譚家麒

摘要：沉管隧道逐漸成為了水下隧道施工方式的最優(yōu)方案。但沉管隧道和所有基礎(chǔ)建設(shè)一樣，都必須經(jīng)受住地震的考驗(yàn)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于沉管隧道抗震研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵字：水底隧道；沉管隧道；抗震研究

一、前言

沉管隧道給國(guó)家社會(huì)帶來(lái)了發(fā)展的同時(shí)，也不可避免會(huì)地受到地震的影響。沉管結(jié)構(gòu)如果由于地震受到嚴(yán)重的破壞，將會(huì)帶來(lái)毀滅性的損失。因此，沉管隧道結(jié)構(gòu)在對(duì)抗地震破壞的設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)受到了學(xué)者們的高度重視。本文綜述了針對(duì)沉管隧道抗震研究的現(xiàn)狀，希望對(duì)今后關(guān)于沉管隧道抗震研究工作有借鑒作用。

沉管隧道地震效應(yīng)反應(yīng)特點(diǎn)

二、沉管隧道抗震現(xiàn)狀

針對(duì)沉管隧道這一特殊結(jié)構(gòu)，借鑒陳慶，項(xiàng)宗方[1]先前所研究的內(nèi)容，對(duì)于沉管隧道抗震的方法主要有：觀測(cè)法、理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)法。

（一）觀測(cè)法

觀測(cè)法是在發(fā)生地震后，通過(guò)對(duì)管體的變形特征和對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行實(shí)測(cè)后得出的響應(yīng)特性。其包含了震害的調(diào)查和地震的監(jiān)測(cè)。但由于地震發(fā)生的不確定時(shí)因素太多，以及條件的限制，所以對(duì)于這方面的資料是有限的。對(duì)地震的監(jiān)測(cè)可以在發(fā)生地震時(shí)，得到沉管結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程。

（二）理論分析

理論分析分為波動(dòng)法和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法。

1）波動(dòng)法

波動(dòng)法是在求解波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，而不單獨(dú)以荷載為對(duì)象進(jìn)行分析，來(lái)求得其應(yīng)力場(chǎng)與波動(dòng)場(chǎng)。高廣運(yùn)[2]等采用大弧假定，得出了半空間隧道和襯砌中散射波在P波作用下的級(jí)數(shù)表達(dá)式。波動(dòng)法通常用于分析平面問(wèn)題，當(dāng)?shù)卣鸩l率過(guò)高以及易受到干擾時(shí)，其應(yīng)用會(huì)受到限制。

2）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法是假定土體介質(zhì)中的波動(dòng)場(chǎng)不會(huì)受到結(jié)構(gòu)的影響，用彈簧和阻尼罐替代土體介質(zhì)的作用，對(duì)沉管結(jié)構(gòu)施加相互作用力，將其視為主要對(duì)象求解其地震動(dòng)力反應(yīng)。此方法的重點(diǎn)是要求出土體介質(zhì)的阻尼常數(shù)和彈性常數(shù)。董云、樓夢(mèng)麟[3]針對(duì)港珠澳超長(zhǎng)沉管隧道通過(guò)時(shí)域數(shù)值計(jì)算，討論了考慮地震輸入荷載影響時(shí)Rayleigh阻尼系數(shù)的選擇方法以及其比例系數(shù)的確定。但管體受到圍巖的動(dòng)力影響在時(shí)間和空間上都是耦合的，所以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法很難對(duì)地震作用的響應(yīng)做出準(zhǔn)確的分析。

（三）數(shù)值模擬

對(duì)于復(fù)雜地形、地質(zhì)中的地下結(jié)構(gòu)，從理論上分析對(duì)其地震響應(yīng)有一定的困難，因此，數(shù)值模擬成為了當(dāng)今學(xué)者最常用的研究方法。如今，在沉管隧道中所用到的數(shù)值模擬主要包括有限元法、離散單元法、邊界單元法。

1）有限元法

有限元法是如今分析巖土結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)使用頻率最高的數(shù)值模擬方法，它是采用離散的單元對(duì)連續(xù)體場(chǎng)函數(shù)的離散解進(jìn)行求解。嚴(yán)松宏[4]等運(yùn)用二維平面有限元法計(jì)算了南京長(zhǎng)江越江隧道沉管段在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，其計(jì)算結(jié)果對(duì)沉管設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。但有限元法的缺點(diǎn)是在計(jì)算過(guò)程中，忽略了軟弱地質(zhì)條件的影響。并且，有限元法是針對(duì)局部進(jìn)行計(jì)算，其研究范圍受到了限制。

2）離散單元法

離散單元法是將選定的軟弱面巖體當(dāng)作研究塊體，允許其移動(dòng)或分離，從而模擬巖體的非線(xiàn)性變形。但只有對(duì)于整體性較差的巖體進(jìn)行模擬才會(huì)顯著的效果，這樣，離散單元法就有一定的局限性。所以在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，通常把離散單元法與其他方法結(jié)合進(jìn)行分析。

3）邊界單元法

邊界單元法是在將求解域的邊界離散化的基礎(chǔ)上，用邊界單元代替域邊界，最后用邊界單元建立線(xiàn)性方程，再求解。但由于求解過(guò)程中存在多種介質(zhì)，分析過(guò)程較復(fù)雜，所以一般不會(huì)單獨(dú)運(yùn)用于沉管結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分析。

如今，很多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)沉管隧道的抗震進(jìn)行了研究，并得出了有價(jià)值的結(jié)論。曹文宏 [5]等運(yùn)用高性能計(jì)算機(jī)，對(duì)上海外環(huán)沉管隧道進(jìn)行了地震響應(yīng)的三維數(shù)值模擬研究。李偉華[6]運(yùn)用顯式有限元法，分析了水深、地質(zhì)條件等因素對(duì)沉管隧道地震反映的影響，并得出一些可供沉管隧道抗震設(shè)計(jì)參考的結(jié)論。

（四）實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究是通過(guò)激震實(shí)驗(yàn)對(duì)沉管隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征進(jìn)行研究，主要方法就是振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)可以深入地模擬隧道結(jié)構(gòu)從而獲得精確的動(dòng)力響應(yīng)特性和震害特性。徐志英、施善云[7] 用大型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了土—地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用試驗(yàn)并在這種試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了土—地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的計(jì)算模型。但振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)在邊界條件的處理上還有待進(jìn)一步深化。

三、結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了沉管隧道抗震分析的方法。如今雖然對(duì)沉管隧道抗震有一些研究與探索的結(jié)論，但是由于沉管結(jié)構(gòu)的不成熟和沉管結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性的特殊性，實(shí)際運(yùn)用于工程的較少。從筆者的角度認(rèn)為，如下幾個(gè)方面還需要更多的學(xué)者進(jìn)行更多更深的研究：

1. 沉管隧道上部回填土的厚度以及水底挖槽深度對(duì)其地震響應(yīng)特性的影響

2. 對(duì)于沉管隧道抗震具體措施以及震后的補(bǔ)救措施還不夠明確

3. 關(guān)于沉管隧道抗震的理論并沒(méi)有很好地聯(lián)系到實(shí)際工程

在今后的研究中，圍繞這些方法展開(kāi)深入的分析研究，并建立起完善的沉管隧道抗震研究體系，為我國(guó)沉管隧道乃至地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和研究提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慶，項(xiàng)宗方.地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀綜述[J].四川建筑科學(xué)研究，2011，37（6）.

[2]高廣運(yùn)，李育樞，李天斌.P波作用下淺埋圓形襯砌隧道動(dòng)力反應(yīng)分析[J].中南公路工程，2007，32（2）.

[3]董云，樓夢(mèng)麟.關(guān)于超長(zhǎng)沉管隧道地震反應(yīng)分析中瑞利阻尼矩陣的討論[J].地震工程與工程振動(dòng)，2014，34（1）.

[4]嚴(yán)松宏，潘昌實(shí).沉管隧道在地震與靜荷載共同作用下橫向受力分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（3）.

[5]曹文宏，喬宗昭，金先龍，陳鴻.外環(huán)線(xiàn)沉管隧道地震響應(yīng)的三維數(shù)值模擬[J].中國(guó)市政工程，2006，119（1）.

[6]李偉華.考慮水-飽和土場(chǎng)地-結(jié)構(gòu)耦合時(shí)的沉管隧道地震反應(yīng)分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010，30（6）.

[7]徐志英，施善云.土與地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1993，15（4）.endprint