不同地形条件下隧道洞口仰坡的地震动力响应

摘 要：通过地质过程机制分析，并针对不同的坡高和坡度进行数值模拟分析，得出隧道仰坡随坡高的增大，放大作用越明显，且随坡度的增大，洞口和坡顶的放大效果也在增大。研究结果可为高烈度山区隧道洞口仰坡失稳评判预测方法提出一些新的建议。

关键词：洞口仰坡；地震；动力响应

1 概述

我国西部处于地震多发带，且多高山峡谷，西部建设难免会在高山区修建隧道，一旦发生强震，隧道最可能发生破坏的部位为洞口段。洞口段仰坡在强震作用下极易发生失稳。08年5·12汶川特大地震，造成都江堰-汶川的公路隧道不同程度地出现破坏。通过对汶川地震重灾区都-汶公路隧道的现场调研和资料收集[1]（李天斌，2008），在被调查的紫坪铺、龙溪等11座隧道中，隧道洞口段受损严重，很多洞口出现仰坡失稳、洞门损坏等使人的生命和财产遭受威胁。通过对不同地形条件下隧道洞口仰坡的地震动力响应的研究，对强震区隧道洞口的选取、进洞方式、支护设计都具有重要的意义。

2 数值模拟分析

为了探究隧道洞口仰坡坡高和坡度在不同的情况下，洞口段地震动力响应有何差异，本节通过对仰坡设置20m、30m、40m三种不同高度和30°、45°、60°三种不同坡度分别建立了数值模型，并模拟了地震波分析其动力响应。为了便于比较，建立了一个标准模型（坡高20m、坡度45°），只改变其中一个因素，来研究该因素对洞口仰坡的地震动力响应。

2.1 标准模型的建立

如图1所示为标准模型，坡高20m，仰坡坡度45°，隧道跨度10m，左右各延伸7m，底部延伸10m。为方便进行分析，所有模型均以整体的一半显示。模型材料参数如表1所示。

2.2 坡高的影响

2.2.1 塑性区计算结果。塑性区表示的是潜在破坏区或已破坏的区域包括拉张、剪切破坏，其状态包含正在拉张破坏、正在剪切破坏、曾经拉张破坏、曾经剪切破坏、没有破坏状态。对比不同时刻该边坡塑性状态，可以得出边坡的变形破坏机理[2][3][4]。

坡高20m塑性区发展过程：从加载起至0.01秒，首次在洞口段出现剪切塑性区，并向深部围岩扩展；0.01秒至0.04秒时间段，隧道内部围岩开始出现剪切塑性区，并向上部围岩扩展，随时间推移，剪切塑性区逐渐贯穿至顶，且塑性区面积逐渐扩大；仰坡剪切塑性区最早出现在坡底部，逐渐向上延展直至贯通。并且随计算时间的改变，洞口段衬砌周边围岩先受拉张破坏，后受剪切破坏。

坡高30m塑性区发展过程：从加载起至0.01秒，首次在洞口段出现剪切塑性区，并向深部围岩扩展；0.02秒时间时，在上部围岩性质变化的交界面，出现拉张塑性区，且最早出现在底部，随着时间进行，拉张塑性区沿交界面向上扩展；0.03秒至0.04秒时间段，衬砌附近围岩的剪切塑性区逐渐从洞口扩展至整个洞身，0.04秒以后，剪切塑性区逐渐向上部围岩扩展，且岩性交界面处剪切塑性区扩展最为迅速，最先形成贯通；0.05秒开始，仰坡坡脚处开始出现剪切塑性区，随时间推移，塑性区向上部扩展直至贯通。整个过程中，洞口处围岩，先受拉后受剪，且塑性区从衬砌附近开始逐渐向周围扩展。

坡高40m塑性区发展过程：从加载起至0.01秒，首次在洞口段出现剪切塑性区，并向深部围岩扩展；0.01秒至0.02秒时间段，在上部围岩性质变化的交界面，出现拉张塑性区，且最早出现在底部，随着时间进行，拉张塑性区沿交界面向上扩展；0.02秒至0.04秒时间段，衬砌附近围岩的剪切塑性区逐渐从洞口扩展至整个洞身，0.04秒以后，剪切塑性区逐渐向上部围岩扩展，原来交界面受拉张的区域，从底部开始转变为受剪切破坏且沿交界面向上扩展；0.05秒之后，仰坡开始从底部出现剪切塑性区，并不断沿坡面向上扩展，最终与坡体内部塑性区同时达到坡顶，形成贯通区。整个过程中，洞口处围岩，先受拉后受剪，且塑性区从衬砌附近开始逐渐向周围扩展。

2.2.2 坡高的影响规律。由以上成果可得出：最先在洞口出现剪切塑性区，然后向四周和深部围岩扩展，且剪切塑性区不断向上延展直至贯通。如果边坡较高（≥30m）的情况下，在上部岩性交界面处先出现拉张塑性区，然后随时间推移由下至上转变为剪切塑性区，直至贯通。不同坡高情况下，拉张、剪切破坏出现的时刻及其扩展的速度不同，坡高越高，塑性区出现时刻越早、扩展速度越快。

不同坡高情况下，在坡顶处均有放大效应，且随坡高的增高，放大作用越明显。

2.3 仰坡坡度的影响

2.3.1 塑性区计算结果

坡度30°塑性区发展过程：从加载起至0.01秒，首次在洞口段出现剪切塑性区，并向深部围岩扩展；0.02秒至0.04秒，隧道深处衬砌周边围岩出现剪切塑性区，并向上扩展；0.05秒左右，边仰坡出现剪切塑性区，最早沿岩性变化交界面扩展；0.06秒左右，仰坡坡面出现剪切塑性区，并由下而上扩展；0.07秒时候边仰坡基本处于剪切破坏状态。

坡度45°塑性区发展过程：该模型使用的标准模型，发展过程同坡高20m塑性区发展过程。

坡度60°塑性区发展过程：从加载起至0.02秒，首次在洞口段出现剪切塑性区，并向深部围岩扩展；0.03秒至0.04秒时间段，衬砌周边围岩出现剪切塑性区，并向上扩展；0.05秒左右，仰坡岩性交界面处最先出现剪切塑性区，并由下向上扩展；0.06秒时，交界面处剪切塑性区贯通，坡面从底部出现的剪切塑性区向上部扩展；0.08秒时，边仰坡基本破坏。

2.3.2 仰坡坡度的影响规律。由以上成果可得出，最早在洞口出现剪切塑性区，并不断向四周和隧道深部扩展，随即向上延展，仰坡岩性交界面剪切塑性区扩展最为迅速且最先发生贯通。

在洞口和坡顶处地震放大作用明显，且随坡度的增大，洞口和坡顶处的放大效果均在增大。

3 结束语

主要结论如下：（1）我国西部地区高海拔、多山地，岩体稳定性较差，强震作用下，隧道洞口仰坡易发生失稳破坏，仰坡的坡高及坡度的不同对其稳定性有较大影响。（2）通过数值分析得出：在地震作用下，坡高越高，仰坡坡度越大，地震放大作用越明显。因此，在西部地区地震多发带进行隧道工程的建设，应尽量避免高边坡、仰坡较大的地带。

参考文献

[1]李天斌.汶川特大地震中山岭隧道变形破坏关键及影响因素分析[J].工程地质学报，2008，16（6）：742-750.

[2]言立信，蔡汉成，王群敏，等.岩土体在地震作用下的破坏研究[J].煤炭学报，2010，35（10）：1621-1626.

[3]郑颖人，叶海林，黄润秋.地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨[J].岩石力学与工程学报，2009，28（8）：1714-1723.

[4]STEVENL，VANIER.G Geotechnical Earthquake Eenineering.Prenti

-ceHallinc.U.S.A.1996，423-462.