4.1.1 作用在隧道衬砌结构上的地震荷载
长期以来，隧道结构的抗震设计基本是参照《铁路工程抗震设计规范》（GBJ 111—1987）中有关隧道部分的条文、《建筑抗震设计规范》（GBJ 11—1989，GB 50011—2001）以及《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005）采用地震系数法进行的。使用该方法时首先要确定作用在衬砌结构上的地震荷载，地震引起的作用在衬砌结构上的荷载主要有衬砌自身质量产生的地震惯性力、洞顶土柱对衬砌产生的地震力和隧道两侧土体对衬砌产生的地震侧压力增量。
地震系数法主要体现在使用各种规范或细则等设计计算指导性文件中提供的公式进行计算。于2010年7月开始实行的《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）首次明确给出了作用在隧道衬砌上的地震荷载计算公式。该细则中把作用在隧道衬砌结构上的地震作用力分成如图4-1所示的几部分（仅考虑水平地震作用）。
图4-1 现行规范中隧道地震土压力分布图
1.隧道衬砌结构自重产生的地震力（衬砌惯性力）
隧道衬砌结构自重产生的地震力公式为
式中 Ci——重要性修正系数，根据表4-1选取；
Cz——场地影响系数，根据表4-2选取；
Kh——水平地震系数，根据表4-3选取；
Gis——隧道衬砌计算点结构重力，可根据该点的面积和衬砌容重来确定。
表4-1 各类隧道的重要性修正系数Ci
表4-2 场地影响系数Cz
表4-3 地震系数
注 表中水平与竖向地震系数均为地表值，对深埋隧道不适用。
2.洞顶土柱产生的水平地震力
洞顶土柱产生的水平地震力公式为
式中 Q——作用在隧道上的垂直土压力总值。
（1）对于浅埋偏压隧道Q的计算。Q的计算公式为
式中 γ——围岩重度；
h1、h2——内、外侧拱顶水平线至地面的高度；
B——隧道跨度；
θ0——土柱两侧摩擦角；
α——隧顶坡角；
λ1、λ2——地震时内、外侧侧压力系数；
φc——围岩计算内摩擦角；
φ1、φ2——地震时修正后的内、外侧围岩计算摩擦角；
θ——地震角。
（2）对于深埋隧道Q的计算。Q为洞顶压力拱土体产生的水平地震荷载，计算公式为
式中 Bt——隧道最大开挖跨度；
i——Bt每增减1m时的围岩压力增减率；当Bt＜5m时取i=0.2，当Bt＞5m时取i=0.1。
（3）内、外侧土体产生的地震荷载增量。荷载增量计算公式为
使用当前规范中给出的方法来计算隧道地震响应时还存在如下问题：①地震作用下，深埋隧道洞顶土体的计算高度没有明确给出，仍旧采用静力条件下的计算方法已经不合适；②地震作用下，隧道衬砌结构与围岩的相互作用方式不明确。
本书随后将就这两个问题进行分析研究。