1 研究背景

海底隧道具有较高的经济效益和社会效益，并且兼具军事战略意义等优点。海底隧道地质环境复杂，尤其是在海底软弱渗流岩层中建设隧道，必须要考虑海水渗流和地震的联合作用对隧道衬砌结构安全性和稳定性产生的影响。本文对多场耦合作用下的隧道衬砌结构动力响应进行计算分析，旨在更真实地模拟隧道结构所处的真实生存环境，对评价隧道结构安全具有重要的现实意义。

目前，国内外对地震作用对海底隧道的影响的研究越来越多。李术才等［1］对国内外海底隧道衬砌结构型式及对应的支护参数进行了调查和探讨，并利用有限元法具体地对某一海底隧道进行了安全系数计算，并以此为基础，对隧道衬砌结构进行了优化选型，但并未考虑动水压力和动力荷载作用。梁巍［2］在《海底隧道衬砌结构设计》一文中利用ANSYS有限元软件，根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算，以得出结构受力最为经济合理的断面形式，并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。赵克余［3］对断层作用下跨断层海底隧道的破坏形式和失效模式进行分析和总结，提出了海底隧道在断层作用下安全性能评价指标和评价标准；并在此基础上，完成了不同断层作用下的响应分析、破坏过程以及衬砌结构的安全评价。刘智勇［4］通过室内动力三轴试验、共振柱试验获得了场地实际材料参数指标，在此基础上研究了隧道浅层砂质粉土层的液化性能，并进一步计算和分析了隧道衬砌结构的动力响应内力分布，找出了最大内力的位置。李鹏飞等［5-6］研究了不良地质段海底隧道的透水机制、隧道围岩的失稳模式及地层加固技术，并对海底隧道衬砌结构的安全设计及施工安全评价作了比较详细的阐述。王建新等［7-8］利用围岩强度折减法，对比了不同级别不同类型围岩的安全系数，分析了破碎带围岩内渗水作用和围岩失稳对衬砌结构安全性的影响，计算了不同倾角的破碎带围岩安全系数。Tsuji［9］介绍了日本青函海底隧道的建设问题，并详细描述了为防止隧道透水所采取的成功的措施。Jun［10］等通过计算分析得出围岩的孔隙水压力随围岩渗透率的变化而变化，考虑围岩内的渗流作用，围岩整体强度降低，塑性区相对扩展的结论。

本文以海底断裂破碎带的隧道为研究对象，利用有限元软件ADINA模拟分析了在地震作用下，海底隧道衬砌结构的应力分布和动力响应，进一步分析了地震作用下海底隧道衬砌结构的选材条件，并作了安全性评价。

2 有限元法的基本原理

2.1 ADINA动力有限元分析的基本求解方法

利用ADINA进行动力有限元分析时主要采用隐式时间积分法（Implicit Time Integration）。对任意构形的瞬态分析，求解域内自由度相关基本运动方程：

式（1）中，[K]为刚度矩阵；[C]为阻尼矩阵；[M]为质量矩阵；{u}为单元节点位移向量；{u˙}为单元节点速度向量；{u¨}为单元节点加速度向量；t为时间增量，在任意时刻t，基本运动方程均应达到平衡状态。

2.2 边界条件

考虑海水在岩体内渗流，围岩为赋水岩体，利用有限元法进行动力计算分析时，模型边界条件考虑节点位移和节点孔隙水压力等两类边界条件。

2.2.1 位移边界条件。参照刘晶波［11］等在《一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元》一文中的理论，本文选用粘弹性人工边界，二维一致粘弹性边界基本参数为：

式（2）中，KBN、KBT分别为法向和切向弹簧刚度；CBN、CBT分别为法向与切向阻尼器的阻尼系数；G为介质剪切模量；R为波源至人工边界点的距离；ρ为介质密度；αN、αT分别为法向与切向粘弹性边界修订系数，通常取αN=0.8～1.2，αT=0.35～0.65，本文中取αN=1.0，αT=0.5；cp、cs分别为介质的P波与S波波速，其计算公式如下：

式（4）和式（5）中，E、υ分别为介质的弹性模量和泊松比；λ、μ分别为拉梅第一、第二参数，计算公式为：

2.2.2 赋水岩土中孔隙水压力的边界条件。本文将多孔介质围岩中孔隙水压力的边界条件简化为完全透水边界条件。在ADINA中设置完全透水边界，比较真实地还原了实际情况，不会影响最终计算结果。

3 计算模型

3.1 计算参数

本文选用衬砌混凝土的本构模型为线弹性本构模型；围岩的本构关系为Mohr-Coulomb材料模型，取海水密度为1.025×103kg/m3，隧道分析的基本材料参数如表1和表2所示。