（水利水电工程专业论文）水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 地震荷载作用下岩体隧洞响应与安全分析是我国西部强地震区大型水利工程建设中 需要解决的难点和热点问题之一。保证这些工程在地震时的功能正常，深具战略意义。 本文为了对水工地下厂房岩体隧洞进行地震反应数值分析，简述了该类工程在我国 的发展现状，总结了该类工程的结构特点和震害特点；并基于云南澜沧江小湾水电站地 下厂房岩体隧洞的基本资料，利用a n s y s 软件中瞬态动力学分析方法，在对地基辐射阻 尼的影响、地基横向计算范围的确定以及围岩场地的放大滤波效应等几个基本问题进行 研究的基础上，初步分析了地震荷载作用下隧洞埋深、隧洞断面形状、衬砌弹性模量、 围岩级别以及地震荷载频率对隧洞衬砌结构位移和应力响应的影响，总结了水工地下厂 房岩体隧洞结构地震反应的一些规律。 在此基础上，以小湾水电站地下厂房岩体隧洞为例，建立某一机组段隧洞三维有限 元模型，进行了三维抗震稳定性分析。主要讨论分析了水平地震、竖向地震以及水平竖 向耦合地震作用下隧洞结构的反应情况，模拟得到考虑竖向地震作用改变了薄弱环节的 位置，增大了最大反应的值，说明了忽略竖向地震作用是偏于危险的。本文的具体工作 安排如下： 1 综述了水工地下厂房隧洞工程的发展现状、震害特点、数值分析方法的现状与发 展并提出了论文所采用的数值模拟方法； 2 对动力有限元分析基本理论进行总结； 3 对地基辐射阻尼的影响、地基横向计算范围的确定以及围岩场地的放大滤波效应 等几个基本问题进行了研究分析，为后续的研究做好准备； 4 通过大量的数值模拟分析，对地震荷载作用下隧洞埋深、洞型、衬砌弹性模量、 围岩级别以及地震荷载频率对隧洞衬砌结构位移和应力响应的影响进行了规律性研究； 5 重点对某一水电站地下厂房岩体隧洞进行了三维抗震稳定性分析； 6 总结论文，探讨了论文的不足和需要改进的地方，并对后续工作中需要迸一步研 究的内容提出了建议。 关键词：岩体隧洞；地震分析；动力有限元；a n s y s 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 s e i s m i cr e s p o n s ep r i m a r ya n a l y s i so n u n d e r g r o u n dr o c k t u n n e lf o rh y d r o p o w e rs t a t i o n a b s t r a c t t h er e s p o n s ea n ds a f e t yo fr o c kt u n n e lu n d e re a r t h q u a k ea r et h ed i 伍c u l t i e sa n dh o tp o t s f o rc o n s t r u c t i o no f h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gi nt h ei n t e n s i v ee a r t h q u a k ea r e ao fw e s tc h i n a i th a s s t r a t e g i cm e a n i n gt h a th o w t oa s s u r i n gt h et u n n e lw o r k i n gw e l ld u r i n ge a r t h q u a k e t oa n a l y s et h es e i s m i cr e s p o n s eo nu n d e r g r o u n dr o c kt u n n e lf o rh y d r a u l i cs t a t i o n ，t h i s p a p e rb r i e f l yd e s c r i b e st h ep r e s e n td e v e l o p m e ms i t u a t i o no fu n d e r g r o u n dr o c kt u n n e lf o r h y d r a u l i cs t a t i o ni nc h i n a ，a l s os u m su pt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a r t h q u a k ed a m a g ea n ds t r u c t u r e o fs u c he n g i n e e r i n g b a s e do nt h ed a t ao fx i a o w a nu n d e r g r o u n dr o c kt u n n e lf o rh y d r a u l i c s t a t i o nw h i c hi ss i t u a t e do nt h el a n c a n gr i v e ro fy u n n a np r o v i n c e t h et r a n s i e n td y n a m i c m e t h o do fa n s y sc o m p u t es o f t w a r ei su s e dt op r e l i m i n a r i l ya n a l y s et h ei n f l u e n c eo ft h et u l l n e l d e p t h , t h ec t o s ss e c t i o n a ls h a p eo fu m n e l ，t h ee l a s t i cm o d u l u so ft u n n e ll i n i n g ，t h el e v e lo f s u r r o u n d i n gr o c ka n de a r t h q u a k ef r e q u e n c eo nd i s p l a c e m e ma n ds t r e s sr e s p o n s eo f t u n n e ll i n i n g o nt h e h a s i so fs t u d i e so nf o t m d a t i o nr a d i a t i o nd a m p i n g ，f o u n d a t i o nl a t e r a lc a l c u l a t i o nr a n ga n d m a g n i f y i n ga n df i l t e ro fs u r r o u n d i n gr o c kg r o u n d ，t h e ni nt h ep a p e r , s o m es e i s m i cr e s p o n s e r e g u l a r i t i e sa r es u m m e du p o nt h eb a s i s t h ep a p e rb u i l d sa3 dt u n n e lf i n i t ee l e m e mm o d e lw i t hx i a o w a n u n d e r g r o u n dr o c kt u n n e lf o rh y d r a u l i cs t a t i o na sae x a m p l e ，a n da n a l y s e st h es e i s m i cs t a b i l i t yo f t h et u n n e l a n dt h i sc h a p t e rm a i n l ya n a l y s et h et u n n e ll i n i n gr e s p o n s eu n d e rt h eh o r i z o n t a l e a r t h q u a k e ，v e r t i c a le a r t h q u a k ea n dt w ow a yd i r e c t i o n a le a r t h q u a k e t h er e s u l ts h o wt h a tt h e w e a kl i n ki s c h a n g e da n dt h em a x i m u mr e s p o n s ev a l u ei s e n h a n c e dw h e nt h ev e r t i c a l e a r t h q u a k ei sl o a d e d w h i c hc a l le x p l a i nt h a ti t i sd a n g e r o u sw h e nt h ev e r t i c a le a r t h q u a k ei s i i g n o r e d t h es p e c i f i cw o r ko f t h ep a p e ri s ： 1s u m m a r i z et h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o n , c h a r a c t e r i s t i co fe a r t h q u a k ed a m a g e ， a n dp r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o do fu n d e r g r o u n dr o c k t u n n e lf o rh y d r a u l i cs t a t i o n p r o p o s ean u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o di nt h i sp a p e r ； 2s u m m a r i z et h eb a s i ct h e o r yo fd y n a r n i cf i n i t ee l e m e n t ； 3 a n a l y s et h ee f f e c to ff o u n d a t i o nr a d i a t i o nd a m p i n g ，f o u n d a t i o nl a t e r a lc a l c u l a t i o nr a n g a n dm a g n i f y i n ga n df i l t e ro fs u r r o u n d i n gr o c kg r o t m dt op r e p a r ef o r f u t u r ew o r k ； 4s t u d yt h es e i s m i cr e s p o n s er e g u l a r i t i e so ft h ei n f l u e n c eo ft h et u n n e ld e p t h , t h ec r o s s s e c t i o n a ls h a p eo ft u n n e l ，t h ee l a s t i cm o d u l u so ft u n n e ll i n i n g ，t h el e v e lo fs u r r o u n d i n gr o c ka n d i i 大连理工大学硕士学位论文 e a r t h q u a k ef r e q u e n c eo nd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sr e s p o n s eo ft u n n e ll i n i n g ，t h r o u g hl o t so f n u m e r i c a la n a l y s i s ； 5 a n a l y s et h es e i s m i cs t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dr o c k3 - dt u n n e lf o rh y d r a u l i cs t a t i o n ； 6s u m m a r i z et h i sp a p e r ，d i s c u s st h ed e f i c i e n c yo ft h ep a p e ra n dg i v ea p r o p o s ef o rt h e f o l l o w i n gs t u d y w o r k k e yw o r d s ：r o c kt u n n e l ；s e i s m i ca n a l y s i s ；d y n a m i cf i n i t ee l e m e n t ；a n s y s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：查墨鱼珏 皂墨鱼隆望虱堕盘垦垒兰塑塑垒：逝 作者签名： 薹音皋蠢一 日期：垒丑年建月i 昱日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 查辱蜉z 垒墨堕隆塑垫垄至垄垒塑篁坌蜇 作者签名： 翌盘查 日期：竺墨年鱼月二羔日 导师签名：_ 多橼日期：茸年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 近年来，地下结构在能源、交通、通讯、城市建设和国防工程等方面获得广泛应用， 地下空间的开发利用已成为国家基础建设的一项重要组成部分。随着工农业生产的发展 和城市化程度的不断提高，地下结构的重要性也日益明显，尤其对大型和超大型地下洞 室的设计研究日益迫切。为了充分发挥我国水利能源优势，大量的高水头、大容量水电 站正在建设或计划建设中。在这些建设项目中为了取得集中高水头落差，般都设置了长 引水隧洞或高坝。在高山峡谷地区修高坝，地下厂房是一种经济的甚至是唯一的选择， 因此以大型水电站地下厂房为主体的洞室群是现今我国水工建设项目中的一个特点。在 9 0 年代后，我国动工的峡谷高坝基本上都采用地下厂房设计方案，如三峡、二滩、溪洛 渡、小湾、瀑布沟等。本世纪初随着水电建设向中国西南部山区发展，一批规模更大的 地下厂房式水电站正在或者即将兴建，随着水电站装机容量的增大，地下水电站厂房的规 模也越来越大( 张有天，1 9 9 4 ) ，以大跨度、高边墙、多交叉以及结构复杂为特征i 】j 。在 很多地下厂房系统中，大大小小的隧洞和地下空间交织在一起，形成庞大而复杂的地下 洞室群，以小湾水电站为例：小湾水电站在不到0 3 k m 的区域内布置近百条洞室，总长 度近1 7 k m ，构成一个超大型的地下工程系统【2 】。同时西南地区在我国属于地震多发区， 设计地震动参数水平较高，如何考虑这些大型水工岩体地下洞室的地震反应成为了目前 该类工程设计建设中无法回避的问题。 1 2水工地下厂房洞室工程发展现状与工程特点 据统计【4 】，截止到1 9 9 9 年中国已经建成装机超过i o o m w 的地下厂房水电站2 0 座。 2 0 世纪5 0 年代，国内所建水电站地下厂房单机容量不超过i o m w ，厂房跨度仅1o m 左 右。至2 0 世纪9 0 年代，已建成总装机i o o m w 以上的地下厂房式水电站2 1 座，地下 厂房的最大跨度已达2 5 5 m ( 二滩) 和2 6 4 m ( 大朝山) ，单机容量达5 5 0 m w 。小浪底水电 站装机6 台，单机容量3 0 0 m w ，地下厂房规模达2 51 5 m x 2 6 2 m x 51 4 m ，有6 条引水隧 洞，6 条尾水隧洞，3 条导流洞( 后期改为泄洪洞) ，3 条排砂洞，3 条明流洞以及许多交 通洞、施工支洞、地下厂房、主变洞、尾水洞等；这些洞室均布置在狭窄的左岸山体内， 形成复杂的洞室群。而在建的溪洛渡水电站装机1 8 台，单机容量8 0 0 m w ，采用地下式 布置，左右岸各9 台。每岸地下厂房的大小达3 3 3 m 3 0 m 7 5 m 。三峡二期工程将新增6 台7 0 0 m w 机组，布置在右岸地下，厂房规模达3 2 0 m 3 3 5 m x l 0 8 m ，将是世界上最大 的水电站地下厂房。由此可见，确保我国已建和在建水电项目中以大跨度、高边墙的大 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 型地下洞室构成的地下厂房的正常使用成为这些水电站建设和建成之后非常重要的课 题，尤其是在地震作用下，以大型地下厂房为主体的岩体地下洞室( 群) 的反应成为一个 值得探究的问题。 水利水电工程中的地下洞室按其功能可分为多类，其中以为地下水电站提供空间的 地下厂房洞室群的规模最大，地下厂房洞室工程作为岩石地下洞室工程中的一类，与其 他行业和水工水电工程中其他洞室工程相比，具有其自己的特殊性1 3 1 。 ( 1 ) 地下水电站厂房洞室群通常是一个比较复杂的洞室群系统，由多种满足不同功 能的洞室连接构成一个或者多个以主厂房为主体的地下洞室群。地震作用下，单个洞室 的位移、应力状态和各个洞室之间的相互作用的分析将变得异常复杂。 ( 2 ) 地下水电站厂房洞室一般开挖跨度大、边墙高。溪洛渡水电站的地下厂房截面 达3 0 m x 7 5 m 。这种大跨度、高边墙的岩体地下结构在地应力作用下或地应力重新分布 过程中，围岩的稳定、变形和破坏都是值得研究的问题，其中高边墙如同一个较陡的岩 质高边坡。地震作用引起初始地应力重新分布，这种大型岩体地下洞室的稳定性控制难 度远大于一些小规模的岩体地下洞室。 ( 3 ) 地下厂房为永久性建筑物，使用年限长，为了其中安放设备的正常运行，对围 岩稳定性的要求很高。较长的使用年限造成了在服役期内遭遇强烈地震袭击的概率增 高，如何合理估计该类工程的地震反应和地震作用下位移、应力的变化及其对围岩稳定 性的影响成为工程建设与运行中必须考虑的问题。 1 3 地下洞室的震害特点 地下结构的地震响应分析，由于受周围无限岩土介质的动力相互作用影响而变得十 分复杂，其响应特点与地面结构有明显的差别。如以入射地震波作为输入，结构的地震 响应作为输出的话，则地面结构犹如一个强滤波系统，随着结构刚度、阻尼和质量惯性 分布变化，输出反应的频率组成和振动的持续时间与入射地震波相比，都将发生很大的 变化。即使在入射地震波结束后，结构的衰减振动仍将持续一定时间。地下结构则不同， 由于围岩的约束作用，结构将随着围岩介质同步地发生相应的振动，其地震响应的波形 和入射地震波的波形相比，将没有明显的差别。而且，只要地下结构的尺寸与地震波长 相比还比较小的话( 一般情况均如此) ，其存在对地震波场扰动就很小，故地下结构围 岩中的地震波形和自由场的地震波形也将十分接近。地面结构的地震响应含有很强的结 构本身的频谱特性；地下结构的地震响应基本不含有地震结构本身的频谱特性。在地震 工程学发展初期，从地震动引起的动力反应造成结构破坏的观点出发，一般认为地下洞 大连理工大学硕士学位论文 室等地下结构相对地表结构而言，加速度动力反应要小，造成破坏的可能性也较小，甚 至可以不予考虑。实际震害实例表明，地下洞室等地下结构在地震来临时亦常遭破坏。 下面列出了近几十年来发生在隧道及地下工程中的主要震害实例【5 1 0 j ： 1 9 2 3 年日本东京大地震( 烈度x 度，震级8 3 级) 损坏了东京附近2 5 座隧道，其中 洞身破坏1 4 座。这些隧道距震中较近，均未穿越断层，其破坏型式主要表现为拱部和 边墙坍塌、衬砌开裂和变形错动、洞门破坏等。其中长坂山隧道( 埋深9 1 m ) 混凝土衬砌 破损严重，一处边墙与拱圈错位达2 5 e m 。南无谷隧道( 埋深7 6 m ) ，穿过皱曲破坏的玄 武岩，衬砌裂缝遍及全洞，变形严重，底板严重上鼓，最大达i m 左右。 1 9 3 0 年日本伊豆7 o 级地震时，丹那第一线铁路隧道正在施工。该隧道通过安山岩 和凝灰岩，上覆厚约4 0 m 由粘土和漂砾组成的湖泊沉积。地震使排水隧洞在横穿丹那山 断层处水平错位2 3 9 m ，竖向错位0 6 m ，主隧道边墙数处裂缝。 19 5 2 年美国加州克思郡7 6 级地震，使位于南太平洋铁路线上的四座隧道受到严重 破坏。这四座隧道均通过白狼断层破碎带，用厚3 0 e m 6 0 c m 的钢筋混凝土加固。3 号隧 道横穿白狼断层，埋深4 6 m ，边墙混凝土被压酥，一处边墙上跳并将扭曲变形的钢轨压 在其下。4 号隧道埋深3 8 m ，一处边墙横向错动达5 0 c m 。5 号隧道埋深6 9 m ，震后地面裂 缝，一处透项坍塌，泥石流入洞内。6 号隧道埋深1 5 m ，衬砌断裂剥落。震后这4 座隧 道都改建成为明堑或重建。 1 9 6 1 年日本北见野地震，一座电站输水隧洞衬砌产生纵向水平裂缝两处。1 1 19 6 4 年日本新泻地震时市内下水管道遭受严重破坏。箱形和圆形污水管道受地震 影响出现了脱节、裂缝、蛇状弯曲、高程变化和隆起等现象。在某些地段圆管外露到地 面以上。这些都是地震时由地层液化引起的。 1 9 7 0 年我国云南通海地震造成公路涵洞及隧道洞口段坍塌。 1 9 7 1 年美国圣佛南都6 4 级地震使多座隧道受到不同程度的破坏，其中巴尔宝隧道 浅埋段位于s a n t as u z a n a 断层以南仅3 0 m ，混凝土衬砌严重剥落和破碎。圣佛南都隧道邻 近s y l m a r 断层处衬砌损坏和错位，一处竖向错位达2 2 9 m ，产生挠曲裂缝。麦克莱隧道 衬砌中出现长而宽的裂缝。范诺曼罗斯隧道混凝土衬砌出现数以百计的非构造性裂缝。 1 9 7 5 年我国海城地震，个别隧道的入口端墙与翼墙上沉降缝变形较大。 1 9 7 6 年唐山地震，市内地下管道受到剪切破坏。 19 7 8 年日本伊豆尾岛7 o 级地震时，i n a t o r i 隧道所在地区出现一条横截该隧道的大 断层，隧道中央地段发生破坏，隧道仰拱及初衬严重开裂，隧道中央混凝土剥落冒项， 塌入大量土石，钢筋被拉断，衬砌断面严重变形。 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 1 9 8 3 年5 月1 9 日，震中距上海市1 5 0 k m 以外的海面上发生里氏6 级地震时，上海 市打浦路管片隧道出现了5 条可见裂缝，泥水挤入隧道与竖井的结合部，因及时堵塞， 才未造成祸患。 1 9 9 3 年日本能登半岛海面6 6 级地震造成震源( 其北约2 6 k i n ，深约2 5 k i n ) 附近的木 之浦隧道发生拱项冒顶，坍塌并堵塞行车，灾害严重。 1 9 9 5 年日本h y o g o k e n n a n b u 地震( 阪神地震) 造成灾区内1 0 的山岭隧道受到了严 重破坏，必须进行修复和加固。特别是建于2 0 世纪6 0 年代及以前的隧道，由于设计时 未考虑浅埋地层变形的影响，隧道结构的抗震性能无法承受这次大地震，拱顶部分往往 发生严重的剪切裂纹及剥落，横断面内普遍出现混凝土剥片。而且调查中了解到，隧道 内受灾部位多为施工时存在集中涌水和突泥的断层和破碎带等施工困难地段。地铁结构 在这次地震中更是发生了大规模损坏，隧道衬砌大面积开裂，相当一部分车站立柱被压 坏丽造成地面塌陷。 1 9 9 9 年台湾集集地震后，对总共5 7 座隧道作出的系统调查发现，4 9 座隧道受到了 衬砌混凝土块龟裂、掉落，甚至钢筋弯曲等不同程度的破坏。台湾中部距离发震断层 2 5 k m 范围内的4 4 座受损隧道中，严重受损者占2 5 ，中等受损者占2 0 ，轻微受损者占 5 5 ，并且隧道的破坏与地质条件、隧道结构等多种因素有关。 较早对地下洞室震害特征进行全面总结的是d o w d i n gc h t 】，他们在研究工作中采 用来自美国、日本的7 1 个地震中地下洞室破坏的例子，研究了岩体隧道在地震中的破 坏模式并与地下爆破引起的破坏进行了比较，结果表明在同烈度区内地下结构要比地 表结构安全，埋深较大的隧道要比埋深较浅的安全，地表加速度小于0 1 9 9 时隧道基本 不会被破坏，但位于软弱土层或者岩层中的隧道更容易遭受地震破坏，与隧道交叉的断 层的运动可以造成隧道的彻底垮塌。随后有不少研究者在d o w d i n g 工作的基础上进行了 相应的延伸和补充，其中s h a r a m a 等【1 2 1 的工作较有代表性。s h a r m a 在d o w d i n g 研究工 作的基础上，参考1 9 2 篇反映全球8 5 次地震中地下洞室形态的报告对地震中影响地下洞 室稳定性的重要因素进行了研究和总结。在其研究中考虑了破坏程度、覆盖层、主要岩 石类别、支护形式、地理位置以及震级和震中距等因素，并最终在地面峰值加速度、覆 盖层深度与破坏程度之间建立了相关关系，建议把这些相关关系作为动力分析之前评估 新建地下结构稳定性的初步依据，并指出完整的围岩有利于抗震，支护类型与破坏程度有 相关性，但认为其作用机理难以确定。a s a k u r a 等【l3 j 对日本多次地震中地下结构震害进 行了回顾，并研究了在阪神地震中1 0 0 多条位于或临近受灾区的山区隧道的破坏情况。 其研究表明有2 0 多条隧道受到了地震作用的影响，大约1 0 条隧道遭受了较严重的破坏 大连理工大学硕士学位论文 以至于需要修缮和加固：大部分隧道的破坏位置靠近围岩中在隧道修建前已存在的断层 和破裂区，而且多次地震的震害都表现出了这一规律；围岩完整性较好的山间隧道很少 在地震中被破坏，离震中较近的山区隧道容易遭到破坏，而且一些特殊的地质条件也是 造成破坏的原因。w a n g 等【1 4 】对山区隧道在集集地震中的震害进行了系统评估，被评估 的5 7 个隧道中有4 9 个遭到不同程度的破坏，并结合地质条件等相关资料对破坏模式进 行了分析。其研究结果表明断层活动、地质条件薄弱区的尺度、震中距、滑坡面的存在 是造成破坏的主要外在影响因素，而隧道的布局、衬砌的类型、支护等结构本身的因素 也存在一定影响。山区隧道遭受破坏的主要表现是衬砌出现裂缝。 在国内，王景明【l5 】通过对1 9 7 6 年唐山7 8 级地震地下工程内部宏观现象的调查分 析，指出高烈度区地下工程震害是随深度增加呈指数曲线迅速衰减的，约到5 0 0 m 深处 呈一常数，极震区地下烈度( 震害程度) 受发震构造控制，向两侧衰减迅速，超过同位置 地面烈度的衰减速度。叶世强等【1 6 】通过收集国内外地下工程震害实例并进行归纳分析 后，分别讨论了地震振动灾害和断层错动灾害，对前者研究中存在的震害程度与埋深、 地震动强度之间的关系进行了归纳，对后者提出了预测方法和工程对策。尚缺乏大型地 下洞室，特别是洞室群的震害观测资料。 虽然大型地下洞室震害实例相对缺乏，但是综合分析地下洞室等地下结构震害实例 及上述地下洞室、山区隧道的震害，可以认为类似溪洛渡、小湾地下发电厂房这种大型 地下洞室( 群) 的实际地震反应应该存在以下特点1 3 】： ，t ( 1 ) 其地震动力效应相对地表结构而言会小很多，而且随着深度的增加而减小，动 力作用应该不会是造成埋深较大的大型岩体洞室最终破坏的主导因素。这一点从前述震 害实例和一些强震观测资料中可以得到证实。 ( 2 ) 相对加速度而言，大型岩体地下洞室( 群) 尺度较大，在行波作用下各点的相位 差异相对明显，从而造成较大的相对位移差产生的静力作用更值得注意，位移差导致的 原始应力场的变化应该是影响大型岩体地下洞室稳定性进而造成破坏的主要诱因。有研 究表明，速度峰值与破坏程度的相关性比加速度峰值与破坏程度的相关性更强。 ( 3 ) 断层、节理和裂缝等地质软弱面的存在及其在地震作用下的运动是影响稳定性 乃至造成破坏的另一个重要因素。在其他条件一致的情况下，围岩质量好的洞室受到破 坏的可能性要小，而且很多破坏都是围岩中现存的软弱面运动造成的，断层的运动能造 成地下洞室的彻底崩塌。 ( 4 ) 虽然在地震作用下，衬砌和支护结构随围岩一起运动，结构本身的动力特征无 法表现出来，但是刚度不合适的衬砌、支护结构对地下洞室的破坏还是存在一定影响。 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 1 4 国内外地下结构抗震研究发展状况 地下结构抗震研究是随着地面建筑物抗震研究的发展而发展的。5 0 年代以前，国内 外地下结构的抗震设计都是以日本学者大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构 的地震作用力。6 0 年代初，前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构( 拟静力法) ， 以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力应变状态，得出了地下结构地震力 的精确解和近似解。并且前苏联在修建贝阿干线0 3 a m ) 地震高烈度区铁路隧道时十分重 视隧道衬砌的抗震设计，在塔什干、埃里温地下铁道建设中也采用了抗震的车站和区间 隧道结构p o j 。6 0 年代末，美国旧金山海湾地区在建设快速地铁运输系统时( b a r t ) ，对地 下结构抗震进行了深入研究，他们提出了地下结构并不抵御惯性力而是有吸收强加变形 的延性，同时还不散失其承受静载荷力等新的设计思想，并以此为基础提出了抗震设计 标准。7 0 年代，日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验，建立了教学 模型，并结合波的多重反射理论，提出了反应位移法、应变传递法和地基抗力法等实用 计算法，使地下软基隧道抗震研究获得重大进剧3 1 3 3 】。而且在沉埋隧道的设计中，他们 还率先采用了反应位移法；另外为了防止和减轻地震对隧道造成的危害，他们又将隧道 抗震的思想贯穿到选线、设计、施工、维修、改造的全过程。8 0 年代末9 0 年代初，j p w o l f 3 4 和c m s o n g 3 5 l y 提出了递推衍射法。我国众多研究机构、学者和工程人员也纷纷开展了 关于上与结构作用、软土震陷、地基振动液化、沉管隧道接头抗震等问题的研究，并取 得了一定的成果。我校林皋教授在总结前人研究成果的基础上，就地下结构动力反映的 特点与地面结构的震动特性进行了对比，做了极具概括性的七点总结。周林聪等1 3 6 】通过 试验对拟定结构的加速度放大系数、压力与位移响应进行分析，并讨论了地下结构对竖 向地震激励的响应，以及在不同埋深下，土与结构的相互作用对地下结构抗震性能的影 响。高峰、关宝树 3 7 - 3 9 1 运用n e w m a r k 隐式时间积分法进行了地震反应分析，确定了在地 震荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。姜忆良、宋丽梅【删从土与结 构动力相互作用观点出发，用样条有限元和半解析有限元对地下隧道结构进行了抗震分 析。 二十世纪九十年代，我国修建南昆铁路时，西南交大、铁二院、兰州铁道大学、铁 十五局四家单位针对高烈度地震区隧道抗震问题做了专门的研究，对当时不能考虑波的 性质、未计入隧道结构的震动特性及围岩的阻尼作用的惯性力法进行了改进，提出了分 别考虑面波、体波的动力法抗震验算方法；并提出隧道纵向抗震十分重要，先行规范不考 虑纵向抗震是不适宜的。其中针对隧道纵向抗震提出洞口段应设置抗震缝，对于抗震缝 段隧道纵向抗震建议用s c h u l d a 法计算隧道纵向轴力，对无抗震缝地段隧道纵向抗震提出 大连理工大学硕士学位论文 了南昆法；对浅埋隧道的横向抗震提出了瑞丽波的计算方法；对深埋隧道的横向抗震提出 了改进后的拟静力法。在结构上首次提出了在围岩整体性好的深埋地段采用柔性衬砌支 护，曲墙式明洞和洞身设抗震缝等措施。针对浅埋软岩大跨段隧道首次采用了新型施工 方法一中壁分隔法。在材料上提出了s f r c ( s t e c l r e i n f o r c e dc o n c r e t e ) 新型抗真材料。这 是我国首次针对高烈度地震区隧道抗震问题作出较系统的研究并提出检验方法。 1 5 地下洞室地震反应数值分析方法 水工结构地下厂房这类大型岩体地下洞室因为结构和围岩应力条件相对复杂，一些 适用于普通地下结构( 如地铁) 地震反应分析拟静力方法已经难以适用。岩石力学与工程 中用到的数值模拟方法有有限差分法、有限单元法、拉格朗日元法、离散单元法、边界 元法、非连续变形分析法、数值流形和无单元法等，这些方法用于分析岩体地下洞室地 震反应也都存在着各自的优缺点。本文参考文【3 】将从介绍几个较为典型的地下洞室反应 分析研究的例子入手，对相应的分析方法进行简单评述。 ( 1 ) 有限单元法 有限差分法和有限单元法均基于连续体假设，分别采用差分近似和单元离散化来求 解连续体场函数的离散解，二者都是岩体工程分析中常用的数值分析方法。有限单元法 在单元几何形态的设置方面较有限差分法更方便，在岩体地下洞室等岩体结构地震反应 分析中应用更广泛。陈建云等【1 7 , 1 8 】以溪洛渡地下厂房为研究对象采用有限元法对超大型 地下洞室群地震反应进行了相关分析，通过阻尼抽取法求出地下结构无限围岩介质的动 阻抗，在此基础上通过考虑地震动输入空间变化的随机过程模型，用随机分析方法研究 了地震动输入机制对地下洞室群动力反应的影响。结果表明，进行地下空间地震反应分 析时必须考虑地震波的行波效应、空间相干性、散射效应等。许增会等t 1 9 j n 用a n s y s 软件的谱分析功能，研究了地震对隧道围岩稳定性的影响因素，分析了不同岩性、跨度、 地震波类型等对受地震作用的隧道围岩拉应力和位移的影响，指出围岩位移差异是破坏 衬砌的主要原因。在上述研究中都是将地下洞室围岩作为连续体，未考虑其中存在的断 层、节理和宏观裂缝等地质软弱结构。然而实际震害和实验表明，在很多情况下这些岩 体软弱结构的存在和发展才是导致岩体结构造成损伤直至破坏的控制因素，而岩石本身 的力学性质起到的控制作用相对要小得多。在有限单元法中一般采用节理单元、薄层单 元等特殊的专门单元形式模拟这些软弱面，但是这些单元控制了软弱面的规模和方向， 无法对其在地震作用过程中的自然扩展进行描述，如果需要涉及软弱面扩展过程的模拟 则需对整体或者局部进行网格重构，这处理计算成本较高，即使不考虑软弱面的扩展问 题这些特殊单元的过多引入也会造成计算无法收敛、剪切闭锁等问题。 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 ( 2 ) 拉格朗日元法 一般的有限元法基于小变形假设，使其应用范围受到局限，考虑物理非线性和几何 非线性的有限元法计算量又变得相当繁重。为了更好地考虑岩土力学中涉及的非线性大 变形问题，拉格朗日元法便成为了一种更佳选择。拉格朗日元法依然遵循连续介质的假 设，利用差分格式，按时步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大的 变形，采用该方法专门用于求解岩土力学的商业程序f l a c 在国际岩土界相当流行。李 海波等【2 0 捌 ( 2 0 0 5 、2 0 0 6 ) 和马行东等【2 2 】( 2 0 0 6 ) 采用拉格朗日元法商业程序f l a c 分别分 析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征以及地震动参数对岩体地下洞室位移、 应力特征的影响。因为拉格朗日元法连续介质的假设，上述研究也未考虑地质软弱面， 而且在研究中只用剪切简谐波作为输入而未考虑多种波场作用、输入波入射方向和输入 波相位谱特性等对地下洞室地震反应的影响。 ( 3 ) 离散单元法 与上述基于连续介质假设的数值模拟方法不同，离散单元法将软弱面所切割的岩体 视为复杂的块体组合，允许块体平移、转动甚至分离，以此来模拟节理岩体的非线性大 变形特征，块体的运动、分离导致了整个岩体结构局部或整体的破坏。陶连金等【2 3 ( 1 9 9 8 ) 和张丽华1 2 4 等( 2 0 0 2 ) 用动力离散单元法对地震作用下地下洞室的动力响应和围岩稳定性 进行了分析，并模拟围岩失稳和破坏的过程，对节理岩体洞室围岩变形和破坏机制进行 了初步分析。张丽华等在研究中假定节理面1 0 0 连通，这在一定程度上夸大了地震作 用引起的反应。该类方法的基本思想使得其适用性存在一定局限，对于只存在个别较为 发育节理的较完整岩体，用离散元假设将其硬性细分成小块体的组合显然不够合理；离 散单元的划分实际上把节理等软弱面的发展、运动人为地局限在单元边界上。该类方法 一般将地震作用等效成应力施加，而非直接施加位移条件，且考虑地震波斜入射的处理 相对有限元而言要复杂一些。由此可见离散单元法对于软弱面较为发育，将岩体完全分 割成块体组合的岩体工程变形破坏过程的模拟具有优势，但对整体性较好的岩体地下洞 室结构不加处理地直接应用该方法进行地震反应分析则存在一定问题。 ( 4 ) 边界单元法 上述方法都是以求解域离散成的单元、网格或者块体本身为研究对象，用离散解来 逼近场函数在域内的真实值。而边界元法则是将求解域的边界进行离散，以边界单元来 代替域边界，把偏微分方程转化成积分方程，再使积分方程中的域内点趋向边界，建立 边界积分方程，利用边界单元建立线性方程求解。该类方法最大的优点就是降低了求解 大连理工大学硕士学位论文 问题的维数。但因为该类方法在求解域内有多种介质且力学性能不同，处理相对比较麻 烦，因此将其单独用于岩体地下洞室地震反应分析的例子比较少见。 ( 5 ) 非连续变形分析、数值流形和无单元法 相对有限差分法、有限单元法、拉格朗日元法、离散单元法和边界元法这些较为成 熟的传统方法而言，非连续变形分析、数值流形和无单元法应当属于较新的数值模拟方 法。其中非连续变形分析法和数值流形是美籍华人石根华博士在2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代提出的1 2 5 1 。非连续变形分析法也是用来分析非连续节理岩体的数值方法，其采用类 似前面提到的离散单元法的离散块体组合模式，但其求解运动方程时则采用与有限元类 似的基于整体能量原理，形成整体矩阵的隐式方法求解，因此其具有完全一阶位移近似， 严格满足平衡要求。完全的运动学及其数值可靠性的特点，相对离散元而言，其收敛性 更容易保证。石根华博士在提出非连续变形分析之后，基于数值流形的概念，利用有限 覆盖技术把连续和非连续变形的计算统一到数值流形中，并指出非连续变形分析法和有 限单元法是数值流形的两个特例。该方法采用有限覆盖技术，采用数学覆盖和物理覆盖 系统形成流形元，将连续和非连续问题结合起来求解，其采用和有限元相同的最小势能 原理形成线性方程组然后求解。该方法在保障物理覆盖变化的同时数学覆盖可以保持不 变，这个特点在模拟裂纹扩展时具有独特的优势。随着无单元伽辽金法的提出【2 6 ，无单 元法的研究于上世纪9 0 年代中后期开始成为国内外力学界和工程界的研究热点1 2 7 , 2 8 j 。 这一类方法的原始思想来源于散点插值，由于形函数构成方法的不同和弱积分近似实现 形式的不同导致这一类方法种类繁多，但其共同特点是无须确定求解域内离散节点的拓 扑关系，而是直接根据周边一个以某点为中心的紧支域内点集与该点的相对位置关系来 构造该点的形函数，即形函数的构成无须单元的存在，根据势能最小原理形成线性方程 组。正因为该方法形函数构成中摒弃了以往数值方法中的单元概念，使得其在解的高阶 导数的连续性、奇异性问题、剪切闭锁的处理和裂纹扩展等方面具有以往数值模拟方法 所没有的优势，在岩体结构这一断续结构体系从完好到损伤出现直至裂缝贯通破坏的过 程模拟方面具有乐观的应用前景。其在岩体地下工程地震反应分析中的应用还刚起步， 存在许多值得探讨的地方。 ( 6 ) 耦合方法 为了更好地模拟岩体地下洞室地震反应，除此之外，还可根据岩体地下洞室动力反 应的特点和各种方法的优点将两种以上的方法进行耦合应用。其中d o w d m g 等( 1 9 7 8 ) 用 有限元与刚体离散单元耦合方法分析节理岩体中洞室的暂态反应，在靠近洞室周围的相 对松散节理发育的区域内采用离散单元，在远离洞室的较为完整区域采用有限元将其视 为连续介质，采用显式时间积分方法进行求解。金峰等1 2 卅( 2 0 0 1 ) 用二维可变形离散单元 水工地下厂房岩体隧洞地震反应的初步分析 法和边界元耦合模型对溪洛渡地下厂房洞室群的静、动力反应进行了分析，用离散元模 拟洞室围岩，用边界元进行动力边界处理，模拟辐射阻尼效应。 1 6 本文主要分析方法与研究内容 1 。6 。1 本文主要分析方法 未来地下结构设计的一个重要发展趋势，是更强调系统的整体性和考虑岩土环境的 作用。传统的分析方法己难于对这样的复杂体系的抗震问题给出满意的解答，只有根据 土与结构物共同作用的原理，把土和结构作为相互作用又相互制约的整体进行分析，才 能得到比较合理的结果。因此，在对地下洞室进行地震反应分析时，有必要将围岩地下 结构体系作为相互作用的整体来研究。整体方法( 即直接法) 就是将岩土与结构作为一 个完整的系统进行分析，这种方法可以同时得到围岩的反应和结构的反应。时域直接动 力分析( 时程分析，t i m eh i s t o r ym e t h o d ) 方法属于整体分析方法，时程分析法直接从运 动微分方程出发，用数值方法逐步积分，可以获得结构在整个地震作用中的运动状态变 化情况。从上世纪7 0 年代至今，有限元应用在岩土介质地下结构的动力反应分析方面 取得很多有价值的成果，由于有限元法比较灵活方便，便于处理不规则的场问题，它已 被公认为是解决不同科学领域众多复杂工程问题的一种有效数值方法。a n s y s 计算软 件有强大的动力计算功能，其中的瞬态动力分析( 时程分析) 用于确定承受任意随时间 变化荷载的结构动力学响应。本文即是采用动力有限元方法，利用a n s y s 软件对水工 地下厂房隧洞的抗震问题进行了分析研究。 1 6 2 本文的研究内容 鉴于目前对水工地下隧洞抗震问题的研究还相对较少，本文以围岩结构动力相互 作用为核心理论，以动力有限元方法为分析手段，对水工地下厂房隧洞的抗震问题作了 初步的研究