西部地区是地震高发地区，地下结构的抗震等级要相对高一些，这对隧道的施工质量提出了更高的要求，如果隧道存在施工质量缺陷，在地震时将是致命的。故对高烈度地区存在施工质量缺陷的隧道开展动力分析和加固处理非常有必要。

虽然已有不少人研究了隧道结构存在质量缺陷的动力特性，也取得了显著成果，但很大一部分是对隧道结构存在空洞的研究，而对于存在的其他情形研究很少。

有限元模型及参数

界上施加简单边界。采用瑞利线性组合阻尼，认为阻尼矩阵为刚度矩阵和质量矩阵的线性组合。

地震波的选用

地震波的选取需要考虑三个方面，强度、频谱特性和持时。强度即地震波的加速度峰值，本文按8级烈度输入地震波。频谱特性应选取与建设场地相适应的，鉴于资料

有限元模型

以某高速公路的一座分离式隧道为例，研究隧道存在质量缺陷的地震响应，并对存在的质量缺陷情形提出加固处理方案。支护结构计算参数如表1所示。

模型上下左右边界各取5D（洞径）。考虑到锚杆只要起悬吊作用，承受拉应力，故模型中选用link1模拟锚杆。选用beam3模拟衬砌，初支和围岩主要起承重作用，故初支与围岩选用plane182模拟。

本文主要考虑竖向地震波的作用，故在有限元模型边有限，本文选用EI-centro波，并未考虑其场地修正。持时即地震动持续时间，一般选取加速度峰值出现之后的时间，故本文选取地震波的前10s。

计算工况

考虑两空洞径向长度变化的影响，于是分别设置空洞径向长度为无空洞、1m、1.5m、2.0m，4种情况对比分析。

考虑两空洞环向间距变化的影响，于是分别设置两空洞环向间距为无空洞、90、180、270，4种情况对比分析。

考虑初期支护厚度变化的影响，于是分别设置初期支护厚度为10cm、15cm、20cm、25cm，4种情况对比分析。

考虑初期支护强度变化的影响，于是分别设置初期支护强度为C10、C15、C202，3种情况形对比分析。

考虑锚杆长度变化的影响，于是分别设置锚杆长度为2.0m、2.5m、3.0m、4.0m，4种情况对比分析。

考虑到动力计算结果数据较多，且初期支护为主要承力结构，故在初期支护结构典型部位上设置监测点。

表1 围岩与支护结构计算参数表

图1 EI-Centro波加速度时程曲线

动力计算结果及加固处理

动力计算结果

两空洞环向距离变化的动力反应。随着两空洞环向间距的减少，隧道结构的应力发生急剧增长，且应力增长较大的点均在空洞附近，如拱顶和右拱肩监测点。原因是失去了约束支护结构变形的围岩，或者围岩较破碎对支护结构的约束作用很小，故而地震动荷载作用下，空洞及其附近支护结构能够产生较大变形，造成空洞及其附近应力增长较大。

初期支护厚度不足的动力反应。如表3所示，支护结构厚度减小，最大主应力峰值响应明显增大，说明支护结构厚度的整体减小对隧道的动力反应影响较大。最大主应力峰值增幅最大的是右拱肩，相比于初期支护厚度为25cm时增幅55.24%。

图2 两空洞环向间距和径向大小示意图

表2 环向间距不同时监测点的最大主应力峰值

表3 初期支护厚度不足的最大主应力峰值

表4 锚杆长度不足时监测点的最大主应力峰值

图3 四种方案比较

表5 初期支护强度不足监测点的最大主应力峰值

锚杆长度不足的动力反应。地震荷载作用下，随着锚杆长度减小，除拱底监测点外，其余各监测点的最大主应力峰值都有不同幅度的增长，其中增幅最大的是右拱肩监测点，为24.22%。

锚杆长度减小，右拱肩监测点处有较大的拉应力，而拉应力的出现对混凝土结构是不利的，尤其在有地震作用时这种不利则会加剧。

初期支护强度变化的动力反应。随着初期支护强度的降低，最大主应力峰值增大最大的两个监测点为左拱腰监测点和右拱腰监测点，其余各监测点随着支护强度的降低，最大主应力峰值相差越来越小。

加固处理方案比较

选取依据山岭隧道常用的加固方法，选取4种方案处理隧道的初期支护厚度不足，并动力分析处理后的隧道结构，与未做任何处理的情况做比较，各方案的模型图如图3所示。

方案1对隧道初期支护厚度不足不进行处理；方案2提高隧道周边围岩的物理力学参数，即注浆加固围岩；方案3在隧道支护结构外施作20cm厚的内衬；方案4先对隧道周边围岩进行注浆加固，而后在支护结构外施作内衬。

加速度响应。采取方案2、方案4处理隧道初期支护厚度不足，隧道各监测点的加速度峰值明显降低，尤其以方案4下降最为明显。具体来说方案2较方案1加速度峰值最大减幅为11.64%；方案3较方案1加速度峰值最大减幅为8.17%；方案4较方案1加速度峰值最大减幅为25.42%，都以拱顶监测点的减幅最大。

对隧道周边围岩注浆和在支护结构加内衬加速度峰值减幅很大，说明方案4能提高隧道的抗震性能，但仅仅从削减加速度峰值幅度上来说，方案2尤其具有独特的优势。

最大主应力响应。采取4种方案处理隧道初期支护厚度不足，隧道最大主应力峰值明显减小，其中方案4减小最多。具体来说，方案2较方案1最大主应力峰值减幅最大为28.96%；方案3较方案1最大主应力峰值最大减幅为32.56%；方案4较方案1最大主应力峰值最大减幅为37.81%，且均以左拱肩监测点的减幅最大。

从最大主应力的减幅上来看，方案3的处理效果要优于方案2，因为方案3提高了衬砌的承载能力，在震时可以削弱结构的应力响应。

当两空洞环向间距改变时，空洞区和两空洞之间区域的最大主应力峰值最大，是隧道在地震时的最危险区域。

初期支护厚度和强度的减小，使得隧道动力反应越明显，支护结构的最大主应力峰值越大。锚杆长度的变化，对隧道的动力响应有一定的影响。

采用注浆再内衬的加固方案不仅可以加固周边围岩，降低加速度峰值和最大主应力峰值，而且可以提高隧道的承载能力，保证隧道的动力稳定性，是一种较为理想的加固措施。