近日，我院博士后王琦（合作导师：沈火明教授）在隧道抗震理论分析方面取得重要进展，相关研究以“Mathematical modelling for seismic affected zoning of tunnel cavity section under SH wave incidence and shaking table verification”为题，发表在国际知名期刊《Applied Mathematical Modelling》。西南交通大学王琦博士后为第一作者，沈火明教授和耿萍教授为共同通讯作者，论文详细信息见图1，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apm.2024.115811
图 1 .论文首页
研究背景
隧道是现代交通基础设施的关键组成部分，隧道洞口段由于埋深较浅、围岩条件较差、仰坡天然存在临空面等特点，受地震惯性作用明显，致使其在地震中往往承受比隧道洞身部位更大的震动作用。地震波在洞口区域的放大效应使其成为地震灾害中最易受损的部位，常表现为衬砌开裂、边坡滑塌和落石阻塞洞口等问题。这些损坏不仅严重影响隧道的安全性，更可能导致整个隧道无法正常运行。
研究内容
本研究根据波动力学原理，考虑地震波的反射和衰减效应，采用射线理论推导SH波垂直入射下隧道洞口段位移波场，然后建立弹性地基梁模型，考虑隧道与围岩的相互作用，获得隧道各处的应变封闭解（图2a）。通过参数分析，探讨了仰坡坡角、地震波长、地震频率和弹性地基系数等对隧道动力响应的影响（图2b）。研究指出隧道拱脚与拱肩应变响应较剧烈，是抗震设计的关键部位。隧道洞口段受地震影响的区域可划分为强烈影响区（0~3D，D为隧道洞径）、一般影响区（3~7.5D）和未受影响区（>7.5D），推荐的隧道洞口抗震加固范围为隧道洞径的7.5倍。
图 2 分析流程
为了验证理论模型的正确性，研究团队利用振动台试验模拟地震波作用，通过缩尺模型的环向应变数据与理论计算结果进行对比，验证了模型精度（图2c）。振动台试验验证了理论模型的准确性，不仅证实了拱肩和拱脚的应变集中现象，还指出了地震作用下洞口仰坡的滑塌和衬砌变形的真实破坏模式（图3），为隧道口抗震设计提供了直观依据。此外，研究团队还将本研究与雅典国家技术大学Kouretzis教授等人的研究进行对比。研究计算结果与其接近。不同之处在于，Kouretzis教授等人假设地层位移直接作用在隧道上，而本研究考虑了隧道与围岩的相互作用，使结果更符合实际，避免了高估隧道洞口响应的问题（图2d）。
图3 洞口仰坡及衬砌破坏模式
研究支持
该研究受到了国家自然科学基金（52408443，52130808）、国家资助博士后研究人员计划（GZB20230614）和中央高校基本科研业务费（2682024CX090）的联合支持。
