公路隧道洞口段地震动力分析

JournalofNanyangNormalUniversityVol.6No112

Dec.2007

公路隧道洞口段地震动力分析

周和庆

(河南省第二公路工程有限公司,河南郑州450052)

　　摘　要:根据以往的受震破坏经验,在公路隧道的高烈度地震带,地下工程可能会遭受严重震害,尤其洞口段为抗震薄弱区,本文采用FLAC3D软件,从土—结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对隧道洞口段进行了三维弹性和弹塑性分析,得出了相应结论,并对结果进行分析,指出隧道抗减震设计中应注意的事项,并提出相应解决措施。

关键词:公路隧道;洞口段;地震动力

中图分类号:TU311.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-6132(2007)12-0065-04

0　引言

随着我国西部大开发战略的实施,大量的公路隧道相继修建,西部地区的基础建设过程中可能会遇到在活断层附近和高烈度地震区修建隧道工程的问题。此外,我国现有铁路隧道上万座,其中有近千座位于强地震区内,在高烈度地震区修建隧道是否安全?山岭隧道在强烈地震作用下的动力响应有何规律?如何进行抗防震措施设计?以往人们普遍认为,地下结构具有较好的抗震性,如今地震的频繁发生,有些强震对地下结构已造成强烈的

[1-3]

破坏,如1995年的神户地震。迄今为止,公路隧道在我国尚无严重震害事例,但从以往的受震破坏经验来看,隧道洞口段为抗震薄弱区,由于国内对于公路隧道的抗减震研究较少,本文以数值模拟方法作为试验手段,以四川某高速公路隧道为模型对隧道洞口段进行深入系统的分析。

ρ

VIV1C2CM

19802200220025002200

图1　隧道模型网格表1　围岩与衬砌的力学参数

E

v

c

1.2e93.1e92.2e102.5e104e9

0.450.270.20.20.2

200e3400e3

<

3035

1　工程概况

拟建某隧道是分离式双线隧道,隧道长度2038米,两线隧道轴线间距35m,明洞段7m,隧址位于石棉县永和乡狮子口—大桥堡村之间,大渡河右岸斜坡,大宝山山体基岩多裸露,山脊呈近东西向展布,隧道从其中部穿过,地震烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0140g,地震动反应谱特征周期为0145s。计算采用美国Itasca公司开发的有限差分软件FLAC3D。有限差分模型如图1,共79950个单元,85663个节点。模型纵向长5815m,横向长137m。计算参数如表1。

　注:ρ—密度(kN/m3),E—弹性模量(Pa),v—泊松比,c—

),V—V级围岩,I粘聚力(Pa),<—摩擦角(°V—IV级围岩,1C—初期支护,2C—二次衬砌,M—锚杆注浆区

2　数值模拟方法与数值模型

在隧道抗震分析的多种数值计算方法中,截至

目前,还未出现较为完善的数值方法。当前的数值模拟方法,大致有两种:第一种是弹性计算模型,可以将静力与动力分开计算,然后将所得结果进行叠加,得到的是隧道在遭遇地震时,重力与动力波对

收稿日期:2007-10-25

作者简介:周和庆(1968-),河南信阳人,主要从事隧道抗减震研究。

・66・南阳师范学院学报　第6卷　

隧道的影响结果;另一种是考虑材料的弹塑性计算模型,此时已经是非线性阶段,叠加原理不成立,因此不能分开计算,可以考虑把重力当做荷载并入动

[2]

力计算,以模拟非线性反应。

隧道不同于地上结构,隧道周围有围岩的约束作用,隧道与围岩是相互作用,协调变形。因此,数值模拟模型的边界条件要能有效地消除边界波的反射问题,而且要在人工截断边界处满足应力和位移与未截断时的无限域相同。目前Lysmer和Ku2hlemeyer基于一维平面波动理论提出来的粘性动

[3]

力人工边界是较为成熟的,该边界在人工选取的计算模型截断边界上,加上粘壶,用来模拟无限地基的作用。底部采用粘性边界,能够模拟地震能量传至基础底面时,一部分被反射后向下方的能量逸散,侧面采用粘性边界能够模拟地震能量向两侧方向无限远处的传播。地震波的传播方向是不确定的,通常可以把地震波在岩体中的传播分解为三个方向,而且三个方向所传播的能量是存在很大差异的。从现有地震资料来看,在水平方向传播的地震波往往具有很大的振幅,传播了地震大部分能[4]

量。因此,本文主要研究水平方向上传播的地震波对隧道造成的地震动力作用,粘性边界只施加水平方向动力激励。

FLAC3D动力分析过程一般分为两个步骤:一定地质条件下的静力平衡计算和施加动力荷载后的动力响应分析。在第一步中确定模型计算范围、初始条件、材料模型、本构模型以及模型的填筑、开挖,得到静力作用下的平衡结果。第二步是在第一步计算的基础上,施加动力荷载进行计算,主要考虑三个方面:即材料力学阻尼、动力边界和动力加载以及地震波在介质中的传播。

FLAC3D动力计算中,可采用两种阻尼形式:

型。计算采用的地震波是根据场地条件人工合成的地震波,如图2所示:峰值加速度约为4137m/2

s,出现时刻为6146s,受计算条件的限制,本次计算采用超越概率为2%包含峰值在内的前15s的地震波,由于本文模型的人工边界为粘性,不能像地面结构那样直接输入加速度,而是需要将加速度时程曲线进行离散积分转换为应力时程曲线,如图3所示。

3　计算结果分析

计算监测点为1拱顶,2、5左右拱脚,3、6左右拱腰,4、7左右墙脚,以及8仰拱的水平方向位移、竖向位移、纵向位移以及单元应力。具体监测点如图4所示。

瑞利阻尼和局部阻尼。由于瑞利阻尼与频率以及临界阻尼比有关,且在计算时增加计算时间,因此本次计算采用局部阻尼。

局部阻尼主要通过在振荡循环过程中单元节点或结构节点质量的添加和删减来产生作用。由于添加的质量等于删减的质量,因此存在一个总体的质量守恒。阻尼系数也称为局部阻尼,局部阻尼有以下几个特点:(1)只有加速运动才会被减弱,匀速运动不引起误差阻尼力;(2)阻尼系数为常数,没有维数;(3)阻尼与频率无关,不同频率的区域可采用相同的阻尼系数。FLAC3D中的阻尼方程类似于滞后阻尼,每次循环中的能量损耗不受该循环步应变率的影响,而且不必确定频率。

弹塑性模型采用FLAC3D中的MOHR本构模

图4　隧道衬砌轮廓与监测点布置图

3.1　弹性计算结果分析

3.1.1　通过表2与图5可以看出,峰值位移均发

生在明暗洞交接处,且在仰拱位置出现X方向位移最大值,出现时刻为3154s。

　第12期周和庆:公路隧道洞口段地震动力分析・67・

3.1.2　内力峰值均出现在埋深最大的位置,墙脚

位置是出现弯矩和剪力最大的位置,而轴力最大位置出现在拱腰。

表2　弹性分析峰值位移内力表

数值大小峰值位移X向17.9cm

弯矩-73.94kN・m轴力2118.5kN剪力427.09kN

发生时刻3.54s

位置

距洞口2.5m左线仰拱

2.08s距洞口52.5m左线左墙脚2.08s距洞口52.5m左线左拱腰3.58s距洞口52.5m左线左墙脚

图5　峰值位移中断面仰拱位移时程曲线3.2　内力结果分析由于左右两线所得结果,从趋势上来讲基本相同,以右线为例加以说明。

3.2.1　从图6可以看出隧道水平相位移峰随着埋

深的增大,有减小的趋势,即埋深越大位移峰值越小。但是增加的幅度不是很明显。左线控制点5、6、7和右线控制点2、3、4比相同位置的控制点的

内力峰值要大,这说明双线隧道在地震来临的时候,相互间有一定的影响,表现在右线左侧拱腰、拱脚、墙脚的位移和内力要大于右线右侧拱腰、拱脚、墙脚的位移和内力。左线右侧控制点的位移和内力亦大于左线左侧控制点的位移和内力。

3.2.2　图7、8、9是内力峰值随埋深的变化曲线。

随着埋深的增大,内力的峰值有增加的趋势,但是增加的幅度不是很明显。左线控制点5、6、7和右线控制点2、3、4比相同位置的控制点的内力峰值要大,这说明双线隧道在地震来临的时候,相互间有一定的影响,表现在右线左侧拱腰、拱脚、墙脚的位移和内力要大于右线右侧拱腰、拱脚、墙脚的位移和内力。左线右侧控制点的位移和内力亦大于左线左侧控制点的位移和内力。3.3　弹塑性结果分析

计算结果如图10、表3所示。

从图10可以看出,地震波作用停止时,隧道围

图6　隧道右线水平方向峰值位移沿纵向曲线

岩出现大面积塑性区。

・68・南阳师范学院学报　第6卷　

这与一些文献上所说的,重力在动力计算中可以忽略的说法有些相悖,值得注意。

4　结论与建议

4.1　随着埋深的增大,衬砌的位移峰值呈减小的

规律,而内力峰值呈增大的趋势。围岩屈服后,隧道峰值位移与峰值内力都有增大的趋势。4.2　隧道仰拱处产生的位移较大,墙脚处产生较大的内力,因此,仰拱与墙脚处是隧道抗震中较为薄弱的地方。

因此,在抗震设计中,应重视隧道仰拱以及墙脚处的不利情况,此处应加强配筋,防止仰拱产生过大的变形,以及在墙脚处产生过大的应力集中。在隧道施工中,要充分认识到围岩的重要性,防止过度的围岩破坏,爱护围岩,使围岩能与结构共同作用,减轻结构的损害。

图10　塑性区分布图表3　弹塑性分析峰值位移表

数值大小

峰值位移X向28.6cm

弯矩-76.15kN・m轴力2227kN剪力443kN

发生时刻

8.96s

位置

距洞口2.5m右线仰拱

9.48s距洞口52.5m右线右墙脚8.52s距洞口52.5m左线左拱腰8.06s距洞口52.5m右线右墙脚

参　考　文　献[1]　J.P.瓦尔夫.土—结构动力相互作用[M].北京:地

　　弹塑性计算所得位移峰值与内力峰值随埋深增大的变化规律与弹性计算时基本相同,但是峰值大小却差异很大。

从表3可以看出,围岩屈服后,水平方向的峰值位移明显增大,内力峰值也有增大趋势,这也证实了地下结构不同于地上结构之处,即围岩与隧道结构共同作用的重要性。位移峰值与内力峰值随埋深增大的趋势与弹性计算时基本相同。埋深越大,内力越大,这说明重力在数值模拟中的重要性,

震出版社,19891

[2]　关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出

版社,19931

[3]　王明年.高地震区地下结构减震技术原理的研究

[D].西南交通大学博士论文,19991

[4]　廖振鹏.工程波动理论导论[M].北京:科学出版

社,20021

Numericalanalysisfortheentranceofmountaintunnelunderearthquake

ZHOUHe2qing

(No.2HighwayEngineeringEnterpriseofHenan,Zhengzhou450052,China)

Abstract:Onthebasisoftheknowledgehighway’sruinofthepast,inhighearthquakeintensityareaofhigh2way,undergroundstructuremaybefallintoruinfortheseismicmotion,especially,theentranceoftunnelistheweakestofthetunnel.Asbasedonthesoil2structureinteractionmodel,adoptingthesoftofFLAC3Dandnumer2icalanalysismethod,thetunnelentrancehasbeencomputedbytheelasticandplasticmethod,theresultsob2tainedarediscussedandthemeasuresfordesignandsolutionarepresented.

Keywords:highearthquakeintensityarea;tunnelentrance;responsesunderearthquake