隧道衬砌地震作用力分析

1.不同围岩级别

以下计算结果均是针对马蹄形隧道，跨度B=32m。

（1）埋深202.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-31所示。

图3-31　应力变化趋势对比——不同围岩级别

由图3-31可以看出：①开挖前自重状态下隧道上方土体内的竖向应力成线性分布，符合自重应力的计算原理；②隧道开挖后和地震后，隧道上方竖向应力沿深度的变化均出现转折，由此可确定出Hp；③地震前后Hp的变化不大，围岩级别越高，地震前、后的应力曲线差别越大。

（2）埋深102.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-32所示。

图3-32　应力变化趋势对比———不同围岩级别

由图3-32可以看出：当隧道埋深由h=202.86m变化到h=102.86m后，由图确定出的Hp基本不变，围岩级别越高，地震前、后的应力曲线差别越大。

（3）埋深52.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-33所示。

图3-33　应力变化趋势对比——不同围岩级别

由图3-33可以看出：当隧道埋深由h=102.86m变化到h=52.86m后，由图确定出的Hp有所变化，围岩级别越高，地震前、后的应力曲线差别越大。

综合图3-31～图3-33可知：①当埋深较大时（202.86～102.86m），地震前后测得的Hp几乎没有差别，在其他条件相同时，当埋深较小时（52.86m），地震前后测得的Hp有些许差别；②在其他条件相同时，围岩级别越高（Ⅱ级Ⅳ级），地震前、后的应力曲线差别越大；③当隧道埋深较大时，Hp随埋深基本不变。

2.不同跨度

以下计算结果均是针对马蹄形隧道，Ⅳ级围岩。

（1）埋深202.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-34所示。

图3-34（一）　应力变化趋势对比——不同跨度

图3-34（二）　应力变化趋势对比——不同跨度

由图3-34可以看出：①不同跨度确定出的Hp有较大差别，跨度越大，Hp越大；②地震前、后的应力曲线的差别不随跨度的变化而变化。

（2）埋深102.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-35所示。

由图3-35可以看出：当隧道埋深由h=202.86m变化到h=102.86m后，由图确定出的Hp基本不变。

（3）埋深52.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-36所示。

图3-35（一）　应力变化趋势对比——不同跨度

图3-35（二）　应力变化趋势对比——不同跨度

图3-36（一）　应力变化趋势对比——不同跨度

图3-36（二）　应力变化趋势对比——不同跨度

由图3-36可以看出：①当隧道埋深由h=102.86m变化到h=52.86m后，由图确定出的Hp有所变化；②当跨度较大时，竖向应力随深度的变化中转折逐渐变得不太明显，说明埋深较浅时，大跨度隧道上方不太容易形成压力拱。

综合图3-34～图3-36可知：①隧道跨度对Hp的影响较大；②埋深较浅时，当跨度增大时（16m43.6m），竖向应力随深度的变化中转折逐渐变得不太明显。

3.不同结构形状

（1）埋深202.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-37所示。

由图3-37可以看出：①当隧道埋深h=202.86m时，由图确定出的Hp随隧道结构形状的变化不大；②矩形隧道确定出的Hp跟马蹄形和圆形隧道有所区别。

图3-37（一）　应力变化趋势对比——不同结构形状

图3-37（二）　应力变化趋势对比——不同结构形状

（2）埋深102.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-38所示。

由图3-38可以看出：①当隧道埋深h=102.86m时，由图确定出的Hp随隧道结构形状的变化不大；②矩形隧道确定出的Hp跟马蹄形和圆形隧道有所区别。

（3）埋深52.86m时隧道上方竖向应力变化趋势对比如图3-39所示。

由图3-39可以看出：①当隧道埋深h=52.86m时，由图确定出的Hp随隧道结构形状的变化不大；②矩形隧道确定出的Hp跟马蹄形和圆形隧道有所区别。

综合图3-37～图3-39可知：①隧道结构形状对Hp的影响不大；②矩形隧道确定出的Hp跟马蹄形和圆形隧道有所区别。

图3-38（一）　应力变化趋势对比——不同结构形状

图3-38（二）　应力变化趋势对比——不同结构形状(www.xing528.com)

图3-39（一）　应力变化趋势对比——不同结构形状

图3-39（二）　应力变化趋势对比——不同结构形状

4.不同埋深

不同埋深时隧道上方围岩应力变化趋势对比如图3-40所示。

图（一）隧道上方围岩应力变化趋势对比——不同埋深

图3-40（二）　隧道上方围岩应力变化趋势对比——不同埋深

由图3-40可以得出：①隧道埋深较大（h=202.86～102.86m）时，由图确定出的Hp随隧道埋深的变化不大；②隧道埋深较小（h=52.86m）时，由图确定出的Hp随隧道埋深有所区别。

5.隧道上方围岩计算高度统计和计算公式

隧道上方围岩应力变化趋势拐点可以作为隧道上方土体的计算高度Hp，统计见表3-1（矩形隧道数据中：“/”前为地震前数据，“/”后为地震后数据）。

由表3-1可以看出：①对于矩形隧道，地震后Hp相比地震前略有增大，并且围岩越差，变化越多；②Hp受隧道跨度的影响较大，跨度越大，Hp越大；③Hp受到围岩级别的影响，但影响不大；④Hp受到隧道形状的影响，同等条件下，矩形隧道的Hp较大，马蹄形隧道次之，圆形隧道较小；⑤Hp受到隧道埋深的影响，埋深较小时，Hp随埋深的增大而增大，但埋深较深时，这种差别不明显。

为了便于分析研究，将表3-1中的内容按照不同的对比方式绘成图形。

1.同一种隧道结构形式

同一种隧道结构形式地震作用后压力拱计算高度对比如图3-41～图3-43所示。

由图3-41～图3-43可以得出：①Hp受隧道跨度的影响较大；②Hp受隧道结构形状的影响不大；③围岩级别对Hp有一定的影响；④Hp受隧道埋深的影响，埋深较浅时，Hp随埋深增大，埋深较大时趋近于一个定值。

图3-41　地震后隧道上方压力拱高度随埋深变化图（矩形）

图3-42　地震后隧道上方压力拱高度随埋深变化图（马蹄形）

图3-43　地震后隧道上方压力拱高度随埋深变化图（圆形）

2.同一种围岩级别

同一种围岩级别隧道地震作用后压力拱计算高度对比如图3-44～图3-46所示。

图3-44（一）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（矩形隧道）

图3-44（二）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（矩形隧道）

图3-45（一）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（马蹄形隧道）

图3-45（二）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（马蹄形隧道）

图3-46（一）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（圆形隧道）

图3-46（二）　不同围岩级别隧道地震后压力拱计算高度对比（圆形隧道）

由图3-44～图3-46可以得出：①Hp受隧道跨度的影响较大；②Hp受隧道结构形状的影响不大；③围岩级别对Hp有一定的影响；④Hp受隧道埋深的影响，埋深较浅时，Hp随埋深增大，埋深较大时趋近于一个定值。

3.地震作用下隧道上方压力拱计算高度与隧道跨度的关系

本书数值计算结果与使用当前静力规范法计算结果（图中的规范值）的对比，如图3-47～图3-50所示。

由前图3-47～图3-50可以看出：①在地震作用下隧道上方压力拱的计算高度与静力状态下使用规范中提供的经验公式计算结果相近但有变化，反映出地震前后隧道上方压力拱高度有所变化；②隧道结构形状（矩形、马蹄形和圆形）对隧道上方压力拱的计算高度有影响，但影响不大；③隧道埋深较小时（52.86m、102.86m），使用静力规范法计算出的Hp偏大，隧道埋深较大时（152.86m、202.86m），使用静力规范法计算出的Hp偏小；④使用静力规范法计算出的地震作用下的隧道上方土体计算高度Hp有偏差，需要进行修正。

图3-47　地震作用下隧道上方压力拱计算高度与隧道跨度的关系图（h=52.86m）

图3-48　地震作用下隧道上方压力拱计算高度与隧道跨度的关系图（h=102.86m）

图3-49　地震作用下隧道上方压力拱计算高度与隧道跨度的关系图（h=152.86m）

图3-50　地震作用下隧道上方压力拱计算高度与隧道跨度的关系图（h=202.86m）