探析基于不同埋深条件隧道结构的地震动力响应

探析基于不同埋深条件隧道结构的地震动力响应

李政

广州市市政工程监理有限公司广东广州510000

摘要：通过分析大量的地震灾害资料与数据我们不难发现，地震对地下结构的破坏程度与地下结构的埋置深度有着较大的联系。以下文章通过应用数学、物理上的有限元方法，对八种具有不同埋置深度的隧道结构进行地震动力响应方面的分析，并在实验中应用计算模型的地震输入方法对相关的实验假设进行验证。通过对所得数据进行理论分析，可以得出地震波输入以及处理方法具备一定的合理性的结论。在实验中讨论埋置深度对隧道结构地震动力响应，并对衬砌关键节点的竖直以及水平向的加速度和位移峰值等因素进行提取，进而能够研究随着埋置深度的不断增大，加速度以及位移峰值随着时间不断变化的相关结论。并且在实验中以拱顶作为例子，计算其不同的埋深变化段各种数据参数的变化速率。实验最后，得出了基于不同埋深条件隧道结构的地震动力响应的结论：在地震活跃区进行隧道的修建时，其埋置的深度尽量大于50m的结论。

关键词：不同埋深；隧道结构；地震动力响应；

1引言

近几年来随着地震灾害的不断发生，地下结构的抗震分析和研究逐渐受到了人们的重视。通过分析大量的地震灾害资料我们了解到，地震对埋置深度不同的结构会产生不同程度的破坏。在上世纪的1995年，日本的阪神发生了震级为7.3级的大地震，地震灾区范围内有百分之十的隧道受到了不同程度的破坏，这一事件改变了人们对于隧道结构不会遭受地震破坏的观念。因此在地震区进行隧道结构的修建，一定要选择合理的埋置深度，尽可能的将地震造成的影响降到最低，且设计工作还要满足经济方面的要求。通过现有的地下工程地震灾害资料我们可以查到当埋置深度大于五十米时，隧道结构的破坏程度将大大降低，如果埋置深度超过了三百米，那么地震不会对隧道结构造成严重的破坏。

2计算模型工况

2.1计算模型

本文计算工作采用的是有限元的模型，且模型是二维的。模型的横向宽度大约是一百六十米，假设拱顶以上的高度是该隧道的埋置深度D，实验中取拱顶到下边界的距离为六十米。为达到简化计算模型的目的，同时也为了便于对实验结果进行分析，实验中假设隧道处于质地均匀的岩层之中。实验中模型单元的划分长度为两米，模型的围岩使用的是四节点的平面单元，衬砌结构使用的是梁单元进行模拟工作。实验中围岩与衬砌之间的相互作用，是通过耦合振动系来进行模拟。

2.2模型边界以及输入方式

通过对大量的计算数据分析可得，具有黏弹性的人工边界等效于黏性边界，所以以下文章在进行计算时，应用的是黏弹性人工边界，实验中主要通过弹簧以及阻尼器等等装置达到实验的模拟条件，其中弹簧以及阻尼器的赋值按照以下公式进行：

在上式中KBN表示法向弹簧刚度，KBT表示的是切向弹簧刚度。

2.3计算工况以及相应的参数

在整个的计算工作中，根据隧道埋置深度的不同将工况分为八种情况，其对应的埋置深度分别是五米、二十米、五十米、一百米、两百米、三百五十米、五百米、一千米。实验中的围岩条件按Ⅲ级进行考虑。实验中，得到了下表1中隧道物理力学的相关参数。

2.4地震波

实验中在模型的底部同时施加水平方向以及竖直方向的地震波，并且地震波的持续时间为三十秒。但是在实际的地震当中，由于大地的地层能够发挥阻尼作用，因此地震波会在传播的时候其能量大大减小。所以对于埋置深度不同的隧道结构来说，其在地震作用下所受到的破坏程度也会不同。

3隧道结构埋置深度对结构动力响应的影响

通过对已有文献进行分析可知，围岩结构的失稳以及地震发生过程中存在的惯性力作用是导致地下结构破坏的主要原因。其中所谓的围岩失稳，包含了围岩结构的变形以及出现差异位移等问题。其中地震惯性力则指大地地层运动对隧道结构产生的惯性力导致的破坏。但是就结构的横截面来说，因为地下结构的岩石地层质量以及密度之间并没有显著的差异，因此地下结构在受到震惯性力的破坏时，自身结构发生毁坏的概率一般较低。所以这一过程中的差异位移是导致岩石隧道发生破坏的一个主要的原因。同时加速度也是进行隧道结构动力响应分析的一个较为重要参数。因此也要对加速度峰值以及位移峰值进行考虑，分析其对结构动力响应的影响。通过分析实验数据与相应的图像，我们发现对于左右拱肩以及墙脚的位置来说，其加速度与位移峰值大小之间的变化趋势比较相似。当埋置深度控制在两百米之内时，隧道衬砌结构上的各监测点的加速度峰值会随着埋置深度的增大而快速的下降，一旦埋置深度超过了两百米，那么这几变化将趋于平缓。

4隧道结构埋置深度对结构内力的影响

本文中的计算应用的是平面应变分析的方法，研究的对象为隧道衬砌机构的横截面内力变化的趋势，在进行研究的过程中不考虑纵向的影响。最终通过实验数据以及相应的图像表明，当隧道结构埋置深度从五米逐渐变化到五十米时，结构所受到的弯矩以及轴力的峰值总体上呈现出减小的趋势。当埋置深度超过五十米时，结构弯矩的峰值变化程度较小，此外轴力的峰值会出现一定的增大。对于剪力的峰值来说，当隧道结构的埋置深度在五米到二十米之内变化时，剪力的大小会相应的降低，当埋置深度超过二十米时剪力将会随着埋深的增加而不断的增大。

5结论

通过对大量实际地震灾害的资料进行分析可得，当隧道结构的埋置深度超过五十米时，尤其对于岩质的隧道结构来说，受到地震的破坏程度会明显减少。而通过实验得出，当隧道结构的埋置深度控制在五十米到一百米时，伴随着埋置深度的不断增加在隧道结构的动力响应指标会大大降低，主要的动力响应指标为峰值加速度以及峰值的位移。此外实验数据也表明，当模拟试验的深度控制在一百米到两百米时，隧道结构受到地震破坏的影响将会大大降低。

此外，如果隧道结构的选址位于高烈度的地震区域，那么在进行隧道的平纵面设计工作时，要将隧道结构的埋置深度作为一项重要的指标来指导平纵面的设计工作。在综合考虑设计过程中的其他因素时，应该尽量将隧道结构的埋置深度控制在五十米以上。

通过对隧道衬砌结构的相关关节点的的动力响应峰值的分析，可以看出隧道结构的拱顶以及仰拱等结构的地震响应较为明显。在进行分析工作时，还要对隧道结构的拱顶以及拱肩和墙脚、仰拱等因素进行综合分析。此外，隧道衬砌结构的各关键节点的内力峰值会伴随着埋置深度的变化呈现出不同的变化趋势。尤其是对于弯矩峰值的变化来说，当埋置深度超过五十米时，其数值变化变缓。当埋置深度超过五十米时，轴力的峰值有一定程度的变化但是变化范围较小。对于剪力峰值来说，当埋置深度大于二十米时，其数值增加的较为明显，但是数值的变化区间不大。因此，通过分析衬砌结构的内力峰值变化我们可以看出，当特定的参数条件不变的条件下，比如说控制好隧道结构的断面大小以及围岩的相关条件，不同的环境对应着一个较为合理的埋置深度值。最后，通过对比数值计算与模型试验的结果，我们发现隧道衬砌结构的加速度响应峰值在变化趋势方面具有一定的同步性。尤其需要说明的是，本文的所有结论以及相应的数据都是在研究隧道结构埋置深度这个单一的变量，此外在进行埋置深度研究的过程中，还要对施工当地的地震烈度以及相应的地质条件等因素进行考虑，并且要进行综合的研究进而得出合理的埋置深度值。

参考文献：

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