1.1 引言
当前，世界各国的铁路、公路隧道建设如火如荼，我国的隧道建设更是发展迅猛，到2012年年底，全国铁路营业里程达到9.8万km，居世界第二位，根据中长期铁路网规划，到2020年，我国铁路营业里程将达到12万km以上。据统计，早在2002年，我国拥有的交通隧道总长度就跃居世界第一，近年来更是修建了大量的隧道工程。我国已成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。
多年以来，由于隧道和地下工程与地面上的建筑结构相比在地震中的破坏相对较轻，故一直被认为是抗震性能较好的工程结构，因此对隧道结构承受地震（特别是强震）荷载作用力问题的研究较少。随着我国西部大开发战略的实施，大量公路、铁路和水电等基础工程相继修建，不可避免地会遇到在活断层附近和高烈度地震区兴建隧道和地下工程结构的问题。而且近年来地下结构灾害逐渐增多，一方面是由于地下结构数目越来越多，另一方面也是由于人们对地下结构的抗震问题关注度越来越高。20世纪以来，全球发生了多次重大地震灾害，如1923年的日本东京大地震、1930年日本伊豆地震、1952年美国克恩郡地震、1971年美国圣佛南都地震、1978年日本伊豆地震、1995年日本阪神7.2级大地震、2008年发生在我国汶川的8.0级大地震。其中，以阪神地震产生的破坏最为严重，100多座隧道发生了程度不同的破坏，采用明挖法施工的地铁车站部分承重柱被压坏并造成了地面塌陷，隧道衬砌壁体表面材料开缝，供水和电力管路、煤气和通信线路等生命线工程发生大范围的致命破坏。从以往的震害记录中发现产生隧道地震破坏的原因主要有断层运动、动力相互作用和周围土体的破坏三种。地震对隧道和地下结构的破坏作用是不能忽视的。其中衬砌结构的破坏在隧道地震破坏中占有很大比例，并且对隧道的安全和使用有巨大的影响。在地震荷载的作用下，深埋隧道受到的影响较小，而浅埋隧道受到的影响较大，特别是在地质和地形不利的情况下，会发生衬砌的拉裂破坏、衬砌结构的变形或错位。如1923年日本东京大地震中，有25座隧道受到地震的影响而破坏，其中Komine隧道处于Ⅶ度地震区，其衬砌结构破坏严重（钢筋混凝土衬砌，埋深为1.5～61.0m）；1995年日本阪神7.2级大地震，城市地铁和部分隧道工程的衬砌结构发生了破坏（图1-1）；1999年台湾省集集地震中，部分地下结构也发生了类似的破坏（图1-2）；2008年发生在我国汶川的8.0级大地震更是造成了众多隧道衬砌的破坏（图1-3～图1-5）。
在这些结构物的破坏中，一部分是由于工艺粗糙和偷工减料等施工因素酿成的灾祸，还有一些是由现行隧道衬砌地震作用力计算方法的精度和实用性较差造成的。因此，在隧道衬砌的地震作用力计算方面存在的问题日益引起人们的关注。但是，当前的隧道衬砌地震作用力相关计算方法不能够充分反映地震波对隧道衬砌动力作用的实质，不能满足隧道抗震计算和设计的要求，加强隧道衬砌地震作用力计算方面的研究工作已刻不容缓，本书正是基于此开展了相关的研究工作。
图1-1 1995年日本阪神地震中地下结构遭到破坏
图1-2 1999年台湾省集集地震中某隧道地板开裂及衬砌损坏［1］
图1-3 汶川8.0级大地震中杜家山隧道破坏情况［2］
图1-4 汶川8.0级大地震中龙溪口隧道拱部二次衬砌垮塌［3］
图1-5 汶川8.0级大地震中白云顶隧道衬砌环向错台［2］