究，為工程設計提供可操作性參數。

（5）隧道現場原位測試是最真實、最直接的，但是由于人工誘發地震波還不能完全反應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的差異也是值得研究的課題。