一種山嶺隧道抗震分析的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隧道抗震分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種山嶺隧道抗震分析的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進，我國西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到大力的發(fā) 展，尤其是公路和鐵路交通建設(shè)得到跨越式發(fā)展，這樣勢必要修建許多隧道，這些地區(qū)大都 處于高烈度的地區(qū)，保證隧道工程在地震時的功能正常，深具戰(zhàn)略意義。尤其是日本"阪神" 地震中地鐵震害和中國"5. 12汶川"地震中109隧道的嚴重震害，使得人們對地下工程的震 害有了更加清楚的認識。
[0003] 山嶺隧道抗震分析方法大都采用ANSYS等有限元數(shù)值分析技術(shù)來進行，但是先進 的數(shù)值模擬技術(shù)對工程設(shè)計人員來說比較復雜，而且時間和費用都比較高，而尋找一種簡 單、高效和適用的近似分析方法，對于山嶺隧道工程的初步設(shè)計是必要的。
[0004] 目前，山嶺隧道實用設(shè)計方法比較多，諸如前蘇聯(lián)的福季耶娃法、美國ST. John法 等，但這些方法均沒有考慮到上覆巖體和隧道結(jié)構(gòu)自重的影響，實際上，山嶺隧道由于目前 施工技術(shù)的局限，在隧道拱頂勢必產(chǎn)生山體松散壓力，這些荷載在地震時將產(chǎn)生比較大的 地震慣性力，忽略這些荷載對山嶺隧道是不安全的。而且，目前的方法在分析山嶺隧道橫截 面抗震分析和縱向抗震分析時采用了不同的思想和方法，在體系上不完整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種山嶺隧道抗震分析的方法，旨在解決山嶺隧道 在強震作用下，利用比較簡單的方法和程序進行山嶺隧道的初步設(shè)計，為工程設(shè)計人員提 供必要的設(shè)計參數(shù)和資料的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種山嶺隧道抗震分析的方法，該山嶺隧道抗震分 析的方法包括：
[0007] 步驟一，確定山嶺隧道的幾何參數(shù)，確定和簡化地層基本參數(shù)，確定巖體的動力參 數(shù)；
[0008] 步驟二，根據(jù)地質(zhì)勘探資料和地震地層變形統(tǒng)計資料，確定地層的變形模式和地 層變形的水平和豎向變形量；
[0009] 步驟三，山嶺隧道橫截面抗震分析；
[0010] 步驟四，山嶺隧道水平振動分析（水平形變壓力qh);山嶺隧道豎向振動分析（包 括地層豎向變形壓力qvl和松散巖體地震慣性力qv2);利用結(jié)構(gòu)力學，確定隧道襯砌的內(nèi) 力；
[0011] 步驟五，山嶺隧道縱向整體抗震分析，建立山嶺隧道縱向整體抗震分析的控制方 程確定變形傳遞系數(shù)MP I a;
[0012] 步驟六，確定隧道縱向地震應力，考慮到地震作用的隨機性和作用方向的不確定 性，確定隧道結(jié)構(gòu)的縱向應力組合；
[0013] 步驟七，對山嶺隧道進行縱向抗震分析時，根據(jù)山嶺隧道的具體情況，進行分析計 算。
[0014] 進一步，在步驟一中，確定山嶺隧道的幾何參數(shù)包括：hi-隧道埋深（m)，h 2-隧道 襯砌總高度（m)，B-隧道的總跨度（m)，S -隧道襯砌的平均厚度（m)，&-隧道的等效半徑 (m)，&一隧道襯砌的彈性模量（Gpa)，y 隧道襯砌的泊松比；
[0015]確定地層基本參數(shù)和簡化包括：y = E y九/H，y d= 0? 45, V s= H/E (h i/vsi)， Gd= 丫 vs2/g，Ed= 2(l-y d)Gd，H-表層地基的厚度（m)，E-土介質(zhì)彈性模量；y -土的泊 松比；
[0016] 確定巖體的動力參數(shù)包括：KH-表層地基設(shè)計水平地震系數(shù)，Kv-表層地基設(shè)計豎 向地震系數(shù)；\一地層最大豎向加速度（m/s)，T一地層固有周期，V s-彈性剪切波速，Sv-震 動基準面的速度反應譜，Ka-水平彈性地基系數(shù)，K w-豎向平彈性地基系數(shù)。
[0017] 進一步，在步驟二中，確定地層的變形模式和地層變形的水平和豎向變形量的公 式為：
[0018]
[0019] 進一步，在步驟四中，確定隧道襯砌的內(nèi)力據(jù)材料力學，隧道橫截面地震應力為：
[0020]
[0021] 進一步，在步驟六中，確定隧道結(jié)構(gòu)的縱向應力組合公式為：
[0022]
[0023] 進一步，在步驟七中，根據(jù)山嶺隧道的具體情況，進行的分析計算包括：
[0024] ①結(jié)構(gòu)-圍巖相互作用對襯砌縱向應力的分析；②隧道埋深對襯砌縱向應力的分 析；③基巖剪切波輸入方向?qū)σr砌縱向應力分析；④上覆地層特征周期對襯砌縱向應力分 析；⑤隧道地基基床系數(shù)Ka=K w= 0G，0改變時對襯砌應力的分析；⑥圍巖彈性模量變 化時對襯砌應力的分析。
[0025] 進一步，該山嶺隧道抗震分析的方法對于隧道橫截面抗震分析具體的實現(xiàn)方法 為：
[0026] 第一步，根據(jù)地質(zhì)勘探資料和地震地層變形統(tǒng)計資料，確定地層的變形模式和地 層變形水平和豎向變形量：
[0027]
[0028] 式中：SV-單位地震系數(shù)時的速度反應譜（m/s);
[0029] T-表層地基的基本固有周期（s);
[0030] kh-表層地基上的設(shè)計水平地震系數(shù)（震度）；
[0031] 第二步，山嶺隧道水平振動分析：
[0036] b.利用現(xiàn)有公路或鐵路設(shè)計規(guī)范，洞頂松散巖體壓力為：
[0040] 第四步，剪切波作用下襯砌橫截面內(nèi)力計算：
[0041] 強震區(qū)的公路和鐵路隧道多采用曲線墻式襯砌，利用結(jié)構(gòu)力學和材料力學知識得 到隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和橫截面應力：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 式中：S為隧道襯砌的平均厚度（m);
[0046] 第五步，利用鋼筋混凝土基本理論，進行隧道襯砌截面的配筋。
[0047] 進一步，該山嶺隧道抗震分析的方法對于隧道縱向整體抗震分析具體的實現(xiàn)方法 為：
[0048] 第一步，確定相關(guān)參數(shù)，建立地震波作用下隧道二維運動方程：
[0049]
[0050] E為梁的彈性模量，I為梁截面慣性矩，A為梁截面面積，Kw為地基梁橫向變形系 數(shù)，Ka為地基梁軸向變形系數(shù)，v (x，t)為隧道的橫向位移，u(x，t)為隧道的軸向位移， gw(x，t)為地基土的橫向位移，ga(x，t)為地基土的軸向位移；
[0051] 第二步，引入變形傳遞系數(shù)，隧道地震慣性力的位移傳遞系數(shù)MP I 3為：
[0053] 〇-入射方向與隧道的軸線的夾角；[0054] 第三步，山嶺隧道縱向地震應力分析：
[0055]
[0056]
[0057] vs為剪切波速（m/s)，T為場地的卓越周期（s);基巖上覆層的厚度為H，h i為隧道 埋深（m) ;h2為隧道襯砌總高度（m);
[0058] 第四步，剪切波作用下襯砌縱向內(nèi)力計算：
[0059] 此時隧道結(jié)構(gòu)的縱向應力組合為：
[0060]
[0061] 第五步，隧道縱向地震反應分析：
[0062] 對山嶺隧道進行縱向抗震分析時，根據(jù)山嶺隧道的具體情況，進行如下的分析計 算：①結(jié)構(gòu)-圍巖相互作用對襯砌縱向應力的分析；②隧道埋深對襯砌縱向應力的分析；③ 基巖剪切波輸入方向?qū)σr砌縱向應力分析；④上覆地層特征周期對襯砌縱向應力分析；⑤ 隧道地基基床系數(shù)K a=Kw= 0G，0改變時對襯砌應力的分析；⑥圍巖彈性模量變化時對 襯砌應力的分析。
[0063] 本發(fā)明提供的山嶺隧道抗震分析的方法，首次將山嶺隧道橫截面抗震分析和縱向 整體抗震分析采用統(tǒng)一的思想進行分析，思路新穎，方法可行，通過實例驗證，對于強震作 用下的山嶺隧道初步設(shè)計，具有較好的適用性。
[0064] 本發(fā)明無須通過復雜的數(shù)學建模或者數(shù)值分析技術(shù)，只需要在巖土工程勘察階段 取得比較準確的地質(zhì)勘察資料，通過本發(fā)明即可進行山嶺隧道在強震作用下的抗震實用分 析，對各種敏感性參數(shù)進行優(yōu)化對比分析，獲得相應的分析資料和設(shè)計參數(shù)；得到相關(guān)設(shè)計 單位的應用，反響較好，極大的解放了隧道工程設(shè)計人員的前期工作量，為進行詳細設(shè)計提 供了必要的參數(shù)。
[0065] 本發(fā)明實施例，比較了 ANSYS建模數(shù)值方法與本發(fā)明自編程序的計算結(jié)果，得到 如下幾點技術(shù)優(yōu)點：
[0066] (1)山嶺隧道抗震分析利用ANSYS建模等數(shù)值分析方法，建模復雜，建模時間大概 在24h左右，而利用本發(fā)明自編計算程序，只要巖土勘察資料已知，極大的解放了隧道工程 設(shè)計人員的前期工作量，計算效率很快（lh左右）；
[0067] (2)橫截面抗震分析角度來看，本發(fā)明方法的計算效率不但高，而且其計算結(jié)果與 工程現(xiàn)狀完全一致。應用本發(fā)明得到較大的襯砌彎矩，軸力次之；而用有限元方法得到較大 的軸力，彎矩次之。而工程實踐經(jīng)驗可知，山嶺隧道在強震作用下，襯砌結(jié)構(gòu)完全承受地層 的剪切變形，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的形狀的變異，從而產(chǎn)生較大的彎矩和剪力，本發(fā)明的計算 結(jié)論與山嶺隧道的真實狀態(tài)是一致的；根據(jù)本發(fā)明應用實例知，隧道拱頂45度范圍內(nèi)的彎 矩和剪力都比較大，是洞