赵冰冰
天津市政工程设计研究总院有限公司 天津 300051
摘 要：我国是一个地震频发的国家，全国60%以上的地区基本地震烈度在6度以上。在发展建设的过程中，大量的隧道工程位于高烈度地震区，在地震发生时遭受到不同程度的损害。本文基于工程实践，通过资料调研、理论分析和数值模拟等手段对隧道地震响应特征进行研究，并对隧道抗减震技术进行总结分析。
关键词：隧道；地震；动力响应；抗减震
我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾板块的挤压，地震断裂带发育成熟。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除浙江省和香港特别行政区以外的所有省、自治区、直辖市和特别行政区，是世界上最大的大陆浅源强震活动区。中国地震活动具有活动频度高、强度大、震源浅、分布广的特点。新中国成立以来，先后有100多次破坏性地震袭击了多个省（自治区、直辖市），造成36万余人丧生，地震成灾面积达30多万平方公里，大量的基础设施遭到破坏，严重的地震灾害一直是中国的基本国情之一。
地下隧道结构已广泛应用于能源、交通、通信、城市建设和国防工程等领域。尽管地下结构由于受到围岩的强约束作用，其抗震性能优于地面结构，但历次大地震中均有隧道等地下工程遭到严重破坏的实例，且地下结构一旦遭受震害，其修复难度较大，严重影响工程的安全运行及震后的抢险救灾等。为此，对隧道结构的动力响应特征及抗减震技术进行分析研究尤其关键。
一、隧道地震响应特征分析
（一）隧道结构振动对地层振动具有依赖性和追随性
一般而言，地下结构的视比重（包括结构物和内净空断面的平均比重）比周围土体小得多，例如：盾构隧道的视比重约为1200 kg/m3，周围土体比重约为1600~1700 kg/m3；因此其自身受惯性力影响较小，周围岩土介质对隧道结构具有约束作用，导致其振动衰减速度快。观察发现隧道的地震响应由地层的地震响应决定而并非由其自身的惯性力决定，衬砌在地震作用下产生的应力增量主要由地层的相对位移引起。隧道结构的加速度振幅与围岩是基本一致的，当加速度或速度达到一定量值时，结构会发生破坏。
（二）地层中是否存在隧道对地层本身地震响应影响很小
通过盾构隧道振动台试验和动力响应分析，大量研究表明地层中是否存在隧道对地层本身地震响应影响很小，而衬砌结构的地震响应则很大程度上取决于地层响应；同时，地层加速度与衬砌结构应变时程曲线的吻合程度低于地层相对位移与衬砌结构应变时程曲线的吻合程度，印证了隧道结构振动对地层振动具有追随性的结论。
二、盾构隧道抗减震技术
目前主要通过三种途径进行隧道抗减震设计，一是通过注浆等地层加固手段，提高周围地层抗变形能力；二是通过调整结构参数降低结构刚度，增强结构变形能力，如管片间采用柔性接头连接；三是通过施加隔震层，将衬砌和地层隔开，使地层变形无法直接作用于衬砌上，从而减轻地震荷载作用下隧道的动力响应。下面对隧道结构抗减震技术的相关工程应用展开论述。
（一）改变地下结构的性能
该类方法主要是改变隧道衬砌或围岩的阻尼、刚度、质量、强度等设计参数来减轻隧道的动力响应，主要有以下几种可能的途径：
1.减轻衬砌质量
采用强度低、质量轻的轻骨料混凝土，如钢纤维陶粒混凝土、陶粒混凝土等，来减轻衬砌质量，从而减轻隧道的动力响应。
2.增加衬砌材料强度和阻尼
采用聚合物混凝土或钢纤维混凝土，提高混凝土的弹性、阻尼、延性及韧性，使隧道结构能够吸收或耗散地震能量，达到减轻隧道动力响应的目的。另外，可以在衬砌内部添加大阻尼材料或者在接头位置设置减震装置，以使隧道结构成为大阻尼复合体系起到耗能减震的作用，从而避免结构发生严重损坏。
3.调整衬砌结构刚度
通过控制衬砌结构的刚度将其做成“柔性结构”、“刚性结构”或者“延性结构”。采用柔性结构能够有效减小地震的附加荷载，但会使得结构变形增加，使得结构刚度不足甚至与甚至影响其正常的功能。采用刚性结构可以使结构具有更大的抵抗变形能力，但同时会增大衬砌所受的荷载，由此导致材料用量增加，提高工程费用。采用延性结构可以允许部分构件在地震中产生非弹性变形，能够有效减轻隧道动力响应，但是延性结构可能导致构件发生严重损坏甚至难以修复。
4.加固围岩
这种方法主要目的是加强围岩的整体性，提高其自稳能力，可以通过设置锚杆或在一定范围内注浆等措施达到。
（二）设置减震装置
由于隧道结构被岩土体所包围，其受力状态与地面结构有明显不同，隧道变形对地层变形有依赖性及追随性。因此，隧道结构的抗减震方法也地面结构有所不同。隔震技术作为近年发展起来的新型减震方法，在地面结构抗震工程中获得了实际应用并取得了良好的效果。地面结构的隔震主要是通过采用特殊的措施来隔离地基与上部结构，由设置的耗能装置或隔震支座耗散吸收地震能量，从而减轻地震荷载对上部结构产生的影响。
结束语:
综上所述，隧道等地下结构在地震作用下，由于周围岩土介质的存在，会发生不同于地面结构的动力响应，地面结构具有明显的加速度放大效应，而地下结构与附近地层的加速度相对接近，隧道结构在地震作用下产生的应力增量主要由地层的相对位移引起。工程实践中，应依据隧道的地震响应特征，结合工程场地条件等实际采取合理的抗减震措施，避免隧道在地震发生时遭受严重损害。
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