穿越断层隧道纵向地震响应规律解析解

摘要

隧道穿越断层区域在地震中易受到严重破坏，是隧道抗震设防的重点控制区域。针对现有设计方法很少考虑隧道穿越断层的现状，基于穿越断层隧道地震响应特点，将隧道沿纵向简化为3段位于不同地层条件的黏弹性地基上的剪切梁，推导了地震动下穿越断层隧道纵向地震稳态响应的解析表达式，建立了面向工程设计的穿越断层隧道纵向抗震简化分析方法。首先，采用Kelvin黏弹性地基上的剪切梁模拟衬砌节段，基于格林函数法、拉普拉斯正逆变换和留数法推导衬砌节段在荷载激励下沿纵向的响应。其次，结合衬砌连续性条件获得穿越断层隧道纵向响应解析解。然后，通过与数值分析结果的对比，验证了本文方法的有效性和可行性。最后，采用该解析方法进行了敏感性参数分析，探究了边界条件、结构刚度、断层破碎带性质、围岩阻尼等关键因素对穿越断层隧道结构地震响应的影响规律。结果表明：1）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应，但同时会显著增大衬砌上的内力响应值；2）加固断层围岩可减小衬砌在地震动作用下的位移响应，也使衬砌的内力响应减小，并减小断层对隧道沿纵向地震响应的影响范围；3）阻尼的存在使衬砌的振动沿隧道纵向出现异步性，加载波的频率越高，异步性越明显。该解析方法能够快速计算得到穿越断层隧道的地震响应，为相关隧道工程的抗减震设计提供参考。

关键词

隧道工程 / 解析方法 / 断层 / 纵向地震响应 / 黏弹性地基梁

基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金（2021JBM038）; 国家自然科学基金项目（51778046;51808035）