地震作用下隧道拱頂欠厚襯砌的動力響應分析

王自偉

（重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074）

1 概述

當隧道存在既有缺陷時，隧道結構的承載能力受襯砌厚度不足影響較大，在地震作用下此類隧道更容易發生破壞。所以造成隧道襯砌破壞的主要因素往往與隧道襯砌結構的質量缺陷有關。

2 隧道襯砌欠厚缺陷的成因及危害

隧道的施工工藝是造成襯砌厚度不足缺陷的最主要因素。隧道設計時必須考慮襯砌與周圍巖體相互接觸的受力狀態，如果實際情況中的襯砌厚度達不到襯砌設計厚度，襯砌與圍巖之間相互作用的受力狀態將受到很大影響，可能導致更多的圍巖釋放的壓力作用在襯砌上，同時襯砌結構本身的承載能力也會因襯砌厚度不足而減弱，在疊加效果作用下，更容易導致襯砌結構的破壞。

3 拱頂襯砌欠厚的地震動力響應分析

3.1 有限元計算模型建立。計算模型取64m 為左右邊界，隧道拱底離下邊界32m，根據不同埋深作為模型上邊界，隧道埋深分別設置為8D、10D、12D、14D（D 為隧道跨度6m）四種情況，襯砌正常厚度h 為50cm。設置2m 為模型最大網格尺寸，采用3D實體單元和2D 板單元分別模擬圍巖和襯砌，采用Mohr-Coulomb 屈服準則及彈塑性增量本構關系作為圍巖介質；后者以彈性本構關系作為支護結構。

材料參數選取。

計算模型的材料參數選取如表1 所示。

表1 模型參數取值

3.2 地震波的輸入與合理性驗證。選用總時程為10s、時間間隔為0.02s 的El-Centro 波，為了保證有限元模擬的準確性，一般選取在10-6～10-5 秒量級的迭代時步。本次數值模擬對地震設防烈度為7 級時的情況進行研究，根據《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111-2006），當抗震設防烈度為7 級時，地震動峰值加速度值為0.1g。

對原始El-Centro 地震波進行基線校正以及濾波。然后在有限元軟件中輸入處理好的El-Centro 地震波加速度時程曲線，對模型進行分析處理，將襯砌各位置速度時程曲線和位移時程曲線的有限元分析結果與基線校正以及濾波后的進行比較，以此來驗證本文數值模擬的合理性。通過比較驗證得出，本次數值模擬方法是合理的。

3.3 隧道襯砌欠厚程度對地震的動力響應。對拱頂襯砌厚度為40cm、30cm、20cm、10cm 的情況進行模擬，對隧道拱頂襯砌欠厚的地震動力響應情況進行分析，得出地震作用下隧道襯砌拱頂欠厚程的動力響應規律。通過對襯砌拱頂的水平位移進行分析，并對比不同隧道埋深下襯砌拱頂欠厚程度對地震的動力響應規律，得出統一的規律。

水平位移的影響分析：

圖1 8D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖2 10D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖3 12D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

圖4 14D 埋深下拱頂不同襯砌厚度下的水平位移

地震過程中隧道結構的變形情況能夠通過位移指標反映，本節選用采用選取時程區間內X 向位移峰值來反應各個位置的變形情況，通過比較分析各個監視點的水平位移，得到了隧道襯砌厚度不足時的地震動力響應規律，對比情況如圖1～4 所示。

從圖1～4 的對比可以得出：

（1）在地震作用下，拱頂襯砌厚度不足對拱頂水平位移的影響較大，拱頂襯砌厚度對襯砌仰拱腳與仰拱底的水平位移基本沒有影響，而對拱腰與拱頂的水平位移影響較大。

（2）在地震作用下，拱頂襯砌欠厚越多，各監視點間的襯砌水平位移越小，其中變化較明顯的拱頂與左、右拱腰的水平位移在襯砌厚度為10cm 時是襯砌厚度為40cm 時水平位移的1.01 倍。

4 結論

通過有限元模擬的方法對拱頂襯砌欠厚對隧道地震動力響應特性進行研究。探討了隧道襯砌在不同埋深、拱頂襯砌不同欠厚程度下的動力響應情況，對結果進行分析，總結出以下結論：

在地震作用下，各監視點間的襯砌水平位移隨著拱頂襯砌欠厚越大逐漸減小。

本文研究發現，當隧道埋深小于12D 時，埋深越大，水平位移峰值越小，當埋深超過12D 時，襯砌水平位移峰值隨著隧道埋深的增大而略微增大且趨于穩定，所以隧道建在深埋地段有較好的抗震作用。