陳永前 宋成科

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

0 引言

我國(guó)的山嶺隧道大量修建于20世紀(jì)90年代以后，2008年“5·12”汶川大地震是對(duì)山嶺隧道抗震性能的一次大檢驗(yàn)。對(duì)隧道及地下工程震害資料的研究，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者都已做了很多工作，斯蒂文斯、道丁、歐文等分別對(duì)隧道震害進(jìn)行了大量研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫[1-3]。國(guó)內(nèi)的潘昌實(shí)、高波、王崢崢等也對(duì)隧道和地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害規(guī)律進(jìn)行了研究[4]。汶川地震后，諸多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)汶川地震中山嶺隧道的震害情況進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、分析，得出了很多重要的結(jié)果。影響隧道及地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有很多種，包括埋深、地應(yīng)力、地質(zhì)條件、地震震級(jí)、震中位置以及地震波入射方向等等。前人在不同的地震波入射角度對(duì)隧道洞室的響應(yīng)特征分析方面做了一定的工作，但目前缺乏地震波入射角的變化對(duì)隧道洞室的影響系統(tǒng)全面地分析研究。鑒于此，本文通過ANSYS三維有限元軟件研究地震波入射角從垂直于隧道軸線的垂直面和水平面兩組方案對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)等的破壞機(jī)理及形式，并結(jié)合汶川地震的隧道震害實(shí)例分析隧道動(dòng)力響應(yīng)特征，試圖更全面了解和掌握隧道洞室隨地震波入射角變化的響應(yīng)特征。

1 地震波的選擇

為有效模擬地震波入射角度對(duì)隧道洞室所產(chǎn)生的響應(yīng)特征，本文將采用人工合成的地震波數(shù)據(jù)，以掌握地下工程在地震時(shí)最容易受到破壞的部位，如圖1所示。

2 模型建立

在分析隧道及地下工程隨地震波入射角變化時(shí)的響應(yīng)特征時(shí)，本文在模擬計(jì)算中采用如下基本假設(shè)：

1)不考慮由于介質(zhì)特性對(duì)地下工程的穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響，所以襯砌和圍巖均采用線彈性材料；

2)巖性較為單一，多為砂巖，選擇Ⅲ類圍巖，不設(shè)置錨桿。

本次模擬選擇模型尺寸如圖2所示，地下工程斷面形狀設(shè)計(jì)為馬蹄形，設(shè)計(jì)模型的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型的力學(xué)參數(shù)

3 模擬方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)了兩組模擬方案，在隧道截面的輪廓上設(shè)定拱頂、左右拱肩、左右拱腳和拱底為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

方案一：地震波入射角在垂直于隧道軸線的平面內(nèi)變化，從地震波的入射角與沿著Y軸正向?yàn)?°算起，沿順時(shí)針變換入射角度，分別設(shè)定30°,45°,60°,90°,120°,135°,150°,180°共9種模擬工況的入射角度，如圖4所示。

方案二：地震波的入射角在平行于隧道軸線的水平面內(nèi)變化，從地震波入射方向與隧道軸線方向平行為0°算起，分別有30°,45°,60°,90°共5種模擬工況的入射角度，如圖5所示。

4 模擬結(jié)果及討論

4.1 模擬結(jié)果

通過上述的兩組模擬方案，下面將從應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)兩方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1)地震波入射角在垂直于隧道軸線垂直面內(nèi)變化。

圖6和圖7是地震波入射角在垂直于隧道軸線的平面內(nèi)變化的模擬結(jié)果，由圖6可知，在0°～90°范圍內(nèi)，隨著地震波入射角度的逐漸增大拱頂和拱底的最大主應(yīng)力基本沒有變化，基本保持在0 MPa，左右拱腳和左右拱肩的最大主應(yīng)力逐漸降低；在90°～180°范圍內(nèi)，隨著地震波入射角度的增大，拱底的最大主應(yīng)力逐漸升高，最大值達(dá)到3.02 MPa；當(dāng)入射角為180°時(shí)(地震波垂直向上)，拱頂和拱底受地震波的影響大于其他部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)；當(dāng)入射角為0°時(shí)(地震波垂直向下)，左右拱肩的最大主應(yīng)力最大，即受地震波影響最大，說明在實(shí)際中地震時(shí)這兩個(gè)部位受到地震破壞是最為嚴(yán)重的。

由圖7可知，拱頂、拱肩、拱腳和拱底沿Y軸和X軸方向的位移隨著地震波入射角度的增大先減小后增大，從圖8和圖9還可以看出，隨著地震波入射角的增大，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移場(chǎng)變化是拱頂>拱腳>拱肩>拱底，這說明地震時(shí)隧道拱頂受到的破壞最為嚴(yán)重，而拱底受到地震波的影響較小，這與實(shí)際當(dāng)中隧道震害實(shí)例是相符的，所以隧道及地下工程的拱頂在設(shè)計(jì)時(shí)需要提高其抗震設(shè)防強(qiáng)度。

2)地震波入射角在平行于隧道軸線平面內(nèi)變化。

圖8和圖9是地震波入射角在水平面上變化的模擬結(jié)果，由圖8可知，應(yīng)力場(chǎng)變化情況是拱腳>拱肩>拱頂和拱底，說明地震時(shí)拱頂和拱底受不容易應(yīng)力集中，而最容易進(jìn)行應(yīng)力集中的是拱腳的部位。從應(yīng)力場(chǎng)趨勢(shì)還可以看出，入射角為30°和60°時(shí)，拱肩和拱腳的應(yīng)力變化均較大，說明當(dāng)?shù)卣鸩ǖ娜肷浣嵌冉咏?0°和60°時(shí)對(duì)隧道及地下工程的拱肩和拱腳最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；由圖9可知，從位移的角度也是說明當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣嵌冉咏?0°或60°時(shí)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移也比較大，拱頂在X軸方向的位移變化較大，這說明地震時(shí)拱頂部位會(huì)產(chǎn)生很大的變形，也最容易坍塌。

4.2 與隧道工程震例進(jìn)行對(duì)比分析

通過收集前人對(duì)隧道及地下工程震害實(shí)例的資料發(fā)現(xiàn)，這些工程的破壞是有一定的規(guī)律的，下面這些例子是典型的隧道震害實(shí)例，對(duì)于研究隧道及地下工程具有很強(qiáng)的代表性，如1995年日本阪神7.2級(jí)大地震，使地鐵站的混凝土中柱開裂倒塌、頂板和樓板斷裂坍塌、側(cè)墻開裂等破壞現(xiàn)象隨處可見[5]；1906年舊金山8.3級(jí)大地震，使萊特一號(hào)隧道是木襯砌，其拱頂及兩側(cè)坍塌、木料折斷、軌道隆起、枕木裂斷、斷層水平錯(cuò)位1.37 m；萊特二號(hào)隧道沒有穿越斷層，也發(fā)生了洞頂坍塌[6,7]；2008年5月12日汶川8.0級(jí)大地震，致使多條交通線特別是寶成鐵路及都汶高速公路上多座隧道嚴(yán)重?fù)p壞，多座隧道的拱頂破裂，襯砌開裂變形，洞口仰坡大面積塌方致使交通處于癱瘓狀態(tài)[8]。

5 結(jié)語

本文通過使用三維有限元軟件ANSYS對(duì)兩組地震波入射角的變換對(duì)地下工程的響應(yīng)情況進(jìn)行了模擬，并與隧道震害實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)通過兩組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，左右拱肩和左右拱腳的最大主應(yīng)力變化較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，拱頂?shù)淖冃屋^大，所以拱頂、拱肩和拱腳等部位均為隧道及地下工程抗震設(shè)計(jì)的薄弱部位。

2)從兩組模擬結(jié)果來看，一方面是當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诖怪泵鎯?nèi)與Y軸重合時(shí)對(duì)隧道及地下工程的破壞是最大的，另一方面當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谒矫鎯?nèi)入射角度接近30°和60°時(shí)對(duì)隧道及地下工程的破壞是最大的，這是入射角度對(duì)隧道及地下工程影響的極限值，當(dāng)然這只是通過數(shù)值模擬得出的一些認(rèn)識(shí)，相信隨著科技的進(jìn)步將來會(huì)有更深入的認(rèn)識(shí)。