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浅埋马蹄形隧道在P和SV波作用下的动响应分析

摘要

随着城市化的快速发展和运输需求的日益增长，地下隧道在现代基础建设中发挥着

不可或缺的作用。马蹄形隧道凭借独特的结构设计，具有较大的空间使用性、更好的结

构稳定性和突出的地质适应性，成为了交通、水利、能源系统中的重要组成部分。我国

作为地震多发国家，对地下建筑结构特别是隧道的建设构成了巨大的挑战。在地震发生

时，隧道的稳定性和安全性是保障人员安全和运输畅通的关键。因此，研究马蹄形隧道

的抗震性能，对于提高其抗震设计水平、确保人员安全和运输的持续运行至关重要。

体波是影响地下结构安全的主要因素之一。目前，马蹄形隧道在体波作用下的研究

SHPSV

主要聚焦于波，而对波和波的影响研究相对较少。为深入了解马蹄形隧道的

抗震性能，并考虑马蹄形隧道结构参数与结果所处环境的不同，对浅埋马蹄形隧道在P

SV

和波作用下的动响应分析进行研究，为马蹄形隧道的抗震设计提供一套全新的理论

方法。

PSV

全文的主要内容是在波和波垂直入射下浅埋马蹄形隧道的动响应分析。当稳

PSV

态波和波入射时经过土石层，会对马蹄形隧道造成破坏。在半解析解研究的过程

“”

中首先利用了分区契合法，将马蹄形隧道模型分为圆孔形散射和扁圆空腔散射两个区

“”

域。其次对于马蹄形隧道的地震动响应分析，采用大圆弧近似方法来处理其水平直界

面问题并保留水平边界。通过应用上述方法推导在复平面下的入射波、反射波和散射波

PSV

的波场公式构建线性方程组，对浅埋马蹄形隧道对波和波的散射问题进行求解。

PSV

在数值算例中本文给出了在不同入射频率下稳态波和波垂直入射时，马蹄形

隧道埋深、隧道上下圆弧圆心的距离以及不同场地环境对马蹄形隧道动应力集中的影

PSV

响。马蹄形隧道在波和波作用下，上圆弧动应力集中现象在低频和中频入射时会

随着深度增加存在变化，在高频时动应力集中现象不明显；在三种频率下圆弧动应力集

中都会有明显的放大作用。对于不同上下圆心距离研究中，马蹄形上圆弧动应力集中不

会随着圆心间距的增加有较大的变化；但在下圆弧中出现了明显的增加趋势。随着土石

层材料的变化也会引起动应力集中现象的改变。上述结论为浅埋马蹄形隧道在地震影响

下的损伤识别过程及其抗震特性提供了重要的参考依据。

PSV

关键词：波；波；马蹄形隧道；波函数展开法；动应力集中；

I

浅埋马蹄形隧道在P和SV波作用下的动响应分析

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofurbanizationandtheincreasingdemandfortransportation,

undergroundtunnelshavebecomeindispensableinmoderninfrastructure.Theunique

structuraldesignofhorseshoe-shapedtunnelsprovidesgreaterspatialutilization,enhanced

structuralstability,andexceptionalgeologicaladaptability,makingthemcrucialcomponents

intransport