宋思紋 陳炳鐸

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

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.

關鍵詞：平面波;隧道;動力響應

Key words： plane wave;tunnel dynamic;response

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

0? 引言

近年來，我國在基礎建設如公路、鐵路、隧道中取得了矚目的成果。我國是一個多地震國家，隧道結構在我國也隨處可見，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構的動力響應規(guī)律對隧道的抗震措施和隧道結構的安全運營及評價有著指導意義。

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重，這些結構的破壞阻礙了救災的速度與災后重建。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、隧道附屬結構遭到破壞等，因此研究波動作用下隧道的動力響應顯的尤為重要。

2? 隧道及地下結構抗震研究現(xiàn)狀

一開始大家普遍認為地下結構比地上結構穩(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構的抗震研究相比于其他國家較晚。隨著國內外地震的頻發(fā)以及地下結構的破壞，我國才開始重視地下結構的抗震。

在上個世紀50年代以前，國內外學者都是以日本學者大森房提出的理論為基礎進行隧道及地下結構抗震設計;到80年代，一些學者通過對已發(fā)生的地震進行仔細研究，以平面波的多重理論為基礎，結合現(xiàn)場的觀測、模型試驗的結果提出了一些新的計算方法如反應位移法等;近年來，很對國內外的學者對地下結構的抗震進行了研究。起初，一些學者對全無限空間中在SH波作用下隧道的動態(tài)響應，隨著理論的完善和方法的擴展，人們逐漸意識到很多的實際工程是存在于半無限空間中，一大批學者對此進行了探討。隨后人們?yōu)榱四芨咏趯嶋H工程，將隧道周圍的介質由原來的一維介質發(fā)展為二維介質，對于三維介質研究較少。雖然我國在地下結構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)、詳細的規(guī)范。

3? 隧道動力響應的研究方法

目前對地下結構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查和地震觀測。地震過程中，隧道及周圍介質的變形很難被模擬，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，對隧道結構進行運行觀測必不可少[1]。

3.1.1 震害調查

原型觀測是在隧道及地下結構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。由于隧道和其周圍的物質的連接很難完美的反映在模型上，因此，地震作用后在現(xiàn)場進行資料的采集是必不可少的。進行原位觀測時需進行震害調查，震害調查受時間、手段、條件的限制，一些學者在余震還進行時進行現(xiàn)場的震害調查，通過觀察破壞特點和結構的破損情況對地震的動力作用規(guī)律進行記錄、分析和總結。

3.1.2 地震觀測

在進行完原型觀測后，震害調查只是觀察地震后隧道及地下結構的破壞情況，無法了解到地震時隧道及地下結構破壞時的動態(tài)過程，為了對地震作用下隧道及地下結構的破壞進行詳細的研究，需在現(xiàn)場進行量測數據。地震觀測往往是在余震中進行的，通過現(xiàn)場觀測結構的波動情況能詳細的觀察到破壞的先后順序和破壞的方向，在現(xiàn)場進行數據的量測不僅能精準的掌握破壞情況，更能掌握地震中結構變形的動態(tài)過程，為隧道及地下結構的抗震提供支持。

3.2 實驗研究

由于原型觀測和地震觀測只能進行觀察記錄震后或震中結構的破壞和變形特點，無法控制震源的位置以及震級，無法對變形進行定性和定量的分析，只能看到地震破壞結果，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，必須進行實驗的研究。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行的，通過加速度測量機、水準儀、收斂儀和高速攝影機來進行地震過程中數據的測量，由于人工震源實驗代價昂貴，實地材料類型單一且很難進行，所以人們常常用振動臺實驗法進行代替。振動臺實驗以相似理論知識為基礎，通過配合離心振動實驗來研究介質的特性以及介質與結構的動力響應。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構響應，并將記錄的實驗結果與理論結果進行對比來驗證其準確性。實驗研究有助于隧道及地下結構進行抗震防范，為隧道抗震設計提供支持。

3.3 理論研究

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

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，將周圍介質與結構看成一個整體，通過分析波在各自中傳播的特點來求解各自中的位移場和應力場，一般在求解過程中通常將周圍介質看做彈性體，并且在波動分析法求解過程中忽略了周圍介質與結構之間的相互作用，所以波動法在一定程度上與實際工程情況不符。在求解位移場和應力場時主要用到的方法有解析解法和數值分析法[2][3]。

20世紀70年代，Pao和Mow運用波函數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力問題[4]。隨后Barros[5]等人對彈性介質中圓柱形空洞引起的脈沖問題進行了分析，使用積分變換和波函數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無襯砌圓柱形洞室在SV波作用下的動力響應問題。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地震波的散射解析解。

3.3.2 結構動力學方法

結構動力學方法通過研究周圍介質與結構的相互作用來研究介質和結構的動力響應。此方法彌補了波動分析法的不足，在求解結構動力響應過程中可以分為子結構法和直接法。

子結構法假定周圍介質和隧道是獨立的，二者的存在不會對各自的位移場和應力場產生影響，子結構法一般將復雜的問題簡單化，首先考慮在自由場中介質的運動，再根據隧道所處的位置求解隧道的動力響應，由于子結構法不能解決非線性問題，所以此方法只能研究周圍介質和結構的變形特性。直接法則將周圍介質和隧道看成一個整體，從而得到隧道的動力響應規(guī)律。由于此方法在本構模型，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上發(fā)展了很多其他的實用方法[7]。由于我國對地下結構抗震設計沒有較明確的規(guī)范，目前我國多采用實用方法對地下結構進行計算設計，結合解析方法和數值方法進行驗算。

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構的地震調查和觀測，總結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[8][9]：第一，在隧道等地下結構中沒有發(fā)現(xiàn)共振響應;第二，在隧道等地下結構中，在周圍介質中和結構中的地震波形一致;第三，在隧道等地下結構中，軸向應變一般比彎曲應變更起控制作用，而環(huán)向應變則大于軸向應變;第四，在地表層的卓越周期范圍內，隧道斷面在地震中的變形可以認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，隧道等地下結構中的柔性接頭或鉸接等在距接頭一定范圍內有減緩隧道應變的作用;第六，隧道的拉、壓變形沿軸向是比較均勻的，但各點的彎曲應變則相差較大?？梢哉J為，周圍地層變化對彎曲變形產生的影響較軸向拉壓變形的影響大得多。

4? 總結

在研究平面波作用下隧道的動力響應問題中，在眾多的方法里，每一個方法都不是獨立的，方法之間都是互相聯(lián)系，相輔相成的?，F(xiàn)場調查是實驗研究的前提，理論研究是必要的手段，實驗研究結果為檢驗理論研究結果提供支持。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。

參考文獻：

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[8]潘昌實.隧道地災害綜述[J].隧道及地下工程，1990，11（2）：1-9.

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