含空洞地层隧道动力响应解析解

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律，建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础，采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换，给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型，通过对比分析解析解与数值解计算结果，验证该解析解的合理性，且具有较高的精度。应用该解析解计算方法，依据正交试验设计理论，考虑隧道埋深、空洞与隧道中心距、空洞半径和地震波入射角共4种影响因素，采用极差分析和方差分析方法，得到各因素对隧道位移影响的敏感性。研究结果表明：相同工况下解析解以及数值解得到的位移时程曲线变化规律基本相似，解析解位移幅值峰值与数值解位移幅值峰值相差9%左右；地震波入射角对隧道竖向位移起控制作用，为显著性影响因素；增加隧道埋深和减小空洞与隧道中心之间距离会导致隧道拱顶位移值增大；在动力荷载作用下，当空洞直径达到0.3倍的隧道跨度时，空洞能够对隧道起到减震消能作用。