山岭隧道性能化抗震设计理论与方法

第1章 绪论 1.1 引言 近些年，地球已进入地震活跃期。自2008年5月12日发生汶川大地震以来，全世界各地陆续发生多起特大地震。例如，2010年1月4日在所罗门群岛发生7.2级地震，2010年1月13日在海地发生7.3级地震，2010年2月27日在智利发生8.8级地震，2010年3月6日在苏门答腊发生7.1级地震，2010年4月14日在我国青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1级地震，2011年3月11日在日本东北部海域发生9.0级地震，2013年4月20日在我国四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，2014年2月12日在我国新疆维吾尔自治区于田县发生7.3级地震，2015年4月25日在尼泊尔加德满都发生8.1级地震，2016年10月17日在我国青海省玉树藏族自治州杂多县发生6.2级地震，2017年8月8日在我国四川省阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，2018年2月6日在我国台湾省花莲县发生6.5级地震。 我国处于世界两大地震带即环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是一个强震多发国家。我国的地震特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、震灾严重。据不完全统计，1995～2018年我国发生的6级及以上的地震如表1.1所示。 表1.1 1995～2018年我国发生的6级及以上地震简况表 由表1.1可以看出，1995年以来，我国大约平均每3年发生至少两次7级以上地震。经过统计，在这些破坏性的地震中，发生在山区的地震占到半数以上，且以汶川地震灾害表现*为严重。 一般认为，与地表结构和城市地铁相比，山岭隧道由于埋深较大，地震动放大效应没有或很小，因此山岭隧道具有较好的抗震性能。然而，1995年日本发生的兵库地震(M7.2)中，极震区内约有30座山岭隧道遭受破坏，其中10座隧道需要震后修复。1999年我国台湾集集地震造成54座山岭隧道受损，严重和中等破坏隧道占比均为25%。在5? ?12汶川地震中，交通基础设施遭受严重破坏，多座山岭隧道受损。都汶高速公路沿线的龙溪隧道受损*为严重，素混凝土衬砌出现开裂、剥落以及大面积垮塌等破坏(大面积垮塌近?200m)；钢筋混凝土衬砌出现了混凝土保护层剥落、钢筋屈曲外露等破坏。隧道破坏多发生于洞口浅埋段、洞身软弱围岩、岩性过渡地段及断层破碎带等不良地质体段和施工过程中曾出现坍方的地段，特别是发震断层附近的龙溪、紫坪铺、龙洞子、烧火坪隧道，破坏十分严重，无法正常通行，整条道路不仅会因此陷入瘫痪，其后期维修性及加固后的耐久性均较差，所造成的经济损失巨大。因此，开展山岭隧道抗震减震研究具有重要意义。 目前，虽然人们对山岭隧道的抗震或减震做了一些研究，但我国关于隧道的抗震设计依然采用的是传统的惯性力法。一般公路隧道的抗震设计及抗震措施均按《公路工程抗震规范》(JTG B02—2013)进行，即隧道的地震作用按照静力法计算，地震荷载只与结构的重力和土的重力组合。显然这种做法会使人们想到通过增大衬砌结构的刚度来抵抗地震力，而这一思路是否合理还值得商讨。因此，开展山岭隧道地震灾变机理和性能化理论研究具有重要的实际意义与理论价值。 1.2 国内外研究现状 世界上*早出现的结构抗震设计规范为1920年日本《市街地建筑物法》和1927年美国的《美国统一建筑规范》[1]。结构抗震设计方法经历了基于承载力的静力法和反应谱法、延性设计法、能力设计法、基于能量和损伤的设计法，以及正在发展的基于性能的抗震设计(performance-based seismic design)法几个阶段[2]。抗震设计理念也从*早的“一水准设防、一阶段设计”发展到“两/三水准设防，两/三阶段设计”，再发展到基于性能的抗震设计。近二十年来，建筑结构基于性能的抗震设计方法正在不断发展和完善，部分成果已纳入规范。 1.2.1 结构性能化抗震理论 地面结构的相关研究一直走在前列，地下结构相关研究也仅在近二十年开始起步[3]。美国、日本学者提出了基于性能的抗震设计思想[3-9]。由于用力(承载力)作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能和破损状态，而用能量和损伤指标又难以实际应用，因此目前性能化抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构抗震性能进行控制，称为基于位移的抗震设计(displacement-based seismic design)方法。无论是基于性能还是基于位移，抗震设计的难点仍然是结构进入非弹性阶段后性态的分析。在基于位移的抗震设计方法研究中，能力谱法由Freeman于1975年提出，后来研究人员对能力谱曲线和需求谱曲线的确定方法做了进一步的改进，使得该方法成为各国推进基于位移的抗震设计方法的一种主要方法[10]。随着结构地震响应数值模拟技术的发展和计算机软、硬件水平的提高，基于逐步增量动力分析(incremental dynamic analysis)的倒塌易损性分析方法(能力谱法的一种)[11]已用于结构抗地震倒塌能力的定量评价。美国联邦应急管理局的FEMA P695报告中采用基于逐步增量动力分析的倒塌易损性分析方法，以结构在*大考虑地震(maximum consideration of earthquake)作用下的倒塌率为目标，对FEMA 445中定义的建筑结构抗震性能系数进行了验证和调整[3]。 在国内，谢礼立、吕西林等[12，13]将基于性能的抗震设计思想引入建筑抗震设计当中，建立了能力谱与抗震能力指数的关系，采用定量指标评定建筑物在不同地震作用下的相对抗震能力，并获得了定性的性能描述。叶列平等[14]应用基于逐步增量动力分析的倒塌易损性分析方法，定量评估了地面单自由度结构体系的抗地震倒塌能力，提出了结构抗地震倒塌能力谱的概念，并开发了THUFIBER系列程序，可以实现复杂钢筋混凝土结构在地震作用下倒塌全过程的模拟。 1.2.2 城市大型地下结构抗震理论 20世纪50年代以前，建筑抗震研究主要基于大森房吉提出的静力理论，对于地下结构并无特殊方法。60年代初，福季耶娃针对地下结构提出了基于弹性力学理论的拟静力方法。60年代末，美国学者对地下结构抗震设计理念进行研究，指出地下结构的抗震性能主要体现在适应变形的延性上。70年代，日本学者提出了一系列简化实用方法，如反应位移法和反应加速度法，使地下结构抗震设计在工程应用中得到了很大的发展[15，16]。80年代，美国学者Schukla采用拟静力方法来考虑土体与地下结构的相互作用，并建立了相应的数学模型；St. John 基于波动理论，推导了地震波斜入射时隧道变形的计算方法。此后国内外学者又进行了系统的研究，提出了多种不同的地下结构抗震设计理论和实用分析方法[17，18]。 针对轨道交通地下车站和区间隧道，国内外学者开展了系统研究，初步建立了城市地下矩形框架结构抗震设计理论。具体而言，可以总结为以下几项成果： (1) 完善和发展了能够模拟复杂地下结构的时域整体分析方法，如构建数值模型的动力人工边界方法、一致地震动和非一致地震动输入方法、岩土体与结构及其界面的非线性本构模型、大变形灾变模拟分析的高效算法。 (2) 城市地铁车站地震破坏机理与抗震性能化设计和评价方法。通过原型观测、模型试验和数值分析，再现了典型地铁车站地震灾变全过程；揭示了浅埋地铁车站结构地震破坏机理和失效模式；确定了典型车站框架结构*不利构件，并由此提出了车站结构的地震性能指标体系，建立了抗震性能化设计和评价方法；在此基础上，针对其破坏机理，提出了多种减震措施。 (3) 城市地铁车站模型试验技术及试验成果。以地铁隧道和地下车站结构为研究背景，进行了可液化地基和软土地基中地铁地下车站与隧道结构振动台模型试验，揭示了可液化地基、软土地基地下结构的地震损伤发展过程与破坏机理，发现了近、远场强地震作用下地铁区地下车站结构地震反应的空间效应、变形与破坏模式。在振动台模型箱、新型数据采集手段、土体和结构相似材料等试验技术方面取得了进步。此外，模型试验也部分验证了大量数值模型的适用性。 (4) 简化的地下结构抗震分析实用方法。由于土-结构时域整体分析方法在分析模型、人工边界和波动输入等问题的处理较为复杂，对操作者的知识水平要求高，且计算工作量较大、耗时多，难以在一般的工程设计中大规模推广。所以国内外推出了多种简化的拟静力地震响应分析方法，包括地下结构的Pushover分析法、横向/纵向整体反应位移法、惯性力+反应位移法等。 由于地铁车站等矩形结构与地面框架结构在结构形式上类同，相关抗震设计研究成果都借鉴了建筑结构抗震设计方法，部分成果已纳入《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)，建立了“三水平设防，两阶段设计”的抗震性能化设计方法。 1.2.3 隧道衬砌结构抗震理论 1995年日本阪神地震极大地推动了日本在隧道抗震领域的研究，其隧道抗震设计已经引入了“基于性能的抗震设计思想”，建立了5级结构性能水平，采用基于承载力和变形(位移)的抗震设计方法，实施“两水准设防、两阶段设计”。日本抗震规范给出了明挖矩形隧道结构的性能与构件的损伤标准之间的关系。小泉淳?[8]应用性能化抗震设计建立了盾构隧道的抗震能力曲线，获得了多级性能水平下的隧道性能控制指标。 何川等[19]参考日本盾构隧道抗震设计方法，对盾构隧道抗震计算方法进行了大量研究，在具体工程中应用了性能化抗震理论，研究隧道的动力响应特性，并对传统拟静力法上覆土柱计算高度进行了研究。刘晶波等[20]开展了拟静力法的创新研究，其中借鉴地上结构抗震分析Pushover方法，提出了一种适用于地下结构抗震分析的Pushover方法，可以获得地下结构完整的能力曲线，用于评价结构的抗震能力和评估更大地震作用下地下结构的抗震性能。董正方等[21]分别通过动力增量法和地下结构Pushover方法计算圆形盾构隧道地震响应，分析其变形特征，分别建立了以直径变形率和倾斜度为整体变形性能指标的结构抗震能力曲线，并划分了性能水平，给出了每级性能水平对应的指标限值。