淺談平面波作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題

宋思紋 陳炳鐸

摘要：掌握平面波作用下隧道的波動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)隧道的安全運(yùn)營(yíng)具有很大意義。由于平面波種類不同，隧道形狀不同等導(dǎo)致隧道的波動(dòng)響應(yīng)不同。本文基于隧道震害實(shí)例以及隧道結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，闡述了研究了平面波作用下隧道動(dòng)力響應(yīng)的的重要意義，隨后總結(jié)當(dāng)前對(duì)隧道動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題研究的方法。

Abstract： Mastering the wave response law of tunnel under the action of plane wave is of great significance for the safe operation of tunnel. Due to the different types of plane waves and different tunnel shapes， the wave responses of tunnels are different. Based on the example of tunnel seismic damage and the research status of tunnel structure， this paper expounds the importance of studying the dynamic response of tunnel under plane wave， and then summarizes the current research methods of tunnel dynamic response.

關(guān)鍵詞：平面波;隧道;動(dòng)力響應(yīng)

Key words： plane wave;tunnel dynamic;response

中圖分類號(hào)：0U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0244-02

0? 引言

近年來(lái)，我國(guó)在基礎(chǔ)建設(shè)如公路、鐵路、隧道中取得了矚目的成果。我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，隧道結(jié)構(gòu)在我國(guó)也隨處可見(jiàn)，很多隧道往往要穿越不同烈度區(qū)，因此，掌握平面波作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律對(duì)隧道的抗震措施和隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)及評(píng)價(jià)有著指導(dǎo)意義。

1? 隧道震害實(shí)例

1923年日本東京發(fā)生8.3級(jí)大地震，京東附近的25座隧道均被損壞，其中有16座隧道的洞身發(fā)生破壞;1999年臺(tái)灣發(fā)生集集地震，在調(diào)查的57座隧道中49座隧道均發(fā)生破壞;2008年5月12日，我國(guó)的四川省汶川縣發(fā)生8.0級(jí)特大地震，地震的發(fā)生使很多的建筑、公路、橋梁等遭受破壞，其中隧道破壞較為嚴(yán)重，這些結(jié)構(gòu)的破壞阻礙了救災(zāi)的速度與災(zāi)后重建。隧道的破壞形式種類繁多，有邊墻的破壞，隧道拱部襯砌的破壞，襯砌的破壞、洞門的破壞、隧道附屬結(jié)構(gòu)遭到破壞等，因此研究波動(dòng)作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)顯的尤為重要。

2? 隧道及地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀

一開(kāi)始大家普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)比地上結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢靠，在地震作用下不容易破壞，所以我國(guó)對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)的抗震研究相比于其他國(guó)家較晚。隨著國(guó)內(nèi)外地震的頻發(fā)以及地下結(jié)構(gòu)的破壞，我國(guó)才開(kāi)始重視地下結(jié)構(gòu)的抗震。

在上個(gè)世紀(jì)50年代以前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都是以日本學(xué)者大森房提出的理論為基礎(chǔ)進(jìn)行隧道及地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì);到80年代，一些學(xué)者通過(guò)對(duì)已發(fā)生的地震進(jìn)行仔細(xì)研究，以平面波的多重理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)、模型試驗(yàn)的結(jié)果提出了一些新的計(jì)算方法如反應(yīng)位移法等;近年來(lái)，很對(duì)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行了研究。起初，一些學(xué)者對(duì)全無(wú)限空間中在SH波作用下隧道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，隨著理論的完善和方法的擴(kuò)展，人們逐漸意識(shí)到很多的實(shí)際工程是存在于半無(wú)限空間中，一大批學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了探討。隨后人們?yōu)榱四芨咏趯?shí)際工程，將隧道周圍的介質(zhì)由原來(lái)的一維介質(zhì)發(fā)展為二維介質(zhì)，對(duì)于三維介質(zhì)研究較少。雖然我國(guó)在地下結(jié)構(gòu)抗震方面做了很多的努力，由于研究較少和起步較晚，目前對(duì)地下抗震無(wú)系統(tǒng)、詳細(xì)的規(guī)范。

3? 隧道動(dòng)力響應(yīng)的研究方法

目前對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要有以下三類：原型觀測(cè)法、實(shí)驗(yàn)研究法和理論分析法。這三種方法互相聯(lián)系，相輔相成，理論分析結(jié)果的正確性依賴于原型觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究的驗(yàn)證，原型實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)研究提供方法和思路。

3.1 原型觀測(cè)

原型觀測(cè)包含震害調(diào)查和地震觀測(cè)。地震過(guò)程中，隧道及周圍介質(zhì)的變形很難被模擬，并且受環(huán)境和邊界條件影響較大，在不同震級(jí)下不同連接情況的隧道會(huì)有不同的破壞。因此，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行觀測(cè)必不可少[1]。

3.1.1 震害調(diào)查

原型觀測(cè)是在隧道及地下結(jié)構(gòu)在遭受地震作用后在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)地震變形特征和地震破壞特點(diǎn)。由于隧道和其周圍的物質(zhì)的連接很難完美的反映在模型上，因此，地震作用后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行資料的采集是必不可少的。進(jìn)行原位觀測(cè)時(shí)需進(jìn)行震害調(diào)查，震害調(diào)查受時(shí)間、手段、條件的限制，一些學(xué)者在余震還進(jìn)行時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的震害調(diào)查，通過(guò)觀察破壞特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的破損情況對(duì)地震的動(dòng)力作用規(guī)律進(jìn)行記錄、分析和總結(jié)。

3.1.2 地震觀測(cè)

在進(jìn)行完原型觀測(cè)后，震害調(diào)查只是觀察地震后隧道及地下結(jié)構(gòu)的破壞情況，無(wú)法了解到地震時(shí)隧道及地下結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了對(duì)地震作用下隧道及地下結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)行詳細(xì)的研究，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)數(shù)據(jù)。地震觀測(cè)往往是在余震中進(jìn)行的，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的波動(dòng)情況能詳細(xì)的觀察到破壞的先后順序和破壞的方向，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測(cè)不僅能精準(zhǔn)的掌握破壞情況，更能掌握地震中結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為隧道及地下結(jié)構(gòu)的抗震提供支持。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

由于原型觀測(cè)和地震觀測(cè)只能進(jìn)行觀察記錄震后或震中結(jié)構(gòu)的破壞和變形特點(diǎn)，無(wú)法控制震源的位置以及震級(jí)，無(wú)法對(duì)變形進(jìn)行定性和定量的分析，只能看到地震破壞結(jié)果，無(wú)法深入了解破壞過(guò)程。因此，為了能更好的了解地震作用下隧道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究。在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中可分人工震源實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)。

人工震源模型實(shí)驗(yàn)是在實(shí)地進(jìn)行的，通過(guò)加速度測(cè)量機(jī)、水準(zhǔn)儀、收斂?jī)x和高速攝影機(jī)來(lái)進(jìn)行地震過(guò)程中數(shù)據(jù)的測(cè)量，由于人工震源實(shí)驗(yàn)代價(jià)昂貴，實(shí)地材料類型單一且很難進(jìn)行，所以人們常常用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行代替。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)以相似理論知識(shí)為基礎(chǔ)，通過(guò)配合離心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究介質(zhì)的特性以及介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變實(shí)驗(yàn)的條件來(lái)模擬不同類型地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并將記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)研究有助于隧道及地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震防范，為隧道抗震設(shè)計(jì)提供支持。

3.3 理論研究

由于實(shí)驗(yàn)研究的兩種方法在研究經(jīng)費(fèi)上都比較昂貴且環(huán)境的影響對(duì)結(jié)果影響較大，所以對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行理論研究必不可少。隧道和地下結(jié)構(gòu)的抗震在理論計(jì)算上有很多的方法，但總結(jié)起來(lái)主要有兩類：一類為波動(dòng)分析法，另一類為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法。

3.3.1 波動(dòng)分析法

波動(dòng)分析法主要以求解方程為主要方法。在入射波作用下，將周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)看成一個(gè)整體，通過(guò)分析波在各自中傳播的特點(diǎn)來(lái)求解各自中的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，一般在求解過(guò)程中通常將周圍介質(zhì)看做彈性體，并且在波動(dòng)分析法求解過(guò)程中忽略了周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，所以波動(dòng)法在一定程度上與實(shí)際工程情況不符。在求解位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)主要用到的方法有解析解法和數(shù)值分析法[2][3]。

20世紀(jì)70年代，Pao和Mow運(yùn)用波函數(shù)展開(kāi)法研究了在無(wú)限空間中彈性波入射下單個(gè)洞室的動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題[4]。隨后Barros[5]等人對(duì)彈性介質(zhì)中圓柱形空洞引起的脈沖問(wèn)題進(jìn)行了分析，使用積分變換和波函數(shù)展開(kāi)法給出了壓縮波散射的解析解，分別研究了半無(wú)限彈性空間內(nèi)無(wú)襯砌圓柱形洞室在SV波作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。梁建文[6]分析了P波和SV波入射情況下半無(wú)限彈性空間內(nèi)地震波的散射解析解。

3.3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法通過(guò)研究周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的相互作用來(lái)研究介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。此方法彌補(bǔ)了波動(dòng)分析法的不足，在求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程中可以分為子結(jié)構(gòu)法和直接法。

子結(jié)構(gòu)法假定周圍介質(zhì)和隧道是獨(dú)立的，二者的存在不會(huì)對(duì)各自的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，子結(jié)構(gòu)法一般將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，首先考慮在自由場(chǎng)中介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，再根據(jù)隧道所處的位置求解隧道的動(dòng)力響應(yīng)，由于子結(jié)構(gòu)法不能解決非線性問(wèn)題，所以此方法只能研究周圍介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變形特性。直接法則將周圍介質(zhì)和隧道看成一個(gè)整體，從而得到隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。由于此方法在本構(gòu)模型，巖土體非線性、理論驗(yàn)證手段等方面的缺陷，其與真實(shí)的工程狀況還有一定的差距。

3.4 隧道的實(shí)用抗震方法

除了上述的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究方法之外，人們?cè)谇皟煞N方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了很多其他的實(shí)用方法[7]。由于我國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)沒(méi)有較明確的規(guī)范，目前我國(guó)多采用實(shí)用方法對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，結(jié)合解析方法和數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)算。

這些實(shí)用方法中基本都采用了很多假定和簡(jiǎn)化，通過(guò)對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)的地震調(diào)查和觀測(cè)，總結(jié)了這些實(shí)用計(jì)算方法一般采用的假定和簡(jiǎn)化以及隧道的一些特點(diǎn)[8][9]：第一，在隧道等地下結(jié)構(gòu)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共振響應(yīng);第二，在隧道等地下結(jié)構(gòu)中，在周圍介質(zhì)中和結(jié)構(gòu)中的地震波形一致;第三，在隧道等地下結(jié)構(gòu)中，軸向應(yīng)變一般比彎曲應(yīng)變更起控制作用，而環(huán)向應(yīng)變則大于軸向應(yīng)變;第四，在地表層的卓越周期范圍內(nèi)，隧道斷面在地震中的變形可以認(rèn)為是由剪切波垂直向上傳播所造成的，也可由表面波沿地表傳播而形成;第五，隧道等地下結(jié)構(gòu)中的柔性接頭或鉸接等在距接頭一定范圍內(nèi)有減緩隧道應(yīng)變的作用;第六，隧道的拉、壓變形沿軸向是比較均勻的，但各點(diǎn)的彎曲應(yīng)變則相差較大?？梢哉J(rèn)為，周圍地層變化對(duì)彎曲變形產(chǎn)生的影響較軸向拉壓變形的影響大得多。

4? 總結(jié)

在研究平面波作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題中，在眾多的方法里，每一個(gè)方法都不是獨(dú)立的，方法之間都是互相聯(lián)系，相輔相成的?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是實(shí)驗(yàn)研究的前提，理論研究是必要的手段，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為檢驗(yàn)理論研究結(jié)果提供支持。在特殊情況下，要采用特殊的方法，可采用隧道的實(shí)用抗震方法來(lái)解決問(wèn)題。

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