山岭隧道洞口段衬砌刚度对其抗震性能的影响

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1、山岭隧道洞口段衬砌刚度对其抗震性能的影响摘要：利用ABAQUS有限元模拟软件建立V级围岩条件下山岭隧道洞口段的地震响应数值模拟三维模型，对比研究其在不同衬砌刚度时的抗震响应情况，从而得到衬砌刚度对其抗震性能影响的规律。衬砌刚度取用20GPa、30GPa、40GPa、50GPa四种不同工况，在模型底部施加水平方向的地震荷载。通过研究发现：当衬砌刚度为30GPa时能起到较好的抗震效果，且结构强度有较大富余量；刚度为20GPa时结构偏“柔”致使位移量过大，不利于结构的抗震；当刚度为40GPa甚至更大时，结构的受力和地震过程中的峰值加速度明显增大，且位移量减小不明显，对

2、提高抗震性能作用不大。关键词：山岭隧道；衬砌刚度；地震响应；抗震中图分类号：U45文献标识码：A1引言14随着国家西部大开发战略的深入实施和发展，西部地区公共交通建设的投入不断增强和加快。由于西部地区多为山区、高原等复杂地形地貌，随之而来的是山岭隧道的建设数量不断增多。同时，近几年中国西部地区强震频发，破坏剧烈，给人民的生命财产安全带来极大威胁。而地震时位于震区内的隧道工程如果发生破坏就会成为阻碍抗震救灾生命通道的巨大隐患。如在2008年汶川地震时，位于震区都汶公路上的11座隧道均出现不同程度的损毁；2013年芦山地震时，位于震区名雅快速通道上的清泉寺隧道发生损

3、毁。因此山岭隧道的抗震设计及其地震响应研究日益受到重视。根据作者对相关资料的大量调研和分析发现：在隧道结构的震害中洞口段受破坏的情况往往较洞身段更为严重。因此研究山岭隧道洞口段的抗震响应机理及其相关减震措施成为具有重要现实意义且需迫切解决的难题。2隧道洞口段震害影响因素及表现形式2.1隧道洞口段震害影响因素影响隧道洞口段震害形态差异的因素有很多，包括地震强度、震中距、地震波的传播特性、埋深情况、隧道与周边围岩的刚度比、隧道所处的地形情况、地质条件、断面形状、地下水状况等因素。根据对既有隧道震害资料的调查和分析总结出以下五个对隧道震害影响最为重要的因素：（1）隧道

4、埋深。由于隧道变形受到围岩的约束，根据资料显示在许多情况下，隧道的破坏程度随埋深增加而减弱。根据统计可知：当埋深小于50m14时，隧道结构遭到破坏的几率很大，且多数发生严重破坏；当埋深大于50m后，隧道结构破坏数量明显减少、破坏程度明显降低；当埋深大于100m后，隧道结构破坏数量和程度进一步降低；当埋深大于300m后，隧道结构基本无严重破坏情况[[[]王秀英,刘维宁,张弥.地下结构震害类型及机理研究[J].中国安全科学学报.2003,Vol.13(11):55-58]-[[]潘昌实.隧道及地下结构物抗震问题的研究概况[J].世界隧道.1996,Vol.(5):7

5、-16]]。（2）隧道结构所处岩层类型和地质构造。围岩的性质关系到地震波的传播和衰减，隧道所处的岩层类型和地质构造直接影响地震作用时围岩对隧道作用力的大小和方式,而作用于隧道结构上力的方式对隧道的破坏形式有决定性的作用[[[]高峰.地下结构动力分析若干问题研究.岩石力学与工程学报.2003,22(11):1802]]。（3）地震等级和烈度。地震的震级和地震烈度（震中距）对隧道结构的震害有显著影响。在相同的地质条件下平均震害率和严重程度随地震烈度的增加而增加。震级代表地震的大小，代表地震本身的强弱，同震源发出的地震波能量有关，震级越大，所释放出的能量越大，对隧道结

6、构的破坏越严重。地震烈度表示同一次地震在地震波及的各个地点所造成的影响程度，与震级、震源深度、震中距、方位角、地质构造等多种因素有关。震级相同情况下，震中距越小，震源深度越浅，则地震烈度越大，对隧道结构的破坏越严重[[[]林皋.地下结构抗震分析综述(上)(下).世界地震工程.1990.02]]。14（4）隧道结构及衬砌厚度。围岩土介质与支护结构刚度失配，容易在两者间产生较大的相互地震作用力，结构产生过度变形而破坏。隧道结构内力随衬砌厚度的增加而增大。因此一味增加衬砌厚度对结构抗震并不利，反而会增加成本，浪费材料。因此在进行隧道设计时，衬砌厚度的选择应该综合考虑[

7、[[]孙钧,候学渊.地下结构(上)、(下)[M].北京:科学出版社.1987]]。（5）地应力。隧道开挖是地应力释放的过程，但由于施工方法和采取支护措施的影响会引起地应力的重新分配和某些地段的应力集中。地震会触发这些区域的地应力瞬间释放，造成隧道结构的破损，如仰拱的强烈隆起、边墙某些部位的突出等。2.2隧道洞口段震害表现形式（1）隧道洞口处边仰坡滑落、崩塌造成洞口段掩埋和隧道结构的压损。汶川地震中都汶公路高速段的龙洞子隧道出现仰坡滑塌和龙溪隧道出口处发生高陡边坡崩落堵塞洞口。（2）隧道洞门端墙、翼墙、挡墙等结构的开裂、倾斜破损。汶川地震中都汶公路二级路段的桃关隧

8、道就出现圆弧形端墙开裂达