張 海，杜雪姣，劉中憲,2，徐 穎，楊國(guó)崗

(1. 天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2. 天津市地震工程研究所，天津 300384)

為滿(mǎn)足我國(guó)“一帶一路”及西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略需要，近年來(lái)西部交通基礎(chǔ)設(shè)施飛速發(fā)展，山嶺隧道建設(shè)數(shù)量也不斷增多。如國(guó)家最新批復(fù)的川藏鐵路，全線(xiàn)隧道占比在80%以上。同時(shí)，中國(guó)西部地區(qū)強(qiáng)震頻發(fā)，對(duì)既有或在建隧道結(jié)構(gòu)安全存在較大威脅。如在2008 年汶川地震時(shí)，位于震區(qū)都汶公路上的11 座隧道均出現(xiàn)不同程度的損毀[1-2]，其中，36.2%的隧道出現(xiàn)中等及以上破壞，包括洞口邊坡崩塌與滑塌、襯砌及圍巖坍塌、襯砌開(kāi)裂錯(cuò)位、初期支護(hù)變形及開(kāi)裂等。另一方面，凸起地形對(duì)地震波有顯著的放大作用，而山體中隧道的存在會(huì)產(chǎn)生明顯的動(dòng)應(yīng)力集中。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凸起地形或山體-隧道地震反應(yīng)已有較多研究。首先，在凸起地形地震動(dòng)放大效應(yīng)方面，袁曉銘等[3]、Tsaur 等[4]、Liang 等[5]、梁建文等[6]和楊在林等[7]給出了凸起及凹陷地形對(duì)地震波散射的解析解；考慮到實(shí)際復(fù)雜場(chǎng)地特征，劉晶波等[8-9]采用有限元法給出了山體地形地震反應(yīng)問(wèn)題的數(shù)值解；巴振寧等[10-11]結(jié)合“分區(qū)契合”技術(shù)，采用間接邊界元方法研究了凸起地形對(duì)平面P 波及SH 波的散射問(wèn)題。在隧道反應(yīng)方面，Liu 等[12]研究了彈性半空間淺埋隧道對(duì)平面P 波、SV 波的散射，王冬等[13]采用快速多級(jí)間接邊界元法揭示了P 波、SV 波入射下三維孔洞群周?chē)灰茍?chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律；在山體-隧道整體反應(yīng)方面，李敏等[14]根據(jù)輔助函數(shù)的思想，利用復(fù)變函數(shù)、多級(jí)坐標(biāo)法的方法研究了SH 波入射時(shí)含圓形孔洞的半圓形凸起地形與其附近的圓形空洞的相互作用。羅昊等[15]采用波函數(shù)展開(kāi)法針對(duì)凸起地形中襯砌隧道對(duì)平面SH 波的散射進(jìn)行了研究；Amornwongpaibun 等[16]研究了含單個(gè)橢圓隧道的凸起地形對(duì)平面SH 波的散射；Liu 等[17]采用間接邊界元法(IBEM)研究了平面SV 波作用下襯砌隧道與山體的動(dòng)力相互作用。巴振寧等[18]采用間接邊界元法研究了山嶺-單個(gè)隧道在平面P-SV波入射下的地震動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。

本文基于彈性波動(dòng)理論，結(jié)合“分區(qū)契合”思想，利用間接邊界元方法，研究了SV 波入射下山體-雙線(xiàn)隧道整體動(dòng)力響應(yīng)特征。通過(guò)大量參數(shù)分析，揭示了山體中雙線(xiàn)隧道地震動(dòng)應(yīng)力集中及山體表面地震動(dòng)放大效應(yīng)，所得結(jié)論對(duì)于實(shí)際山嶺隧道抗震設(shè)計(jì)、地震安全性評(píng)價(jià)具有參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

圖1 山體隧道模型圖(雙向六車(chē)道)Fig. 1 Mountain-tunnel model (two-way six-lane)

圖2 計(jì)算模型的區(qū)域劃分Fig. 2 Area division of calculation model

如圖1 所示，以彈性半空間上一高斯形山體中含兩馬蹄形襯砌隧道為例，假設(shè)山體及隧道中為均勻各向同性、完全彈性介質(zhì)。取 R1=22 m，R2=8.4 m ， R3=3 m ，襯砌厚度為 t=0.6 m，高斯山體高度為h ，寬度為2 a。圖2 為雙馬蹄形山嶺隧道整體計(jì)算模型的分區(qū)圖，基于“分區(qū)契合[6]”的思想，將整個(gè)計(jì)算模型劃分成半空間凹陷域 Θ、山體凸起域 Ω和左右隧道域Ψ1、 Ψ2四個(gè)區(qū)域。其中，半空間凹陷域 Θ是由水平地表 L1和虛擬凹陷邊界 L2圍 成的半空間無(wú)限區(qū)域；山體凸起域 Ω是由虛擬凹陷邊界 L2、 凸起邊界 L3及 左右隧道外邊界 L4、L6圍 成的區(qū)域；左右隧道域Ψ1、 Ψ2分別由隧道內(nèi)外壁邊界L4、 L5及 L6、 L7圍成。

2 計(jì)算方法

2.1 波場(chǎng)分析

2.2 邊界條件及求解

由于采用彈性全空間動(dòng)力基本解，自由地表邊界條件需構(gòu)造滿(mǎn)足，另外還需考慮隧道與山體交界面的位移、應(yīng)力連續(xù)性條件及隧道內(nèi)壁等的零應(yīng)力條件，具體為：

3 精度檢驗(yàn)

由于自由地表邊界條件處理上的困難，半空間中山嶺隧道對(duì)SV 波的散射問(wèn)題至今還沒(méi)有精確的解析解，只能通過(guò)邊界條件驗(yàn)算及退化到半圓形凸起山體動(dòng)力響應(yīng)與現(xiàn)有結(jié)果的比較來(lái)考察計(jì)算精度。

首先定義一無(wú)量綱頻率η:

式中：R 為隧道的寬度； λ為剪切波波長(zhǎng)；k 為剪切波波數(shù)； β為入射波剪切波速。

現(xiàn)考慮退化為單一隧道，利用本文的方法計(jì)算了隧道內(nèi)表面的半空間位移幅值和動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)。圖3(a)為本文方法結(jié)果與Luco 和De Barros[20]關(guān)于SV 波垂直入射的彈性半空間的結(jié)果比較。計(jì)算參數(shù)：密度比 ρ2/ρ1= 1.0；波速比cβ2/cβ1=1.0；阻尼比 ζ=0.001；泊松比ν=1/3；無(wú)量綱頻率 η=0.5。另外，考慮退化為單一半橢圓山體，計(jì)算山體周?chē)念l率響應(yīng)，圖3(b)為本文方法和álvarez-Rubio[21]等人關(guān)于SV 波入射角為30°時(shí)的結(jié)果比較。計(jì)算參數(shù)：阻尼比ζ=0.01；泊松比ν=0.25。對(duì)比兩者吻合程度良好，從而驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖3 精度驗(yàn)證Fig. 3 Accuracy verification

4 算例分析

山體模型尺寸參數(shù)如表1，其中，取山體、隧道半徑比a/a1=10，高斯山體地形和隧道襯砌材料泊松比分別均取0.25 和0.2，剪切波速分別取1000 m/s(微風(fēng)化巖)和2667 m/s，材料粘滯阻尼比均取0.001。圖4 和圖5 分別給出了不同隧道間距D 對(duì)應(yīng)的山體地表水平位移幅值和豎向位移幅值。圖6 給出了SV 波不同角度入射下山體地表不同點(diǎn)位移幅值譜。計(jì)算參數(shù)：雙隧道間距D/a1=3、4、5、6；無(wú)量綱頻率 η=1、2、5、10；入射角度α=0°、30°。

表1 山體模型尺寸參數(shù)Table 1 Size parameter of mountain model

圖4 不同隧道間距D 影響的地表位移幅值( α=0°)Fig. 4 Surface displacement amplitude of mountain affected by different tunnel spacings D ( α=0°)

圖5 不同隧道間距D 影響的地表位移幅值( α=30°)Fig. 5 Surface displacement amplitude of mountain affected by different tunnel spacings D ( α=30°)

4.1 山體地表位移

本文給出了穩(wěn)態(tài)平面SV 波入射下，山體表面及附近地表表面位移幅值圖。分析不同隧道間距D 及不同入射頻率對(duì)山體表面及地表水平位移的影響程度。圖4 和圖5 中橫、縱軸坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)位x/a 和地表位移幅值(已由入射波的位移幅值標(biāo)準(zhǔn)化)。

圖6 SV 波入射下山體地表不同點(diǎn)位移幅值譜Fig. 6 Displacement spectra of different points of mountain surface under SV wave incidence

從圖4 和圖5 可以看出，無(wú)量綱頻率η、入射角度α 、雙隧道間距D 對(duì)地表位移幅值具有重要影響。1)當(dāng)η 較小時(shí)(η = 1, 2)，山體表面及附近地表位移幅值空間變化簡(jiǎn)單；當(dāng)入射頻率逐漸增大時(shí)，地表位移幅值也隨之增大且震蕩更為劇烈，空間分布特征更為復(fù)雜；當(dāng)α =0°，山體表面以及附近水平地表位移幅值由 η=1 時(shí)的2.76 增大到η=10 時(shí)的4.85，豎向地表位移幅值則由0.94 增大到2.31；當(dāng)以α = 30°斜入射時(shí)，水平位移由η=1 時(shí)的2.34 增 大 到 η=10 時(shí) 的3.28，豎 向 位 移 則 由2.29 增大到3.16。2)接近垂直入射時(shí)，山體表面及附近地表位移幅值表現(xiàn)出來(lái)很強(qiáng)對(duì)稱(chēng)性，隨著入射角度 α的增大，迎波面地表位移幅值震蕩加劇。值得注意的是高頻SV 波入射時(shí)，迎波面地表位移震蕩劇烈，但位移幅值出現(xiàn)在背波面，實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高隧道沿線(xiàn)建筑物的抗震設(shè)防等級(jí)。3)雙隧間距D 也是重要影響因素：當(dāng)入射波頻率較小時(shí)，隧道間距D 變化對(duì)地表位移影響不大，如圖中當(dāng)無(wú)量綱頻率 η=1 時(shí)，隧道間距D/a1由3 增加到6，4 條地表位移曲線(xiàn)基本重合，隨著η 的增大，雙隧間距D 變化對(duì)位移幅值的影響增強(qiáng)；由圖易知當(dāng)η ＞5時(shí)，雙隧道間距D 增大地表位移幅值隨之增大，當(dāng) α=0°時(shí)，山頂水平位移幅值由D/a1=3 時(shí)的3.49 增加到D/a1=6 時(shí)的4.62。

為全面反映散射的頻譜特性，分析SV 波入射下不同入射角度 α、不同入射頻率 η、不同雙隧間距D 對(duì)山體地表典型點(diǎn)位的位移幅值譜的影響。考慮地震波入射角度 α=0°、30°，在山體地表選擇x/a=0、0.5、1、2、4 這5 個(gè)觀(guān)察點(diǎn)。其它地質(zhì)條以及幾何參數(shù)同上，入射波無(wú)量綱頻率η 取值范圍為0～10。

從圖6 可看出，無(wú)量綱頻率 η、入射角度 α、雙隧間距D 對(duì)高斯山體地表位移頻譜特征具有顯著影響：1)當(dāng)SV 波垂直入射(α =0°)時(shí)，山頂位置(x/a=0)水平位移幅值明顯大于其他點(diǎn)位，最大位移幅值 umax=6.67(η =4.53，山頂處)；而山頂位置的豎向位移幅值明顯小于其他點(diǎn)位，山頂附近(x/a=0.5)位置的地震響應(yīng)更為明顯。隨入射角度α增加，水平位移整體上有減小的趨勢(shì)，豎向位移有增大的趨勢(shì)，且地表豎向位移幅值譜曲線(xiàn)震動(dòng)加??；2)山體及其附近地表幅值譜曲線(xiàn)對(duì)頻率變化較為敏感，會(huì)出現(xiàn)明顯的“波峰”和“波谷”，頻率 η增加，位移幅值有增大趨勢(shì)，如最大位移幅 值由 η=0 時(shí)的1.87 增 加 到 η=4.53時(shí) 的6.67；3)整體上看，SV 波入射下，最大地表位移幅值出現(xiàn)在山頂處，隨著地表點(diǎn)位到山頂距離x/a 增大，地表位移幅值顯著減小，當(dāng)距離x/a＞2 后，位移幅值譜逐步趨于穩(wěn)定。

4.2 隧道動(dòng)力響應(yīng)

4.2.1 隧道位移響應(yīng)

圖7 給出了SV 波垂直入射下彈性半空間中凸起山體地形中含雙馬蹄形襯砌隧道的水平位移分布云圖情況，鑒于垂直入射時(shí)，兩隧道的位移云圖關(guān)于Y 軸對(duì)稱(chēng)，因此，僅畫(huà)出右側(cè)隧道的位移云圖(下文同)。圖7 中的位移幅值已由入射波的位移幅值標(biāo)準(zhǔn)化。

圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別表示D/a1=3、4、5，縱向?qū)Ρ瓤芍S著雙隧道間距D 的增大，山嶺隧道襯砌內(nèi)部的位移幅值整體上有減小的趨勢(shì)，以 η=1.0 為例，最大位移幅值由D/a1=3時(shí)的0.85 減小到D/a1=5 時(shí)的0.75，隧道的空間位移有關(guān)于隧道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，兩隧道間的相互作用減弱；當(dāng)入射頻率較低時(shí)，山嶺隧道水平位移最大值出現(xiàn)在右隧道頂部，如η=1.0 時(shí)，右山嶺隧道水平位移為0.8；隨著無(wú)量綱頻率的增大，地震波波長(zhǎng)減小，隧道內(nèi)部對(duì)地震波的散射更加強(qiáng)烈，山嶺隧道襯砌內(nèi)部位移幅值整體上逐漸增大，η =10.0 時(shí)，右山嶺隧道水平位移為1.4，隧道位移的空間分布特征也更為復(fù)雜。

4.2.2 隧道動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

圖8～圖10 分別給出了凸起山體地形中雙山嶺隧道在SV 波入射下，雙隧道間距不同時(shí)左右襯砌隧道內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力集中因子分布情況。SV 波垂直入射時(shí)仍?xún)H給出右隧道應(yīng)力云圖。可以看出，雙隧道襯砌內(nèi)部的應(yīng)力幅值及空間狀態(tài)分布主要與入射波的特性(入射波頻率和入射角)和隧道間距D 有關(guān)。

圖8 SV 波入射下不同隧道間距時(shí)右山嶺隧道環(huán)形應(yīng)力云圖( α=0°)Fig. 8 Circular stress contours of right mountain tunnel with different tunnel spacings under SV wave incidence ( α=0°)

圖9 SV 波入射下不同隧道間距時(shí)右山嶺隧道環(huán)形應(yīng)力云圖( α=30°)Fig. 9 Circular stress contours of right mountain tunnel with different tunnel spacings under SV wave incidence ( α=30°)

圖10 SV 波入射下不同隧道間距時(shí)左山嶺隧道環(huán)形應(yīng)力云圖( α=30°)Fig. 10 Circular stress contours of left mountain tunnel with different tunnel spacings under SV wave incidence ( α=30°)

分析圖8 可得，SV 波垂直(α = 0°)入射，η =1.0時(shí)，右隧道的環(huán)向應(yīng)力空間分布比較均勻，關(guān)于隧道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，主要是因?yàn)樵诘皖l段兩隧道間的相互作用比較弱，此時(shí)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在隧道上部左右兩側(cè)與豎向夾角約為45°及隧道下部左右兩側(cè)與水平夾角約為30°的位置，其值約為25；隨入射頻率η 增大，對(duì)于右隧道，環(huán)向應(yīng)力峰值逐漸向隧道右側(cè)移動(dòng)，在η=10 時(shí)，隧道內(nèi)部應(yīng)力分布更加復(fù)雜，應(yīng)力集中區(qū)域增加但隧道襯砌內(nèi)部環(huán)向應(yīng)力幅值逐漸減小，動(dòng)應(yīng)力集中因子衰減到20；縱向?qū)Ρ瓤芍?，隨隧道間距D 增大，隧道應(yīng)力空間分布關(guān)于隧道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明隧道間相互影響減弱，故實(shí)際工程中，雙隧道間距D 增大到一定值后，可忽略隧道間相互作用。

觀(guān)察圖9、圖10 可得，隨著雙隧間距D 的增加，隧道內(nèi)部襯砌環(huán)向應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，這與分析圖8 得出的結(jié)論相一致。左右兩側(cè)隧道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，隨著入射角度 α的增大，兩隧道襯砌內(nèi)部環(huán)向應(yīng)力均有增加的趨勢(shì)，由于山體對(duì)地震波復(fù)雜的反射作用，左隧道的應(yīng)力幅值整體上小于右隧道，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)離地震波入射一側(cè)隧道的強(qiáng)度破壞。另外，隧道的內(nèi)外壁的應(yīng)力數(shù)值差別較大，故實(shí)際工程設(shè)計(jì)中要多加注意。

5 結(jié)論

本文采用間接邊界元法研究了SV 波入射下彈性半空間中雙線(xiàn)隧道—山體系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)，著重考察了隧道存在對(duì)山體表面及附近地表散射的影響規(guī)律，分析了入射波角度、頻率、隧道間距等參數(shù)對(duì)散射的影響，得到如下有益結(jié)論：

(1)入射角度、無(wú)量綱頻率、山體高寬比、雙隧間距等都是影響山體表面、附近地表地面運(yùn)動(dòng)、山體隧道本身應(yīng)力及位移的主要因素。

(2)當(dāng)無(wú)量綱頻率η 較小時(shí)(η =1, 2)，山體表面及其附近地表位移幅值的空間變化比較簡(jiǎn)單，雙隧道間距D 變化對(duì)地表位移幅值影響不大；當(dāng)入射頻率 η逐漸增大時(shí)，地表位移幅值也隨之增大，同時(shí)地表位移幅值震蕩更為劇烈，空間分布特征更為復(fù)雜。

(3)隨隧道間距D 增大，山嶺隧道襯砌隧道內(nèi)部位移幅值整體上有減小的趨勢(shì)，隧道空間位移有關(guān)于隧道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，兩隧道間相互作用減弱。當(dāng)入射頻率較低時(shí)，山嶺隧道水平位移最大值出現(xiàn)在右隧道頂部，豎向位移最大值出現(xiàn)在隧道右端(兩隧道外側(cè))。

(4)隨隧道間距D 減小，隧道內(nèi)部襯砌環(huán)向應(yīng)力有增大趨勢(shì)。隨入射角度α 增大，兩隧道襯砌內(nèi)部環(huán)向應(yīng)力均有增加趨勢(shì)，靠近地震波入射一側(cè)隧道應(yīng)力幅值整體上小于遠(yuǎn)側(cè)隧道，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)離波入射一側(cè)隧道強(qiáng)度破壞。