地下洞室震害类型及破坏程度影响因素数值分析
总结，采用来自美国、日本的71个地震中地下洞室破坏的例子，研究了岩体隧道在地震中的破坏模式；随后不少研究者采用类似方法，根据地下洞室震害特征分析其地震反应，对地震中影响洞室稳定的重要因素进行了研究和总结；上世纪以来，Sharama[6]、Asakura[7]等专家学者通过整理和总结实际震害资料，得到了一些关于地震对地下洞室造成破坏的定性结论。由于通过对地下洞室震害进行研究分析得出的相关结论不能定量表明洞室应力应变情况，所以随着计算科学的发展，地下洞室地震反应数值分析方法也逐渐得以应用。本文结合两种方法，首先通过搜集整理相关资料，分析地下洞室遭受地震破坏的类型，然后运用有限元数值分析方法模拟各种影响其破坏程度的因素，得出一般规律性，从而为工程设计提供概念性指导。
1 实际工程震害调查
20 世纪以来全球发生过许多地震，其中1906 年美国旧金山地震、1920 年中国海原地震、1923 年日本关东地震、1960 年智利地震、1976 年中国唐山地震、1985 年墨西哥地震、1995 年日本阪神地震、2008年中国汶川地震等震级都在7级以上，对地下结构造成了不同程度的损害，这为深入研究地下洞室震害机理提供了大量必要而宝贵的资料。表1列举了反映绝大部分地下洞室地震破坏形式的工程实例[8-10]。由表中可见，地下洞室地震破坏的一般形式有山体边坡破坏造成的结构破坏、洞口塌方、洞室横断面错动破坏、沿相交断层产生较大位移、围岩剥落、支护或衬砌扰动或变形等[11-18]。
2 地下洞室震害影响因素数值模拟分析
2.1 计算模型及参数选取
2.1.1 计算模型
地下洞室数值分析中，取垂直于洞轴线水平向为X轴，沿洞轴线向为Y轴，竖直向为Z轴，横向截断边界范围取10倍洞径，Z轴方向由洞顶往上取至地表，洞底往下取10倍洞径，洞室基本尺寸为10 m×50 m×10 m。
2.1.2 岩体物理力学指标
岩石介质选凝灰岩，其静态力学指标见表2。根据规范[19]，岩石动态弹性模量值应比静态弹性模量值提高30%。
2.1.3 岩石力学模型和屈服准则
数值模拟中，岩石力学模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb强度准则。
2.1.4 动荷载
大多数研究表明剪切波对洞室动力响应影响较大，本文选择从模型底部以SV波形式输入动荷载。文中计算主要采用如下两种波。
（1）人工地震波。加速度时程曲线见图1，其中（a）为设计烈度7度、地震持续时间为1.0 s的人工地震波，简称I类人工地震波；（b）为设计烈度7度的人工地震波，简称II类人工地震波。
2.1.5 边界条件和力学阻尼
根据动力计算相关原理，模型侧边界采用自由场边界条件，模型底部采用黏性边界条件，岩体阻尼采用有限元软件提供的局部阻尼0.157（0.05π）。
2.2 地震烈度对洞室动位移值的影响
影响地震烈度的因素有地震震级和震中距等，从数值模型底部输入设计烈度分别为7、8、9度的人工地震波，其中7度人工地震波的加速度时程曲线如图1（b）所示，并对该地震波加速度振幅进行缩放得到8、9度人工地震波。从模型底部以SV波形式输入设计烈度分别为7、8、9度的II类人工地震波。
图2表达了侧压系数K=2.0，埋深为200 m时，洞径为10 m的圆形洞室拱顶在不同设计地震烈度地震波作用下的X向动位移时程曲线。由图可知，地震烈度越高，洞室的动位移值越大。
2.3 洞室断面型式对洞室位移的影响
从模型底部以SV波形式输入动荷载，其速度时程为正弦波。
图3为侧压系数K=2，不同埋深情况下，洞径10 m的圆形（直径10 m）、矩形（宽、高均为10 m）、城门洞形（顶拱直径10 m，洞高15 m）三种断面形状的洞室动位移值响应的变化规律，选取t=2 s时动位移值进行比较。由图可知，在动荷载作用下，三种断面形状的洞室的拱顶动位移值响应有一定区别，其中矩形洞室动位移值最大，城门洞形洞室动位移值次之，圆形洞室动位移值最小，这与实际震害资料分析结论一致。当埋深不超过300 m时，三种断面形状的洞室拱顶动位移值相差不大。
2.4 地应力对洞室位移的影响
从模型底部以SV波形式输入动荷载，其速度时程为正弦波。垂直向地应力仅考虑受重力场作用。
图4是埋深为200 m，洞径为10 m的城门洞形断面洞室拱顶、拱底测点动位移值随地应力变化规律，选取t=2 s时动位移值进行比较。由图可知，在地震荷载作用下，洞室拱顶、拱底动位移值随侧压系数的增加而减小，当K≤1时，洞室拱顶和拱底动位移值的量值和变化幅度较大。
2.5 岩石类型对洞室位移的影响
从模型底部以SV波形式输入动荷载，其速度时程为正弦波。相关岩石力学参数见表2。
图5是埋深为200 m、侧压系数K=2.0时，城门洞型洞室建在不同弹性模量岩体中时，洞室拱顶、拱底测点的动位移值变化规律，选取t=2 s时动位移值进行比较。由图可知，随着岩石弹性模量逐渐增大，洞室在动荷载作用下的动位移值先增大后减小。
2.6 衬砌刚度对洞室动力响应的影响
从模型底部以SV波形式输入I类人工地震波，其加速度时程曲线见图1（a）。模型采用两种材料，围岩动态剪切模量4.0 GPa，动态体积模量6.67 GPa，衬砌为混凝土，其动态剪切模量6.0 GPa，动态体积模量10.0 GPa 。计算考虑埋深为200 m、侧压系数K=1.0时，圆形洞室在衬砌刚度分别为初始刚度0.5、1.0、2.0、3.0倍这四种工况。
表3列出了衬砌取不同刚度时，A、B点处洞室围岩与衬砌动应力峰值及放大系数值。由表可知，衬砌刚度越大，其动应力也越大，衬砌与周边围岩的动应力差值也越大，放大系数也越大。该规律与冈本舜三（1984）[20]的震害调查结果一致，即衬砌刚度增大在一定程度上将会加大震害程度。
2.7 边坡对洞室出口段动力响应的影响
数值计算采用圆形洞室出口段模型，洞口处竖直埋深30 m。从模型底部以SV波形式输入I类人工地震波，其加速度时程曲线见图1（a）。模型采用两种材料，围岩动态剪切模量4.0 GPa，动态体积模量6.67 GPa，衬砌为混凝土，其动态剪切模量6.0 GPa，动态体积模量10.0 GPa。计算考虑侧压系数K=2.0。
图6给出了人工地震波作用结束时，沿洞室纵轴线剖面围岩的剪切破坏状态，图中NONE代表该处一直处于弹性变形状态，shear-p代表该处当前处于弹性状态，在此之前处于剪切破坏状态，由图可知，越接近出口处，洞室围岩剪切破坏区域越大。
3 结论
（1）地下洞室地震破坏一般有山体边坡破坏造成的隧道结构破坏、隧道洞口塌方、洞室横断面错动破坏、沿相交断层产生较大位移、洞室围岩的剥落、支护或衬砌的扰动或变形等形式。
（2）在动荷载作用下，地震烈度越高，洞室的动位移值越大；圆形洞室位移响应最小，城门洞次之，矩形洞室位移响应最大，当埋深不超过300 m时，三种断面形状的洞室拱顶位移相差不大；洞室拱顶、拱底位移随侧压系数的增加而减小，当时，洞室拱顶和拱底位移的量值和变化幅度较大。
（3）随着岩石弹性模量逐渐增大，洞室在动荷载作用下的位移值先增大后减小；
衬砌刚度增大，其内应力也越大，衬砌与周边围岩的应力差值也越大，放大系数也越大，在一定程度上将会加大洞室震害程度；
边坡对洞室出口段的动力响应特性存在一定影响，越接近出口处，洞室越容易破坏。[HJ1.8mm]
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