一种山岭隧道抗震分析的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道抗震分析技术领域，尤其涉及一种山岭隧道抗震分析的方法。
【背景技术】
[0002] 随着西部大开发战略的深入推进，我国西部地区基础设施建设将得到大力的发 展，尤其是公路和铁路交通建设得到跨越式发展，这样势必要修建许多隧道，这些地区大都 处于高烈度的地区，保证隧道工程在地震时的功能正常，深具战略意义。尤其是日本"阪神" 地震中地铁震害和中国"5. 12汶川"地震中109隧道的严重震害，使得人们对地下工程的震 害有了更加清楚的认识。
[0003] 山岭隧道抗震分析方法大都采用ANSYS等有限元数值分析技术来进行，但是先进 的数值模拟技术对工程设计人员来说比较复杂，而且时间和费用都比较高，而寻找一种简 单、高效和适用的近似分析方法，对于山岭隧道工程的初步设计是必要的。
[0004] 目前，山岭隧道实用设计方法比较多，诸如前苏联的福季耶娃法、美国ST. John法 等，但这些方法均没有考虑到上覆岩体和隧道结构自重的影响，实际上，山岭隧道由于目前 施工技术的局限，在隧道拱顶势必产生山体松散压力，这些荷载在地震时将产生比较大的 地震惯性力，忽略这些荷载对山岭隧道是不安全的。而且，目前的方法在分析山岭隧道横截 面抗震分析和纵向抗震分析时采用了不同的思想和方法，在体系上不完整。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种山岭隧道抗震分析的方法，旨在解决山岭隧道 在强震作用下，利用比较简单的方法和程序进行山岭隧道的初步设计，为工程设计人员提 供必要的设计参数和资料的问题。
[0006] 本发明实施例是这样实现的，一种山岭隧道抗震分析的方法，该山岭隧道抗震分 析的方法包括：
[0007] 步骤一，确定山岭隧道的几何参数，确定和简化地层基本参数，确定岩体的动力参 数；
[0008] 步骤二，根据地质勘探资料和地震地层变形统计资料，确定地层的变形模式和地 层变形的水平和竖向变形量；
[0009] 步骤三，山岭隧道横截面抗震分析；
[0010] 步骤四，山岭隧道水平振动分析（水平形变压力qh);山岭隧道竖向振动分析（包 括地层竖向变形压力qvl和松散岩体地震惯性力qv2);利用结构力学，确定隧道衬砌的内 力；
[0011] 步骤五，山岭隧道纵向整体抗震分析，建立山岭隧道纵向整体抗震分析的控制方 程确定变形传递系数MP I a;
[0012] 步骤六，确定隧道纵向地震应力，考虑到地震作用的随机性和作用方向的不确定 性，确定隧道结构的纵向应力组合；
[0013] 步骤七，对山岭隧道进行纵向抗震分析时，根据山岭隧道的具体情况，进行分析计 算。
[0014] 进一步，在步骤一中，确定山岭隧道的几何参数包括：hi-隧道埋深（m)，h 2-隧道 衬砌总高度（m)，B-隧道的总跨度（m)，S -隧道衬砌的平均厚度（m)，&-隧道的等效半径 (m)，&一隧道衬砌的弹性模量（Gpa)，y 隧道衬砌的泊松比；
[0015]确定地层基本参数和简化包括：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-表层地基的厚度（m)，E-土介质弹性模量；y -土的泊 松比；
[0016] 确定岩体的动力参数包括：KH-表层地基设计水平地震系数，Kv-表层地基设计竖 向地震系数；\一地层最大竖向加速度（m/s)，T一地层固有周期，V s-弹性剪切波速，Sv-震 动基准面的速度反应谱，Ka-水平弹性地基系数，K w-竖向平弹性地基系数。
[0017] 进一步，在步骤二中，确定地层的变形模式和地层变形的水平和竖向变形量的公 式为：
[0018]
[0019] 进一步，在步骤四中，确定隧道衬砌的内力据材料力学，隧道横截面地震应力为：
[0020]
[0021] 进一步，在步骤六中，确定隧道结构的纵向应力组合公式为：
[0022]
[0023] 进一步，在步骤七中，根据山岭隧道的具体情况，进行的分析计算包括：
[0024] ①结构-围岩相互作用对衬砌纵向应力的分析；②隧道埋深对衬砌纵向应力的分 析；③基岩剪切波输入方向对衬砌纵向应力分析；④上覆地层特征周期对衬砌纵向应力分 析；⑤隧道地基基床系数Ka=K w= 0G，0改变时对衬砌应力的分析；⑥围岩弹性模量变 化时对衬砌应力的分析。
[0025] 进一步，该山岭隧道抗震分析的方法对于隧道横截面抗震分析具体的实现方法 为：
[0026] 第一步，根据地质勘探资料和地震地层变形统计资料，确定地层的变形模式和地 层变形水平和竖向变形量：
[0027]
[0028] 式中：SV-单位地震系数时的速度反应谱（m/s);
[0029] T-表层地基的基本固有周期（s);
[0030] kh-表层地基上的设计水平地震系数（震度）；
[0031] 第二步，山岭隧道水平振动分析：
[0036] b.利用现有公路或铁路设计规范，洞顶松散岩体压力为：
[0040] 第四步，剪切波作用下衬砌横截面内力计算：
[0041] 强震区的公路和铁路隧道多采用曲线墙式衬砌，利用结构力学和材料力学知识得 到隧道衬砌结构的内力和横截面应力：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 式中：S为隧道衬砌的平均厚度（m);
[0046] 第五步，利用钢筋混凝土基本理论，进行隧道衬砌截面的配筋。
[0047] 进一步，该山岭隧道抗震分析的方法对于隧道纵向整体抗震分析具体的实现方法 为：
[0048] 第一步，确定相关参数，建立地震波作用下隧道二维运动方程：
[0049]
[0050] E为梁的弹性模量，I为梁截面惯性矩，A为梁截面面积，Kw为地基梁横向变形系 数，Ka为地基梁轴向变形系数，v (x，t)为隧道的横向位移，u(x，t)为隧道的轴向位移， gw(x，t)为地基土的横向位移，ga(x，t)为地基土的轴向位移；
[0051] 第二步，引入变形传递系数，隧道地震惯性力的位移传递系数MP I 3为：
[0053] 〇-入射方向与隧道的轴线的夹角；[0054] 第三步，山岭隧道纵向地震应力分析：
[0055]
[0056]
[0057] vs为剪切波速（m/s)，T为场地的卓越周期（s);基岩上覆层的厚度为H，h i为隧道 埋深（m) ;h2为隧道衬砌总高度（m);
[0058] 第四步，剪切波作用下衬砌纵向内力计算：
[0059] 此时隧道结构的纵向应力组合为：
[0060]
[0061] 第五步，隧道纵向地震反应分析：
[0062] 对山岭隧道进行纵向抗震分析时，根据山岭隧道的具体情况，进行如下的分析计 算：①结构-围岩相互作用对衬砌纵向应力的分析；②隧道埋深对衬砌纵向应力的分析；③ 基岩剪切波输入方向对衬砌纵向应力分析；④上覆地层特征周期对衬砌纵向应力分析；⑤ 隧道地基基床系数K a=Kw= 0G，0改变时对衬砌应力的分析；⑥围岩弹性模量变化时对 衬砌应力的分析。
[0063] 本发明提供的山岭隧道抗震分析的方法，首次将山岭隧道横截面抗震分析和纵向 整体抗震分析采用统一的思想进行分析，思路新颖，方法可行，通过实例验证，对于强震作 用下的山岭隧道初步设计，具有较好的适用性。
[0064] 本发明无须通过复杂的数学建模或者数值分析技术，只需要在岩土工程勘察阶段 取得比较准确的地质勘察资料，通过本发明即可进行山岭隧道在强震作用下的抗震实用分 析，对各种敏感性参数进行优化对比分析，获得相应的分析资料和设计参数；得到相关设计 单位的应用，反响较好，极大的解放了隧道工程设计人员的前期工作量，为进行详细设计提 供了必要的参数。
[0065] 本发明实施例，比较了 ANSYS建模数值方法与本发明自编程序的计算结果，得到 如下几点技术优点：
[0066] (1)山岭隧道抗震分析利用ANSYS建模等数值分析方法，建模复杂，建模时间大概 在24h左右，而利用本发明自编计算程序，只要岩土勘察资料已知，极大的解放了隧道工程 设计人员的前期工作量，计算效率很快（lh左右）；
[0067] (2)横截面抗震分析角度来看，本发明方法的计算效率不但高，而且其计算结果与 工程现状完全一致。应用本发明得到较大的衬砌弯矩，轴力次之；而用有限元方法得到较大 的轴力，弯矩次之。而工程实践经验可知，山岭隧道在强震作用下，衬砌结构完全承受地层 的剪切变形，衬砌结构发生较大的形状的变异，从而产生较大的弯矩和剪力，本发明的计算 结论与山岭隧道的真实状态是一致的；根据本发明应用实例知，隧道拱顶45度范围内的弯 矩和剪力都比较大，是洞