Study on Seismic Response and Damage Characteristics of Karst Shield Tunnels under Oblique Incidence of SV/P Waves

LI Mingda; LANG Qiuling; LI Yanpeng; ZHANG Yichen; MENG Kang; ZHOU Jing

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240221001

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Study on Seismic Response and Damage Characteristics of Karst Shield Tunnels under Oblique Incidence of SV/P Waves

更新时间：2025-08-27

- Study on Seismic Response and Damage Characteristics of Karst Shield Tunnels under Oblique Incidence of SV/P Waves
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 4, Pages: 796-806(2025)
- 作者机构：
  
  1.长春工程学院吉林应急管理学院，吉林长春 130012
  2.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024
  3.长春工程学院水利工程学院，吉林长春 130012
  4.西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240221001
  CLC： TU354
- Received：21 February 2024，
  
  Revised：2024-06-28，
  
  Published：28 August 2025
- 稿件说明：
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李明达,郎秋玲,李艳朋等.SV/P波斜入射下岩溶盾构隧道的地震响应和损伤研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):796-806.

LI Mingda,LANG Qiuling,LI Yanpeng,et al.Study on Seismic Response and Damage Characteristics of Karst Shield Tunnels under Oblique Incidence of SV/P Waves[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):796-806.
李明达,郎秋玲,李艳朋等.SV/P波斜入射下岩溶盾构隧道的地震响应和损伤研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):796-806. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240221001.

LI Mingda,LANG Qiuling,LI Yanpeng,et al.Study on Seismic Response and Damage Characteristics of Karst Shield Tunnels under Oblique Incidence of SV/P Waves[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):796-806. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240221001.

摘要

为研究侧部岩溶空洞位于地震波传播路径隧道后方时，SV波、P波斜入射对隧道结构动力响应及损伤特征的影响。基于有限元软件实现了黏弹性人工边界和任意角度地震动的波动输入，并验证其准确性。分析了SV波、P波不同角度地震波入射下，隧道结构的变形和应力分布特征，基于拉伸损伤因子与混凝土裂缝宽度的对应关系，提出了3种损伤状态，并比较了结构损伤演化过程和损伤特征。结果表明：随着入射角度的增大，结构变形和应力均增大，应力空间分布差异明显，且侧部岩溶空洞对近洞侧结构拉应力具有减弱效应。当SV波30°入射时，拱顶和拱底的拉应力是P波的1.96倍和3.07倍。当SV波30°，P波60°入射时，拱顶和拱底外表面均出现宽度大于0.2 mm的轴向裂缝。随着地震动持续作用，隧道损伤逐渐加重，最终在拱底出现局部损伤集中。侧部溶洞在一定程度上起到了消能减振的作用，但也加剧了结构的局部破坏。

Abstract

This study aims to investigate the influence of oblique incidence of SV and P waves on the dynamic response and damage characteristics of tunnel structures when a lateral karst cave is located behind the tunnel along the seismic wave propagation path. The viscous-spring artificial boundary and seismic wave input at arbitrary angles were implemented using finite element software

and their accuracy was verified. The deformation and stress distribution characteristics of the tunnel structure at different incidence angles of SV and P waves were analyzed. Based on the relationship between the tensile damage factor and concrete crack width

three damage states were proposed

and the structural damage evolution process and damage characteristics were compared. The results showed that as the incidence angle increased

both the structural deformation and stress increased

with significant spatial differences in stress distribution. Additionally

the lateral karst cave had a mitigating effect on the tensile stress of the structure near the cave. When the incidence angle of the SV wave was 30°

the tensile stress at the vault and bottom was 1.96 times and 3.07 times that of the P wave

respectively. When the incidence angle of the SV wave was at 30° and the P wave 60°

axial cracks with a width greater than 0.2 mm appeared on the outer surfaces of the vault and bottom. As the seismic waves continued

the tunnel's damage gradually worsened

with localized damage eventually concentrated at the bottom. The lateral karst cave contributes to energy dissipation and vibration reduction to some extent

but it also exacerbates localized structural damage.

关键词

Keywords

references

Konagai K ， Takatsu S ， Kanai T ， et al . Kizawa tunnel cracked on 23 October 2004 Mid‑Niigata earthquake： An example of earthquake‑induced damage to tunnels in active‑folding zones ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2009 ， 29 ： 394 ‑ 403 .

Wang Z ， Gao B ， Jiang Y ， et al . Investigation and assessment on mountain tunnels and geotechnical damage after the Wenchuan earthquake ［J］. Science in China Series E： Technological Sciences ， 2009 ， 52 ： 546 ‑ 558 .

Schneider A ， Lavdas N . Albula tunnel II： Concept for tunneling in karst-like cellular dolomite， underground—the Way to the Future ［C］∥ Proceedings of the World Tunnel Congress ， WTC.Geneva ， Switzerland ：［s.n.］， 2013 ： 1027 ‑ 1034 .

Song K ， Cho G ， Chang S . Identification， remediation， and analysis of karst sinkholes in the longest railroad tunnel in South Korea ［J］. Engineering Geology ， 2012 ， 135 ： 92 ‑ 105 .

Fan H ， Zhang Y ， He S ， et al . Hazards and treatment of karst tunneling in Qinling‑Daba mountainous area： overview and lessons learnt from Yichang-Wanzhou railway system ［J］. Environmental Earth Sciences ， 2018 ， 77 （ 679 ）： 1 ‑ 16 .

Wang X ， Wang S ， Peng X ， et al . Equivalent numerical simulation method and application in karst‑induced collapse of overlying sandy stratum ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2022 ， 137 ： 106280 .

Wang X ， Lai J ， He S ， et al . Karst geology and mitigation measures for hazards during metro system construction in Wuhan， China ［J］. Natural Hazards ， 2020 ， 103 （ 3 ）： 2905 ‑ 2927 .

Cui Q ， Wu H ， Shen S ， et al . Chinese karst geology and measures to prevent geohazards during shield tunnelling in karst region with caves ［J］. Natural Hazards ， 2015 ， 77 （ 1 ）： 129 ‑ 152 .

陈之毅，郭远鹏 . 断层错动和地震动共同作用下跨断层隧道的损伤分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 132 ‑ 137 .

Chen Z Y ， Guo Y P . Analysis of cross fault tunnel damage under combined action of fault dislocation and ground motion ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 132 ‑ 137 . （in Chinese）

史新伟，冯新，范哲 . 逆断层作用下复合衬砌输水隧洞损伤演化分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1132 ‑ 1140 .

Shi X W ， Feng X ， Fan Z . Damage evolution analysis of composite lining convey tunnel under reverse fault ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1132 ‑ 1140 . （in Chinese）

臧万军，贾晨浩，张国军，等 . 埋深对岩溶隧道地震动力响应影响分析［J］. 大连理工大学学报， 2020 ， 60 （ 1 ）： 36 ‑ 45 .

Zang W J ， Jia C H ， Zhang G J ， et al . Analysis of influence of buried depth on seismic dynamic response of karst tunnel ［J］. Journal of Dalian University of Technology ， 2020 ， 60 （ 1 ）： 36 ‑ 45 . （in Chinese）

何聪 . 穿越岩溶区隧道地震响应特性及减震措施研究［D］. 重庆：重庆交通大学， 2018 .

He C . Study on seismic response characteristics and shock absorption measures of tunnels crossing karst area ［D］. Chongqing ： Chongqing Jiaotong University ， 2018 . （in Chinese）

李明达，张昱，周晶 . 岩溶位置及组合效应对隧道的地震响应分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2022 ， 42 （ 3 ）： 472 ‑ 479 .

Li M D ， Zhang Y ， Zhou J . Seismic response analysis of tunnel under karst cave locations and combinatorial effect ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2022 ， 42 （ 3 ）： 472 ‑ 479 . （in Chinese）

朱雯婷 . 考虑溶洞随机分布影响的盾构隧道及周围土层地震响应研究［D］. 广州：华南理工大学， 2020 .

Zhu W T . Study on seismic response of shield tunnel and surrounding soil layer considering the random distribution of karst cave ［D］. Guangzhou ： South China University of Technology ， 2020 . （in Chinese）

Yan L ， Haider A ， Li P ， et al . A numerical study on the transverse seismic response of lined circular tunnels under obliquely incident asynchronous P and SV waves ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology ， 2020 ， 97 ： 1 ‑ 14 .

周双喜，叶国涛，张季 . SV波斜入射时双线并行地铁隧道横截面地震响应分析［J］. 地震工程与工程振动， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1 ‑ 12 .

Zhou S X ， Ye G T ， Zhang J . Transverse seismic response analysis of twin parallel metro tunnels subjected to obliquely incident SV wave ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamic ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1 ‑ 12 . （in Chinese）

Sun B ， Deng M ， Zhang S ， et al . Inelastic dynamic analysis and damage assessment of a hydraulic arched tunnel under near‑fault SV waves with arbitrary incoming angles ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology ， 2020 ， 104 ： 1 ‑ 18 .

张波，李术才，杨学英，等 . 三维黏弹性人工边界地震波动输入方法研究［J］. 岩土力学， 2009 ， 30 （ 3 ）： 774 ‑ 778 .

Zhang B ， Li S C ， Yang X Y ， et al . Research on seismic wave input with three‑ dimensional viscoelastic artificial boundary ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2009 ， 30 （ 3 ）： 774 ‑ 778 . （in Chinese）

廖振鹏，刘晶波 . 离散网格中的弹性波动（Ⅰ）［J］. 地震工程与工程振动， 1986 ， 6 （ 2 ）： 1 ‑ 16 .

Liao Z P ， Liu J B . Elastic wave motion in discrete grids（Ⅰ）［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 1986 ， 6 （ 2 ）： 1 ‑ 16 . （in Chinese）

化建新，郑建国 . 工程地质手册（第五版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2018 .

张季，谭灿星，叶国涛，等 . SV波超临界角斜入射时层状地基地震动输入在ABAQUS中的实现［J］. 工程力学， 2021 ， 38 （ 4 ）： 200 ‑ 210 .

Zhang J ， Tan C X ， Ye G T ， et al . Realization of ground motion input in ABAQUS for layered foundation under SV wave of oblique incidence over critical angle ［J］. Engineering Mechanics ， 2021 ， 38 （ 4 ）： 200 ‑ 210 . （in Chinese）

封坤，何川，夏松林 . 大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究［J］. 岩土工程学报， 2011 ， 33 （ 11 ）： 1750 ‑ 1758 .

Feng K ， He C ， Xia S L . Prototype tests on effective bending rigidity ratios of segmental lining structure for shield tunnel with large cross‑section ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2011 ， 33 （ 11 ）： 1750 ‑ 1758 . （in Chinese）

日本土木学会 . 盾构隧道管片设计：从容许应力设计法到极限状态设计法［M］. 官林星，译. 北京：中国建筑工业出版社， 2011 .

刘铁雄 . 岩溶顶板与桩基作用机理分析与模拟试验研究［D］. 长沙：中南大学， 2003 .

Liu T X . Mechanism analysis and simulation test of karst roof and pile foundation ［D］. Changsha ： Central South University ， 2003 .

建筑抗震设计规范： GB 50011—2010 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2010 .

Chen G ， Teng J ， Chen J . Finite‑element modeling of intermediate crack debonding in FRP‑plated RC beams ［J］. Journal of Composites for Construction ， 2011 ， 15 （ 3 ）： 339 ‑ 353 .

地铁设计规范： GB 50157—2013 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2013 .

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