《Engineering Structures》：Transient response and progressive failure mechanisms of circular lined tunnels subjected to actual plane P-wave seismic excitation
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•开发了一种用于衬砌隧道地震分析的半解析方法，并通过LS-DYNA仿真进行了验证。•分析了实际地震荷载下衬砌参数影响条件下的瞬态应力和速度响应。•研究了随地震强度增加衬砌隧道的渐进失效机理。•考察了不同初始应力场对隧道失效的影响，为地震设计提供了见解。引言随着全球深部资源与地
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开发了一种用于衬砌隧道地震分析的半解析方法，并通过LS-DYNA仿真进行了验证。
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分析了实际地震荷载下衬砌参数影响条件下的瞬态应力和速度响应。
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研究了随地震强度增加衬砌隧道的渐进失效机理。
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考察了不同初始应力场对隧道失效的影响，为地震设计提供了见解。
引言
随着全球深部资源与地下空间开发不断升级，如深部采矿和运输隧道，地下工程日益面临复杂的地质环境[1]、[2]、[3]。这些深埋结构不可避免地承受初始应力与动力扰动的耦合作用，如地震和爆破[4]、[5]、[6]。这一问题的严重性体现在大地震后观测到的大量隧道损伤[7]、[8]。因此，获得对实际地震激励下深埋结构瞬态响应和失效机理的基本理解仍然是一个关键的科学问题。
数十年来，应力波理论为地下结构的动力分析提供了理论基础。波函数展开法常用于圆形或椭圆形腔体的应力波散射问题[9]、[10]、[11]、[12]。此外，复变函数法已被用于解决马蹄形隧道等非圆形开口的动态应力集中问题[13]、[14]。学者们系统地研究了各种复杂因素的影响，如复合衬砌[15]、不完善界面[16]、[17]，以及复杂地质如层状介质或地形[18]、[19]、[20]。其他半解析技术也已被开发，如Liu等人[21]提出的间接边界积分方程法用于评估孔隙弹性半空间中的波散射，以及Shodja和Goudarzi[22]提出的动态等效包含法用于计算圆形衬砌隧道的动态应力集中系数（DSCF）。然而，这些方法的主要局限性在于其依赖理想化的波形以保持动态输入的解析可处理性，如Ricker子波和半正弦波[23]、[24]、[25]、[26]。这些理想化入射波形提供了数学上的便利并促进了对受控机理的分析，但它们通常以简化的频谱分量、规则的脉冲形状和预定的持续时间为特征。相比之下，实际地震激励通常是非平稳且宽带的，具有多峰振荡和交替的压缩—拉伸阶段。这些复杂特征可能显著影响衬砌及周围岩石中的瞬态应力重分布和渐进损伤累积。因此，理想化脉冲在频谱成分和振荡行为方面与实际强震动记录存在显著差异[27]、[28]，可能无法准确捕捉实际地震荷载下的瞬态响应和失效机理。
数值模拟和物理实验为捕捉复杂应力条件下地下结构的失效特征提供了互补方法[29]、[30]。数值方法可以高保真地模拟各种复杂场景，包括爆破荷载[31]、[32]、非线性介质如含节理岩体[33]，甚至三维非同步地震输入[34]。Li等人[35]利用FLAC3D分析了陇西隧道，确定高地应力和断层带的存在是损伤的主要驱动因素。与此同时，众多学者将实验与模拟相结合，以阐明静-动力耦合荷载下地下结构的损伤进展和失效机理[36]、[37]。Tsinidis等人[38]结合动态离心机试验和数值建模捕捉了矩形埋入式结构的地震响应。尽管这些方法在揭示失效机理方面功能强大，但其计算代价高昂，限制了其在大规模参数研究中的应用。
为弥补这一研究空白，本研究开发了一种将离散傅里叶变换（DFT）与波函数展开法相结合的半解析方法。该半解析方法适用于弹性响应阶段，用于评估实际地震荷载下的应力和速度响应。随后的塑性损伤和失效演化通过扩展的数值模拟进行分析。该方法将稳态谐波解扩展到具有复杂波形的实际地震激励分析，克服了传统方法中理想化波形的局限性。该方法通过LS-DYNA仿真进行了验证，并分析了衬砌参数对瞬态响应的影响。此外，数值建模研究了衬砌隧道的失效机理，重点关注地震强度和初始应力场。结果为新理论见解和深地下结构的地震设计与加固策略奠定了基础。
章节摘要
埃尔森特罗地震波
动力扰动通常由理论激励模型给出，这些模型与实际地震波形存在显著差异，限制了其在地震设计中的适用性。本研究采用埃尔森特罗地震波作为瞬态激励，这是断裂带附近强震动地震仪记录到的第一个大地震。埃尔森特罗波被描述为具有复杂能量释放特征的中规模破坏性事件，广泛应用于结构动力学
瞬态应力响应
先前的研究表明，隧道半径和荷载波长均直接影响DSCF的空间分布和幅值[32]、[42]。本研究保持地震荷载波形一致，通过改变荷载持续时间和隧道半径来研究其对瞬态DSCF的影响。如图5所示，θ=0和π处的DSCF时间曲线遵循地震荷载波形和周期。其特征演化包括初始的下跳，随后是快速的
地震强度对失效演化的影响
为了研究衬砌隧道在埃尔森特罗地震波下的损伤过程和失效机理，进行了一系列数值模拟以再现不同峰值速度荷载下的隧道失效过程。数值模型尺寸与图3中所示的相同。对岩体和衬砌均选用了Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）模型。该模型被广泛用于模拟岩石等脆性材料的动态响应，以及
讨论
在本研究中，DFT参数的正确选择至关重要，地震响应分析的采样频率为1000 Hz，采样时间为4.0 s。通过收敛性研究验证了1000 Hz的选择，与1200 Hz相比，瞬态DSCF和DVSF结果的偏差小于0.1%。该频率在计算精度和效率之间达到了最佳平衡，满足Nyquist定理并超过了埃尔森特罗地震波的主导频率，
结论
本研究研究了实际地震激励下衬砌隧道的瞬态响应和渐进失效机理。开发了一种将DFT与波函数展开法相结合的半解析方法，该方法成功地将稳态谐波解扩展到分析复杂的瞬态地震荷载，从而超越了传统研究依赖理想化脉冲的局限性。该方法的准确性通过LS-DYNA仿真进行了验证，以及
CRediT作者贡献声明
罗浩：撰写—初稿，软件，方法论，形式化分析。陶明：撰写—审阅与编辑，监督，经费获取。野田博之：验证，调查。李希兵：资源，项目管理。吴庆庆：数据整理，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所述工作。
致谢
本文的研究得到了国家自然科学基金（批准号：52274105）的支持。
Hao Luo|Ming Tao|Hiroyuki Noda|Xibing Li|Chengqing Wu
