隧道地震破坏形式的对比分析及问题研究

为了分析研究隧道在地震中的破坏形式，本节基于上节所述的动力强度折减法针对围岩级别、隧道形状、隧道埋深和隧道宽度等不同条件进行了对比分析。

计算中采用了如图2-7所示的计算模型，为了减少边界条件的影响并充分考虑隧道埋深的影响，计算模型尺寸为：B×H=500m×300m（最大隧道跨度为32m）采用通常动力计算分析使用的黏弹性边界，从模型底部输入地震波，地震波在围岩中传播的阻尼为瑞利阻尼。将隧道周围一定范围内（3倍洞径范围内）的围岩材料的强度系数进行了逐步折减，通过地震动力时程分析研究隧道的破坏形式，具体计算时采用图2-10所示的步骤进行。数值计算采用ANSYS软件，围岩和隧道衬砌均采用二维平面应变单元（PLANE42），边界弹簧采用COMBIN14单元，采用ANSYS软件中的“生死单元”技术来模拟隧道的开挖。二维弹簧的弹性和阻尼的系数计算公式为

式中　KBT、KBN、CBT、CBN——切向（T）和法向（N）弹性（K）和阻尼（C）系数；

　　　KT、KN——切向和法向修正系数，在0.5～1.2之间取值，通过试算确定；

　　　ρ——围岩的密度；

　　　R——计算点到模型中心的距离；

　　　cS、cP——围岩中的横波和纵波波速；

　　　G——围岩的剪切模量；

　　　ν——泊松比。

具体计算中采用的围岩参数见表2-1［围岩的动力参数取值参考了《工程场地地震安全性评价》（GB 17741—2005）］。

表2-1　材料的物理力学参数

1.隧道围岩在地震中的破坏过程

隧道的埋深不同，受力情况差别很大，隧道结构在地震作用下的破坏形式也有较大差别，为区别起见，本节分别研究了深埋、浅埋隧道在地震作用下的破坏过程，并对比了两者的异同。本节地震动力计算采用的地震波均为8度的EL_Centro地震波（简称EL波）。

（1）浅埋隧道破坏过程。针对Ⅱ级围岩，埋深为3.86m的浅埋情况，采用前述的动力强度折减法进行了地震作用计算分析，绘出地震作用不同时刻的塑性应变图如图2-11和图2-12所示。

图2-11　浅埋隧道破坏过程1（k=2）

图2-12　浅埋隧道破坏过程2（k=5.3）

由图2-11和图2-12可以看出，对于浅埋隧道，在地震作用下破坏的前期（折减系数k=2），隧道顶部和底部出现较大塑性应变，最早是隧道下部塑性应变较大，随后隧道上部的塑性应变逐渐增大，并在隧道拱顶上部出现V形的贯通区，形成了延伸到地面的贯通塑性区，最后隧道上方围岩发生塌落（折减系数k=5.3），造成隧道失稳。

（2）深埋隧道破坏过程。此处针对Ⅱ级围岩，埋深为152.86m的深埋情况，采用前述的动力强度折减法进行了地震作用计算分析，绘出地震作用下不同时刻的塑性应变图如图2-13～图2-18所示。

图2-13　深埋隧道破坏过程1 （k=1.25）

图2-14　深埋隧道破坏过程2（k=1.7）

图2-15　深埋隧道破坏过程3（k=2.1）

图2-16　深埋隧道破坏过程4 （k=5）

图2-17　深埋隧道破坏过程5（k=6.2）

图2-18　深埋隧道破坏过程6（k=10.2）

通过图2-13～图2-18所显示的深埋隧道在地震中的破坏过程可以看出：深埋隧道破坏经历的时间较长（从折减系数k=1.25开始折减，直到k=10.2时才破坏），相比浅埋隧道而言较难破坏（在地震作用下，浅埋隧道破坏时k=5.3，而深埋隧道破坏时k=10.2）；深埋隧道最先在4个边角的应力集中处出现塑性应变，顶部和底部的塑性应变较小，随后从4个边角开始逐渐形成贯通的塑性应变区，连成一片，出现失稳破坏。

（3）对比分析。通过上述绘图和分析可以得到如下结论：

1）隧道的破坏过程是一个渐变过程，随着围岩强度的折减逐渐形成贯通的破坏体。

2）浅埋隧道的破坏是从隧道上方开始的，深埋隧道的破坏是从两侧开始的。

3）在地震作用下，深埋隧道的破坏相比浅埋隧道要困难得多，说明深埋隧道的抗震性比浅埋隧道要强得多。(www.xing528.com)

4）深埋隧道在地震作用下可以形成压力拱，浅埋隧道不能形成。

2.地震作用下深、浅埋隧道破坏形式的影响因素

本节通过不同围岩级别、不同跨度、不同结构形状和不同埋深等多种情况计算分析了隧道在地震作用下的破坏情况，并绘出塑性应变图。［说明：本节绘出的塑性应变图是通过逐渐增大折减系数k直到计算不收敛（即结构破坏）时的情况，仅为说明问题。］

（1）隧道结构的破坏形式对比——不同围岩级别。在其他条件完全相同的条件下，针对Ⅱ级和Ⅳ级围岩两种不同情况，使用动力强度折减法计算了不同围岩条件下隧道在地震作用下的破坏情况，计算结果如图2-19和图2-20所示。

由图2-19和图2-20对比可知：围岩不同时隧道体的破坏形式有区别。围岩较差时（Ⅳ级）隧道上方围岩较易形成贯通的破裂面，隧道受到的围岩压力较大。可见围岩的强弱影响到隧道的受力和变形。

图2-19　不同围岩隧道破坏对比（Ⅱ级，12.86m）

图2-20不同围岩隧道破坏对比（Ⅳ级，12.86m）

（2）隧道结构的破坏形式对比——不同跨度。为了考虑隧道跨度对地震中隧道结构破坏的影响，针对Ⅳ级围岩隧道结构在埋深为32.86m的条件，在跨度分别为21.8m和43.6m时采用动力强度折减法进行了地震响应分析，计算结果如图2-21和图2-22所示。

由图2-21和图2-22对比可知：①跨度不同时隧道体的破坏形式相近；②跨度较大时隧道底部和两侧的塑性应变较大。

（3）隧道结构的破坏形式对比——不同结构形状。以下均是针对Ⅳ级围岩隧道，如图2-23～图2-25所示。

图2-23　不同结构形式破坏对比（h=12.86m，矩形和马蹄形）

图2-24　不同结构形式破坏对比（h=22.86m，矩形、马蹄形和圆形）

图2-25　不同结构形式破坏对比（h=202.86m，矩形、马蹄形和圆形）

由图2-23～图2-25对比可知：①埋深较浅（h=12.86m、22.86m）时，不同结构隧道的破坏形式基本相同；②埋深较深（h=202.86m）时，不同结构隧道的破坏形式有区别，矩形隧道的顶、底部塑性变形较大，马蹄形隧道除底部仍有较大塑性应变外隧道两侧也出现了较大的塑性应变，圆形隧道的塑性应变主要在两侧；③考虑到隧道周围的塑性应变一般是由应力较大（集中）处先破坏，然后向周围扩展，隧道结构能否引起应力集中对隧道结构的塑性应变区域（破坏形式）有较大的影响，为避免地震中隧道结构破坏应该采用“圆滑形”结构，尽量不采用“尖角形”隧道。

（4）隧道结构的破坏形式对比——不同埋深。图2-26～图2-33的计算结果均是针对Ⅳ级围岩，马蹄形隧道。

图2-26　隧道破坏时塑性图（h=12.86m）

图2-27　隧道破坏时塑性图（h=22.86m）

图2-28　隧道破坏时塑性图（h=27.86m）

图2-29　隧道破坏时塑性图（h=32.86m）

图2-30　隧道破坏时塑性图（h=37.86m）

图2-31　隧道破坏时塑性图（h=42.86m）

图2-32　隧道破坏时塑性图（h=52.86m）

图2-33　隧道破坏时塑性图（h=202.86m）

由图2-26～图2-33对比可知，对于马蹄形隧道，在地震作用下：①埋深较浅时，隧道上方两侧斜向上方形成连贯的破裂面，随着埋深的增大，隧道上方形成拱形破坏面，即形成压力拱；②浅埋隧道顶部和底部的塑性变形较大，深埋隧道两侧的塑性变形较大。