宋思紋 陳炳鐸

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

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;動力響應(yīng)

Key words： plane wave;tunnel dynamic;response

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

0? 引言

近年來，我國在基礎(chǔ)建設(shè)如公路、鐵路、隧道中取得了矚目的成果。我國是一個多地震國家，隧道結(jié)構(gòu)在我國也隨處可見，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)的動力響應(yīng)規(guī)律對隧道的抗震措施和隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營及評價有著指導(dǎo)意義。

1? 隧道震害實例

1923年日本東京發(fā)生8.3級大地震，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，我國的四川省汶川縣發(fā)生8.0級特大地震，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，因此研究波動作用下隧道的動力響應(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，所以我國對隧道及地下結(jié)構(gòu)的抗震研究相比于其他國家較晚。隨著國內(nèi)外地震的頻發(fā)以及地下結(jié)構(gòu)的破壞，我國才開始重視地下結(jié)構(gòu)的抗震。

在上個世紀(jì)50年代以前，國內(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;到80年代，一些學(xué)者通過對已發(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)場的觀測、模型試驗的結(jié)果提出了一些新的計算方法如反應(yīng)位移法等;近年來，很對國內(nèi)外的學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行了研究。起初，一些學(xué)者對全無限空間中在SH波作用下隧道的動態(tài)響應(yīng)，隨著理論的完善和方法的擴(kuò)展，人們逐漸意識到很多的實際工程是存在于半無限空間中，一大批學(xué)者對此進(jìn)行了探討。隨后人們?yōu)榱四芨咏趯嶋H工程，將隧道周圍的介質(zhì)由原來的一維介質(zhì)發(fā)展為二維介質(zhì)，對于三維介質(zhì)研究較少。雖然我國在地下結(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，目前對地下抗震無系統(tǒng)、詳細(xì)的規(guī)范。

3? 隧道動力響應(yīng)的研究方法

目前對地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要有以下三類：原型觀測法、實驗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和實驗研究的驗證，原型實驗為實驗研究提供方法和思路。

3.1 原型觀測

原型觀測包含震害調(diào)查和地震觀測。地震過程中，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，在不同震級下不同連接情況的隧道會有不同的破壞。因此，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行觀測必不可少[1]。

3.1.1 震害調(diào)查

原型觀測是在隧道及地下結(jié)構(gòu)在遭受地震作用后在現(xiàn)場觀測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)場進(jìn)行資料的采集是必不可少的。進(jìn)行原位觀測時需進(jìn)行震害調(diào)查，震害調(diào)查受時間、手段、條件的限制，一些學(xué)者在余震還進(jìn)行時進(jìn)行現(xiàn)場的震害調(diào)查，通過觀察破壞特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的破損情況對地震的動力作用規(guī)律進(jìn)行記錄、分析和總結(jié)。

3.1.2 地震觀測

在進(jìn)行完原型觀測后，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，無法了解到地震時隧道及地下結(jié)構(gòu)破壞時的動態(tài)過程，為了對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)場進(jìn)行量測數(shù)據(jù)。地震觀測往往是在余震中進(jìn)行的，通過現(xiàn)場觀測結(jié)構(gòu)的波動情況能詳細(xì)的觀察到破壞的先后順序和破壞的方向，在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測不僅能精準(zhǔn)的掌握破壞情況，更能掌握地震中結(jié)構(gòu)變形的動態(tài)過程，為隧道及地下結(jié)構(gòu)的抗震提供支持。

3.2 實驗研究

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

人工震源模型實驗是在實地進(jìn)行的，通過加速度測量機(jī)、水準(zhǔn)儀、收斂儀和高速攝影機(jī)來進(jìn)行地震過程中數(shù)據(jù)的測量，由于人工震源實驗代價昂貴，實地材料類型單一且很難進(jìn)行，所以人們常常用振動臺實驗法進(jìn)行代替。振動臺實驗以相似理論知識為基礎(chǔ)，通過配合離心振動實驗來研究介質(zhì)的特性以及介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。振動臺實驗可以在實驗過程中改變實驗的條件來模擬不同類型地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并將記錄的實驗結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對比來驗證其準(zhǔn)確性。實驗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)計提供支持。

3.3 理論研究

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

3.3.1 波動分析法

波動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)看成一個整體，通過分析波在各自中傳播的特點(diǎn)來求解各自中的位移場和應(yīng)力場，一般在求解過程中通常將周圍介質(zhì)看做彈性體，并且在波動分析法求解過程中忽略了周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，所以波動法在一定程度上與實際工程情況不符。在求解位移場和應(yīng)力場時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)展開法研究了在無限空間中彈性波入射下單個洞室的動應(yīng)力問題[4]。隨后Barros[5]等人對彈性介質(zhì)中圓柱形空洞引起的脈沖問題進(jìn)行了分析，使用積分變換和波函數(shù)展開法給出了壓縮波散射的解析解，分別研究了半無限彈性空間內(nèi)無襯砌圓柱形洞室在SV波作用下的動力響應(yīng)問題。梁建文[6]分析了P波和SV波入射情況下半無限彈性空間內(nèi)地震波的散射解析解。

3.3.2 結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法

結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法通過研究周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的相互作用來研究介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。此方法彌補(bǔ)了波動分析法的不足，在求解結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)過程中可以分為子結(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，二者的存在不會對各自的位移場和應(yīng)力場產(chǎn)生影響，子結(jié)構(gòu)法一般將復(fù)雜的問題簡單化，首先考慮在自由場中介質(zhì)的運(yùn)動，再根據(jù)隧道所處的位置求解隧道的動力響應(yīng)，由于子結(jié)構(gòu)法不能解決非線性問題，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)和隧道看成一個整體，從而得到隧道的動力響應(yīng)規(guī)律。由于此方法在本構(gòu)模型，巖土體非線性、理論驗證手段等方面的缺陷，其與真實的工程狀況還有一定的差距。

3.4 隧道的實用抗震方法

除了上述的實驗研究和理論研究方法之外，人們在前兩種方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了很多其他的實用方法[7]。由于我國對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計沒有較明確的規(guī)范，目前我國多采用實用方法對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算設(shè)計，結(jié)合解析方法和數(shù)值方法進(jìn)行驗算。

這些實用方法中基本都采用了很多假定和簡化，通過對隧道及地下結(jié)構(gòu)的地震調(diào)查和觀測，總結(jié)了這些實用計算方法一般采用的假定和簡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力響應(yīng)問題中，在眾多的方法里，每一個方法都不是獨(dú)立的，方法之間都是互相聯(lián)系，相輔相成的。現(xiàn)場調(diào)查是實驗研究的前提，理論研究是必要的手段，實驗研究結(jié)果為檢驗理論研究結(jié)果提供支持。在特殊情況下，要采用特殊的方法，可采用隧道的實用抗震方法來解決問題。

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