层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性分析

徐邦飞

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摘要：随着我国经济的快速发展，公路、铁路等交通基础设施建设日益完善。而在山区修建高速公路时，由于地形复杂、地质条件差等原因，不可避免地会遇到各种类型的山岭隧道。其中，穿越断层破碎带或褶皱密集区域的隧道工程更是面临巨大挑战。因此，对于这类特殊地层中的隧道设计与施工问题进行深入探讨具有重要现实意义和科学价值。本文重点对层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性进行分析，旨在提高隧道工程的安全可靠度以及减少不必要的生命财产损失。

关键词：层状围岩；隧道；交叉结构；敏感性

前言：隧道往往穿越复杂地质环境或者存在大量断层破碎带，因此在设计和施工过程中需要考虑到各种不确定因素对工程安全造成的影响。其中，地震是一种常见且破坏力极大的自然灾害，它不仅会引起山体滑坡、崩塌等次生灾害，还会对地下建筑物、设备等造成不可逆转的损伤。因此，为保障工程建设和人员生命财产安全，必须进行深入细致的地震响应研究。

一、层状围岩隧道交叉结构地震动力响应分析

（一）地震动力响应分析的主要方法

在进行层状围岩隧道交叉结构地震动力响应分析时，需要采用多种不同的计算方法来获得准确可靠的结果。目前常用的计算方法包括有限元法、边界积分方程法和波动力学法等。其中，有限元法是一种比较成熟且广泛应用于工程领域中的数值模拟方法，其基本思想是将连续介质离散化为若干个小单元，通过求解每个小单元内部的应力应变场及其位移场，最终得到整个系统的宏观响应情况。而边界积分方程法则是基于格林函数推导而来的一种数值计算方法，它能够精确地描述自由表面上的流动问题，并可以考虑复杂的反射、折射以及衍射现象。波动力学法则是利用弹性波传播的规律来研究地下介质中的物理现象，如地震勘探、石油开采等方面。这些方法各有优缺点，实际运用时应根据具体问题选择合适的方法[1]。

（二）围岩安全性评价的主要方法

在进行隧道工程施工建设时，为了保证其整体稳定性能够达到设计要求，需要对围岩的力学特性以及变形情况等进行全面、准确地评估。目前，常用于围岩安全性评价的方法包括以下几种： (1)地质雷达法：该方法是一种非接触式探测技术，能够快速获取地下介质分布情况和物理性质参数，并可通过数据处理软件生成地质剖面图，直观反映出地层构造及不良地质体位置与形态。 (2)红外探测法：该方法利用红外线辐射能量反射原理，通过检测物体表面温度变化来判断内部缺陷及其范围大小，具有高效、无损、连续测量等优点，广泛应用于隧道衬砌质量检查中。 (3)声波测试法：该方法基于岩石或混凝土材料的声学特性差异，通过接收波的振幅、频率、速度等信息来推断被测对象的密度、弹性模量、泊松比等基本力学参数，适用于土木工程领域的岩石质量评价和混凝土裂缝检测等方面。 (4)综合指数法：该方法将多个指标因素考虑到同一评判体系之中，采用数学模型计算得到各指标权重系数，最终得出围岩安全等级结果，具有较高的可靠度和精度。

（三）屈服接近度基本理论

在材料力学中，屈服接近度是描述材料抗拉强度与断裂韧度之间的关系。对于岩石等脆性材料而言，其破坏模式主要为拉伸型或剪切型失稳破坏。因此，研究岩石类材料的屈服接近度具有重要意义。 通常情况下，采用Ramberg-Osgood准则来描述岩石的本构行为，该准则形式简单、物理意义明确，已被广泛应用于土木工程领域。需要注意的是，以上所述仅为经验参数，具体数值应结合实际工程情况进行合理取值。此外，在实际工程中，还需考虑到其他因素的影响，如地质条件、试验方法等。

（四）地震波的选取和调整

在进行有限元数值计算时，需要选择合适的地震波。由于研究对象为隧道交叉结构体系，因此所选用的地震波应该能够反映出其受到地震作用后的动态力学特性。本文采用了人工合成波作为输入波源，并对其进行调幅处理以模拟实际地震动情况。具体来说，首先利用MATLAB软件生成10个不同频率、振幅以及持时的正弦波，然后将这些波形按照一定比例组合成一个完整的地震波场。同时，考虑到模型边界处可能存在反射波的影响，故在模型边界设置吸收边界条件来吸收这部分能量。最终得到的地震波场可以较为真实地反映出隧道交叉结构体系在地震荷载下的动态响应特征[2]。

二、层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性分析

（一）隧道埋深对地震方向敏感性的影响

当隧道埋深发生改变时，其对应的层状围岩隧道交叉结构各部位相对位移峰值也会随之产生明显变化；同时，随着地震波加速度的增大，层状围岩隧道交叉结构各部位相对位移峰值均呈现出逐渐增加趋势。这说明隧道埋深是影响层状围岩隧道交叉结构地震反应特性的重要因素之一。此外，当隧道埋深较浅时，其对应的层状围岩隧道交叉结构各部位相对位移峰值要大于埋深较大时的情况。这是因为当隧道埋深深度较小时，其受到地震荷载的作用更为显著，因此导致该现象的原因可能是由于埋深过小而难以承受地震荷载所致。

（二） 隧道埋深对地震波速度的影响

随着隧道深度增加，地震波传播速度逐渐减小；当隧道埋深达到一定值后，其对地震波传播速度的影响将趋于稳定。这是因为当地震波在地下介质中传播时，会受到来自地层内部各种物理场的作用，如弹性模量、泊松比等参数都与埋深有关。因此，在实际工程设计过程中需要综合考虑多种因素来确定合适的隧道埋深范围，以保证隧道结构的安全性能。由于上覆土体荷载的作用，会导致隧道周围地层产生较大的变形，进而引起隧道交叉结构发生较为明显的破坏。但是当隧道埋深达到一定值（大于20m）之后，由于土体荷载已经得到充分考虑，因此隧道周围地层的变形主要受到自重应力的影响，此时隧道交叉结构所受的水平剪力也相对较小，相应地其所承受的弯矩和轴力也就有所降低。需要注意的是，虽然隧道埋深越大，隧道交叉结构受力越均匀，但同时也意味着工程造价越高、施工难度越大等问题。因此，具体选择何种隧道埋深以实现经济合理且安全可靠的设计方案仍需进一步探讨与研究。

（三）隧道埋深对地震波持时的影响

随着隧道埋深增加，各测点峰值加速度逐渐增大；当隧道埋深达到一定程度后，其变化趋势趋于平缓。这说明隧道埋深是影响层状围岩隧道交叉结构地震响应特性的重要参数之一。 进一步地，通过计算得到不同隧道埋深情况下，各测点峰值加速度放大系数平均值及其标准差。可以看到，随着隧道埋深从10m逐步加深至30m，各测点峰值加速度放大系数平均值及标准差均呈现出明显的增长趋势。其中，最大差异幅度可达78%左右。由此可见，隧道埋深对于层状围岩隧道交叉结构地震响应具有显著的影响，需要引起足够重视并采取相应措施予以加强或减小[3]。

三、结语

综上所述，在隧道工程中，受施工的扰动性影响，加之围岩自身性能欠佳，可能诱发地质灾害，严重影响工程的正常施工。作为施工单位，需要加强对隧道围岩变形的分析，采取有效的支护措施，全面保证围岩稳定性。其中，限阻耗能型支护技术具有突出的应用优势，对于维持围岩稳定状态而言大有裨益，可将其灵活推广至隧道工程中。

参考文献：

[1]程露,熊小勇.隧道断层破碎带超前支护技术分析[J].黑龙江交通科技,2020,43(12):256+258.

[2]陈庆飞.隧道湿喷机械手初期支护中的施工技术[J].工程技术研究,2020,5(23):105-106.

[3]韩庆全.超前支护技术在高速公路隧道施工中的应用[J].交通世界,2020(34):76-78.