隧道抗震減震的研究進展

肖強 ，陳小良 ，辛建平 ，劉定文

（1軍事醫(yī)學科學院 院務部，北京 100850；2重慶市地質(zhì)災害防治工程技術研究中心，重慶 400041）

引言

19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，而21世紀則是人類利用和開發(fā)地下空間的世紀。發(fā)展地下交通運輸系統(tǒng)是我們必須面對和必須解決的問題。其中，隧道建設首當其沖。隧道的抗震、減震設計和施工方面的研究在1995年日本阪神地震后才達到一個高潮。國外對隧道抗震的研究起步相比國內(nèi)較早，國內(nèi)研究相對比較滯后。

我國是地震多發(fā)地區(qū)，所以如何解決好交通系統(tǒng)中隧道的抗震問題是一個重要課題。

本文綜合大量的關于隧道抗震、減震，隧道動力分析以及隧道穩(wěn)定性分析的文獻資料，總結(jié)了目前國內(nèi)外尤其是國內(nèi)關于隧道抗震、減震研究的現(xiàn)狀，同時通過對這些文獻資料的分析也對隧道抗震、減震方面的研究做了一些展望。

1 抗震研究現(xiàn)狀簡介

抗震就是通過加強建筑物本身的強度來抵抗地震對建筑物的影響，從而使這種影響被控制在建筑物能夠承受的范圍之內(nèi)[1]。一般來說，抗震和減震是雙管齊下的。目前，抗震理論分析方法主要分為解析法和數(shù)值方法兩類[2-3]。國內(nèi)相關隧道規(guī)范采用的是沿用地面結(jié)構(gòu)抗震設計方法的解析法中的擬靜力法。由于地下結(jié)構(gòu)有自己的特殊性即地下結(jié)構(gòu)要受到周圍巖土介質(zhì)很強的約束作用，所以套用地面結(jié)構(gòu)的抗震設計方法偏于保守，從而必須對隧道抗震進行研究以解決目前理論存在的缺陷。

1.1 隧道和周圍巖土介質(zhì)以及襯砌在地震下相互作用的研究

隧道不像是地面結(jié)構(gòu)，地面結(jié)構(gòu)除了基礎外，其余部分不受約束，而隧道是全部或部分處于周圍介質(zhì)的約束下的，從而研究隧道和周圍土體的相互作用是從本質(zhì)上解決隧道在地震作用下受力特點這一問題的關鍵。張鴻等[4]討論了動力有限元法中土體材料非線性、土與結(jié)構(gòu)間的接觸非線性和邊界條件等一系列重要問題，并以實際工程為例應用動力有限元法對地鐵隧道的地震反應進行了非線性分析。楊小禮等[5]采用有限元與無限元耦合方法討論交通隧道在地震波作用下震動反應問題，并考慮地基土的非線性與層狀性，運用等效線性模型處理土的非線性，Newmark-β求解動態(tài)平衡方程；地震荷載作用下，交通隧道與周圍介質(zhì)是一起振動的，初砌結(jié)構(gòu)剛度不同，跟隨周圍介質(zhì)振動的情況也不一樣，初砌結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)相對剛度差決定初砌結(jié)構(gòu)的受力特征，柔性地下結(jié)構(gòu)更能適應地震反應。陳國興等[6]進行土-地鐵隧道動力相互作用的大型振動臺模型試驗，分別測出了模型地基的加速度反應、隧道結(jié)構(gòu)的加速度反應、結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力反應和隧道結(jié)構(gòu)的應變反應，分析了模型地基的邊界模擬效果、模型地基和隧道結(jié)構(gòu)的加速度反應規(guī)律；其次對模型隧道結(jié)構(gòu)的應變實測結(jié)果進行了分析，給出了地鐵區(qū)間隧道在水平向地震動作用下橫截面的應變分布規(guī)律，分析了模型箱側(cè)壁與地基土以及隧道結(jié)構(gòu)與土體接觸面上的動土壓力實測結(jié)果及其反應的規(guī)律，對試驗中模型土的液化現(xiàn)象、地震裂縫和地下結(jié)構(gòu)上浮等震害現(xiàn)象進行了描述。F.Kirzhner等[7]分析了地震作用下隧道圍巖的動力響應，闡述了動力荷載對隧道穩(wěn)定性的影響，指出在一般情況下由地震產(chǎn)生的壓力要小于隧道圍巖的強度，隧道在地震作用下一般是有較高安全度的，但是地震作用在地表產(chǎn)生的反應將導致復雜的后果，并提出了用于動荷載作用下隧道圍巖壓力和位移發(fā)展區(qū)域的判斷方法。谷拴成等[8]考慮土與隧道體的相互作用，忽略結(jié)構(gòu)慣性力，根據(jù)反應位移法，將隧道設計過程中各種動荷載(包括地震和爆破荷載)形成的地震波引起的隧道周圍的土體位移作為荷載，通過彈簧作用于支護結(jié)構(gòu)體上，推導出較為簡單實用的公式來計算隧道在地震中的縱向和彎曲荷載，并討論了其設計中的塑性問題，提出在隧道的設計中，是否考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用是很重要的，因為兩者的計算結(jié)果相差比較大，對于塑性問題，在實際工程中可以作為一種評價，因為到達塑性階段以后，隧道已經(jīng)發(fā)生裂縫。許增會等[9]研究了地震對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出了在不同巖性、跨度、地震波的類型情況下地震作用對隧道圍巖產(chǎn)生拉應力和位移的特征，指出圍巖的位移差異是破壞襯砌的主要原因。L.C.F.Ingerslev[10]討論了沉管隧道完成設計和建造要求后應該考慮其受震后如何確保其周圍軟弱砂土的穩(wěn)定性。Kazuo Konagai等[11]研究Kizawa隧道在日本新滹中部地震后出現(xiàn)嚴重裂縫，調(diào)查造成損壞的原因，指導對隧道周圍土體的長期觀察，從而為合理的恢復提供依據(jù)。張華兵等[12]通過模擬發(fā)生在一個線性軸對稱的隧道內(nèi)的爆炸來分析隧道周圍土體的彈塑性壓力密度行為以及土體的剪力參數(shù)對土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。王祥秋等[13]基于等厚度夾層單元與粘彈性邊界條件，建立隧道-圍巖體系的動力有限元分析模型，模擬圍巖及其襯砌結(jié)構(gòu)之間的力學性態(tài)。陳健云等[14]采用阻尼影響抽取法研究了圍巖動剛度的動力特性，提出了巖石地下結(jié)構(gòu)抗震分析的實用算法，在此基礎上對溪洛渡超大型地下洞室群的抗震安全性進行了評價。嚴松宏等[15]以高速鐵路南京長江隧道為例，分析了利用彈簧-質(zhì)量模型進行沉管隧道地震響應分析時，地基阻尼比、地基與隧道剛度之比以及管段不同聯(lián)結(jié)方式等因素對沉管隧道地震響應的影響。劉晶波等[16]為研究地鐵盾構(gòu)隧道的地震反應特性，采用復反應分析法研究了并行隧道間距離、襯砌厚度、材料性質(zhì)等因素對地震反應的影響，提出相對于設計基本地震加速度，把地面與基巖間峰值相對位移作為地下結(jié)構(gòu)的設計地震動參數(shù)更為合理。韋敏才[17]研究了不同洞型、不同方向地震作用下的地下結(jié)構(gòu)的地震反應。陶連金等[18]用動力離散元法對節(jié)理巖體進行動力分析，解釋節(jié)理巖體中地下洞室的地震動反應以及圍巖的變形與破壞機理。

1.2 隧道洞口段動力特性以及抗震設防長度的研究

由于隧道除了洞口外都是處于一定的埋深范圍內(nèi)，而處在一定圍巖約束段的隧道受到圍巖的約束作用在地震作用下受到的破壞相比沒有約束的洞口段破壞的可能性要小得多。在隧道震害調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，洞口段的結(jié)構(gòu)在地震時最容易發(fā)生破壞，是抗震的薄弱部分[19]，所以洞口段的動力特性以及抗震設防長度就是一個值得考慮和解決的問題。這一點在“5·12”汶川大地震隧道受震的情況中可以得到驗證:大部分隧道整體都還是沒有受到大的破壞，但是在隧道洞口段卻可以看到明顯的破壞痕跡。郭軍等[20]采用FLAC3D對9度地震區(qū)一實際重大工程的公路隧道明洞結(jié)構(gòu)進行了抗震計算，得到了襯砌結(jié)構(gòu)各控制點的加速度及內(nèi)力響應規(guī)律，同時比較了不同填土厚度條件下襯砌結(jié)構(gòu)的安全性能。結(jié)果表明:在50a超越概率為10%的人工合成地震波條件下，襯砌的控制設計位置為襯砌墻腳、仰拱；隨著填土厚度的增加，支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)普遍降低；拱肩部為臨界穩(wěn)定位置等。高峰等運用Newmark隱式時間積分有限元法并采用粘-彈性人工邊界，進行了隧道三維地震反應分析，計算結(jié)果表明:抗震設防長度主要與洞口段圍巖性質(zhì)有關，洞口段松軟、破碎的圍巖越長，隧道的設防長度就越長；隧道的斷面形式以及洞口段臨空面的存在與隧道的設防長度關系不大；在地震荷載作用下，洞口段隧道襯砌產(chǎn)生了很大的軸向應力；可采用注漿加固洞口段圍巖的方法減小洞口段襯砌的應力和位移[21]。S.H.Wang等[22]也探討了大跨度隧道入口處由于位移因素引起的不同位置的破壞的原因和隧道開挖后破壞處的變形。Sangki Kwon等[23]應用FLAC3D軟件分析了一個概念設計（一個地下空間研究實驗室URL），為了驗證設計的可能性，做了包括地震波折射觀測在內(nèi)的調(diào)查，在設計時應用FLAC3D考慮隧道幾何學、隧道洞口坡面等一系列的因素。王祥秋等闡述了基于小波變換的隧道洞口段三維動力有限元分析的時域分析法，建立了相應的有限元分析模型，對提速列車振動荷載作用下，不同圍巖條件隧道洞口段動力響應特性進行分析研究，得出了隧道洞口段不同圍巖條件下的時程響應規(guī)律[13、24]。

1.3 隧道動力穩(wěn)定性評價

隧道作為交通運輸系統(tǒng)的一個重要組成，它在地震作用下的穩(wěn)定性就成為一個關系到生命、財產(chǎn)安全甚至在戰(zhàn)備的情況下關乎國家存亡的重要問題。目前為止還沒有系統(tǒng)的關于隧道動力穩(wěn)定性評價的方法。從目前的研究來看主要是從解析法、數(shù)值方法以及模型試驗來分析隧道動力穩(wěn)定性的。

1.3.1 應用解析法評價隧道動力穩(wěn)定性

地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法實際上主要有兩種:一種可稱之為波動法，以求解波動方程為基礎；另一種可稱之為相互作用法，以求解結(jié)構(gòu)運動方程為基礎[25]。由于對地下結(jié)構(gòu)的抗震缺乏研究，國內(nèi)相關規(guī)范基本上都借鑒地上結(jié)構(gòu)的抗震理論和方法，采用解析法中的擬靜力法。解析方法又具體分為反應位移法[26]、ST.John法[27]、福季耶娃法[27]以及BART 法[27]、圍巖應變傳遞法[26]、地基抗力系數(shù)法[26]、遞推衍射法[27]等。因為解析法要對實際情況作很大的簡化和假設，這樣就必然會影響計算結(jié)果的可信程度，而且計算比較困難，同時隨著計算機的發(fā)展給數(shù)值方法帶來了新的發(fā)展，所以關于解析法的研究相對有所減少。最近的研究主要有張棟梁等[28]基于擬靜力假定，采用平面彈性理論的復變函數(shù)方法，利用土與結(jié)構(gòu)間的力和位移協(xié)調(diào)條件，推導出地震中自由場土體剪應變最大時刻土-結(jié)構(gòu)間不滑移和完全滑移兩種接觸條件下，圓形襯砌動內(nèi)力的解析解。蘇燕等[29]針對上海某越江通道工程盾構(gòu)法隧道，按一種簡化的擬靜力計算方法分析隧道的抗震穩(wěn)定性，并結(jié)合可靠性理論對隧道進行動力可靠性分析，對擬建隧道的抗震風險做出初步評價。徐建平等[30]利用擬靜力法對隧道抗滑穩(wěn)定性進行了校核。李海波等[31]提出了動應力集中因子代表值的概念，以合理反映地震荷載作用下地下洞室圍巖的動應力集中程度，并將動應力集中因子代表值，作為洞室地震響應的關鍵特征來衡量洞室地震響應的大小。

1.3.2 應用數(shù)值分析方法評價隧道動力穩(wěn)定性

隨著計算機技術的進步，數(shù)值方法得到了很大的發(fā)展，并且數(shù)值方法利用計算機強大的計算和模擬能力可以模擬復雜的巖土本構(gòu)關系和邊界條件，還可以加入使用者自己提供的本構(gòu)模型，因而其研究也出現(xiàn)了空前的活躍。黃勝等[32]采用數(shù)值方法中的波動分析法，以無限元模擬遠場動力邊界，分析高烈度地震下隧道的安全性。許增會等[9]利用ANSYS軟件的譜分析研究了地震對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。郭軍等[20]采用FLAC3D對9度地震區(qū)一實際重大工程的公路隧道明洞結(jié)構(gòu)進行了抗震計算。高峰等[21]利用自編的三維有限元地震反應分析程序?qū)λ淼蓝纯诙蔚目拐鹪O防長度進行了研究。楊小禮等[33]在動態(tài)有限元理論的基礎上，采用大型有限元程序ANSYS對淺埋大跨度連拱隧道進行地震反應分析。莊海洋等[34]應用自編的土體-結(jié)構(gòu)體系整體有限元分析軟件對南京軟土地基上區(qū)間隧道的地震反應進行了分析。陳貴紅[35]利用ANSYS，分析地質(zhì)條件、埋深等對隧道地震反應的影響。祝彥知等[36]將土體的橫觀各向同性彈塑性理論引入層狀土層-地鐵區(qū)間隧道動力有限元分析程序，并利用所研制的程序?qū)ι虾５罔F二號線石門一路站附近區(qū)間隧道在不同超越概率地震波輸入下的地震反應進行了計算。李育樞等[37]用動力有限元法研究了偏壓隧道洞口橫向邊坡在水平地震、垂直地震以及水平和垂直地震同時作用下的全時程動力反應規(guī)律。梁波等[38]運用時程分析方法研究淺埋偏壓隧道在水平地震、垂直地震以及45°方向作用下的全時程動力反應規(guī)律。陳貴紅等[39]以南京長江沉管隧道為例，利用動力有限元法對沉管隧道進行抗震分析；對埋深、地質(zhì)條件、水等因素對沉管隧道地震反應的影響進行分析。郭毅之等[40]采用全三維非線性建模方法建立了沉管隧道總體有限元模型，通過對沉管隧道總體模型合理分區(qū)來進行地震響應分析，應用通用的非線性動力分析有限元程序LS-DYNA進行求解。P.Jia等[41]利用數(shù)值分析方法研究成層接頭處的不同俯角和側(cè)壓力系數(shù)對隧道接頭處的圍巖的穩(wěn)定性的影響。Y.Guo等[42]利用高性能計算機模擬盾構(gòu)隧道的地震反應分析，模擬考慮了材料的非線性的長期影響以及大變形和接觸條件，目的就是要提供高精確度的隧道受震后的變形和穩(wěn)定性預測。張華兵等[12]采用粘彈塑性模型對黃土隧道圍巖進行有限元分析，研究圍巖的變形規(guī)律，探討圍巖位移場分布，并同真實黃土隧道試驗的側(cè)面無襯砌和半襯砌兩種工況各3種狀態(tài)的變形破壞結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)用有限元方法模擬的結(jié)果與真實隧道的變形破壞過程基本吻合。李仲奎等[43]采用FLAC3D用應力邊界法快速生成初始應力場對溪洛渡水電站地下廠房洞室群進行圍巖穩(wěn)定性分析。陶連金等[44]采用了動力離散元法對一個大斷面地下洞室在地震載荷的作用下的動力影響及圍巖穩(wěn)定性進行了分析，并模擬出圍巖失穩(wěn)和破壞的全過程。Y.Li等[45]以上海揚子江泥漿盾構(gòu)隧道為例利用有限分析中的最大值方法和三維數(shù)值模型來分析隧道的穩(wěn)定性，研究了局部破壞和整體破壞的機理。

1.3.3 通過模型試驗評價隧道動力穩(wěn)定性

地震的爆發(fā)是無規(guī)律的，所以也就無法從自然爆發(fā)的地震中做試驗研究它對隧道的影響，而解析法或者是數(shù)值方法雖然能從一定程度上分析地震作用對隧道穩(wěn)定性的影響，但畢竟只有真正的試驗才能具有更高的說服力，才能更準確地反應實際情況。模型試驗就是以相似理論為依據(jù)，通過對原型的縮比做比例試驗來真實反映實際規(guī)律的有效方法。但是模型試驗花費巨大，而且滿足相似比也比較困難，所以這方面的試驗也不是太多。陳國興等[6，46]以南京地鐵的建設背景為基礎，對含有可液化土層的深厚軟弱場地上雙洞單軌的地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進行了大型振動臺模型試驗研究。申玉生等以雅安-瀘沽高速公路高烈度地震區(qū)山嶺隧道為依托工程，對山嶺隧道洞口段結(jié)構(gòu)動力響應進行大型振動臺模型試驗研究[47]。Y.Ashida等[48]利用隧道爆破和TBM震動作為地震源來模擬隧道受震以此建議采用一種比較精確的圖像技術來預測未來的隧道面的破壞情況。C.Wright等[49]分析了南非某一鐵礦隧道的地震折射波的速度變異，尤其是其中P波的變異，由此幫助對埋深比較大的隧道的模型研究。楊超等[50]進行了軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動臺試驗以研究土體和結(jié)構(gòu)模型的加速度響應、結(jié)構(gòu)模型表面的動土壓力以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應變規(guī)律，并且還利用數(shù)值方法與振臺試驗進行比較。王志杰等[51]采用伺服式液壓振動臺做模型試驗，研究隧道加設隔震層后襯砌的受力特性。

2 減震研究現(xiàn)狀簡介

減震就是通過采取適當?shù)拇胧﹣硖岣呓ㄖ飳Φ卣饎铀a(chǎn)生影響的適應能力，使建筑物能夠承受該影響[1]。減震的最終目標是和抗震是一樣的，都是使地震動對建筑物的使用功能的影響達到最小。很多研究都是抗震和減震一起進行的。目前在實際工程中主要就是采用改變地下結(jié)構(gòu)本身性能、加固圍巖以及設置減震系統(tǒng)這三種措施。黃勝等[32]研究西藏扎墨公路高烈度地震區(qū)嘎隆拉隧道地震動力響應，分析隧道抗震層的減震機制，數(shù)值模擬橡膠和泡沫混凝土兩類材料抗震層的減震效果。申玉生等[46]以雅安—瀘沽高速公路高烈度地震區(qū)山嶺隧道為依托工程，發(fā)現(xiàn)隧道設置減震層后，襯砌裂縫數(shù)量明顯減少，能夠改善隧道結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)。高峰等運用Newmark隱式時間積分有限元法并采用粘-彈性人工邊界，計算了不同地震動作用下不同的圍巖材料對隧道地震反應的影響，并通過改變隧道襯砌一定范圍內(nèi)圍巖材料的參數(shù)，計算了隧道的地震反應，分析了在隧道施工中設置減震層和注漿加固一定范圍內(nèi)圍巖這兩種方法的減震效果、適用條件及其減震機理[52]。王志杰等[51]在分析了地面結(jié)構(gòu)隔震原理的基礎上，以隧道洞口段為研究對象，對圍巖-隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系進行了減震研究。

3 總結(jié)與展望

總的來說由于受到科技發(fā)展水平和人類認識的局限性以及地震發(fā)生的不可預知性和復雜性的局限，目前的研究還處于探索階段，都還沒有比較深入比較系統(tǒng)地了解隧道在地震作用下的受力狀態(tài)以及抗震和減震的機理。今后需要從以下幾個方面進行深入研究。

（1）隧道不像地面建筑那樣，它還受到周圍土體或是巖體的約束，所以首先要解決在地震荷載作用下隧道與周圍土體的受力狀態(tài)，也就是土-結(jié)構(gòu)相互作用的機理。

（2）隧道的破壞模式以及地震荷載作用下穩(wěn)定性分析與評價。

（3）目前的隧道抗震設計很大一部分是套用地面建筑的，尤其是抗震構(gòu)造，所以要解決符合隧道本身的設計方法以及隧道抗震構(gòu)造措施。

（4）從“汶川”大地震可以看出很多隧道主要是洞口段受到破壞，所以研究解決洞口段的動力特性以及抗震設防長度也是很有必要的。

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