基于地震土拱效应的隧道衬砌地震作用力计算问题研究

The damage of tunnel lining in earth quake are very seriously and frequently.The calculation of tunnel lining seismic force used in currently aseismic design for tunnel is not accurate,which is one of the main reasons for the damage of tunnel lining in earthquake.The current aseismic calculation is stay on the static stage as considering soil arching to determine the load acting on the lining,it does not consider the changes of soil arching above the tunnel during the earthquake,and it can not reflect the dynamic essence of seismic wave that doing on tunnel lining,so,it need to be revised.our project intends to undertake the following work for this problem: Firstly,we will use ‘seismic coefficient method’ to amend and supplement the calculating method for seismic force of tunnel lining,which basing on the soil arching effect above the tunnel during the earthquake;Secondly,we will use numerical methods to calculate the seismic force of tunnel lining,a number of factors will be considered,such as tunnel depth,surrounding rock classification,structural forms of lining,and so on, Thirdly,the tunnel seismic shaking table test will be taken down to observations soil arching effect during earthquake and gets the lining seismic forces; Forthly, a new calculating method for seismic force of tunnel lining will be verificated by contrasting,it will be easy to use and more accurate; Finally,we will use this new calculating method to calculate a actual tunnel,and do the seismic optimal design for the tunnel lining;Lastly,this can give a reference to the code written for tunnel seismic design.

隧道衬砌结构在地震中的破坏现象十分严重，破坏比例相当高，现行隧道抗震设计中衬砌地震作用力的计算不够准确是主要原因之一，当前，隧道衬砌地震作用力计算中考虑土拱效应来确定作用在衬砌上的荷载时还停留在静力阶段，未考虑土拱效应在地震前后的变化，不能反映地震波的动力作用特性，需要对其进行修正。对此，本项目拟基于地震中隧道围岩的土拱效应，依据‘地震系数法’对现有的隧道衬砌地震作用力计算方法进行修正；采用数值方法计算隧道衬砌地震作用力，考虑隧道埋深、围岩类别、衬砌结构形式等多种因素；进行隧道地震振动台模型试验，测试地震中的土拱效应和衬砌地震力;通过综合对比对现有的计算方法进行修正，得出易于应用和较准确的计算方法；结合实际隧道工程，对隧道衬砌结构进行抗震优化设计，为隧道抗震设计规范的编制提供参考。

当前隧道衬砌结构在地震中的破坏现象十分严重和普遍，土拱效应决定了隧道结构的受力和稳定性，但是当前对土拱效应的研究还停留在静力阶段，不能满足抗震计算的需要，本项目即是针对当前的不足研究了在地震作用下的动态土拱效应，并进一步优化了隧道衬砌地震作用力的计算方法。首先分析了地震作用下隧道周围压力拱的变化情况，推导了地震作用下隧道上方压力拱高度的计算公式，通过数值计算方法给出了统计计算公式，并将两者进行了对比分析；然后研究了不同埋深条件下隧道衬砌地震作用力的计算方法，建立了计算模型，并给出了相应参数的计算方法；最后通过隧道模型振动台模拟地震试验对地震土拱效应进行了观测，测试了动加速度、动土压力和衬砌动应力的地震响应数值，并将试验结果与数值方法和解析方法进行了对比验证。通过本项目的研究清楚了地震作用下土拱效应的变化规律，掌握了隧道结构与围岩地震作用的机理，得到了一套隧道衬砌地震作用力的计算方法。研究成果可用于分析普遍存在与岩土工程中的地震土拱效应，可为隧道衬砌结构地震作用计算、隧道结构抗震优化设计、抗震材料的研究和相关岩土工程抗震设计规范的编制提供参考。