5.5.2 地震波作用下衬砌应力的变化特征
在每层衬砌上选择2个断面，每个断面的不同位置处布置应变片来测量地震作用下衬砌的动应变，进而求出其动应力。测试数据经过计算后绘出动应力随埋深的变化图。
1.不同种类地震波作用下衬砌应力的变化特征
（1）隧道侧墙中间处衬砌应力，其变化特征如图5-20所示。
由图5-20可知：①在隧道侧墙中部的动应力随着隧道埋深的增加先减小，后逐渐趋近于一固定值；②衬砌动应力随隧道埋深的变化过程中存在明显的拐点，可以作为隧道动力深浅埋划分的参考；③不同地震波作用下隧道衬砌动应力响应有所区别，EL波作用下，动应力值受地震波强度的影响较大，汶川波次之，阪神波最小，另外，相比水平横向地震波，水平纵向地震波作用下在埋深较浅时引起的动应力值的变化范围稍大。
图5-20（一） 隧道侧墙中部衬砌应力随埋深的变化图
图5-20（二） 隧道侧墙中部衬砌应力随埋深的变化图
（2）隧道顶部衬砌应力，其变化特征如图5-21所示。
图5-21（一） 隧道顶部衬砌应力随埋深的变化图
图5-21（二） 隧道顶部衬砌应力随埋深的变化图
由图5-21可知：①在隧道顶部的动应力在浅埋时较大，随着隧道埋深的增加先增大后减小，最后逐渐趋近于一固定值（60m以下）；②同侧墙中间处一样，衬砌动应力随隧道埋深的变化过程中存在明显的拐点，可以作为隧道动力深浅埋划分的参考；③不同地震波作用下隧道衬砌动应力响应有所区别，EL波作用下，动应力值受地震波强度的影响较大，阪神波和汶川波均较小。
2.不同地震波强度作用下隧道衬砌应力的变化特征
（1）隧道侧墙中间处衬砌应力，其变化特征如图5-22所示。
由图5-22可知，在不同强度的同一种地震波作用时：①在隧道侧墙中部汶川波引起的动应力较大，阪神波次之，EL波最小（强度为0.4g时稍有出入）；②相比水平横向地震波，水平纵向地震波作用下引起的动应力值较大。
图5-22（一） 隧道侧墙中部衬砌应力随埋深的变化图
图5-22（二） 隧道侧墙中部衬砌应力随埋深的变化图
图5-22（三） 隧道侧墙中部衬砌应力随埋深的变化图
（2）隧道顶部衬砌应力，其变化特征如图5-23所示。
图5-23（一） 隧道顶部衬砌应力随埋深的变化图
图5-23（二） 隧道顶部衬砌应力随埋深的变化图
图5-23（三） 隧道顶部衬砌应力随埋深的变化图
由图5-23可知，在不同强度的同一种地震波作用时：①在隧道顶部，阪神波引起的动应力较大，汶川波次之，EL波最小（个别点位处稍有出入）；②相比水平横向地震波，水平纵向地震波作用下引起的动应力值较大。
3.各层衬砌地震动应力极值的变化特征
为了深入研究隧道衬砌地震应力随隧道埋深的变化规律，针对本试验中的4层隧道衬砌，在每一种工况中，对该层隧道衬砌所有不同位置处的地震动应力取极值（最大值）进行统计分析，绘制出各层衬砌地震动应力极值随埋深的分布图如图5-24和图5-25所示。
图5-24（一） 不同地震波强度作用下各层衬砌地震动应力极值随埋深的变化图
图5-24（二） 不同地震波强度作用下各层衬砌地震动应力极值随埋深的变化图
图5-25（一） 不同种类地震波作用下各层衬砌地震动应力极值随埋深的变化图
图5-25（二） 不同种类地震波作用下各层衬砌地震动应力极值随埋深的变化图
图5-25（三） 不同种类地震波作用下各层衬砌地震动应力极值随埋深的变化图
由图5-24可知，综合考虑各层隧道衬砌不同部位处的地震应力极值时有如下分布特征：①总体而言，随着隧道埋深的增加，各层衬砌地震动应力极值逐渐减小，最终趋近于一个恒定值，深埋隧道衬砌地震动应力要小于浅埋隧道；②相比EL波，汶川波和阪神波作用下产生的衬砌地震动应力极值要大，这表明了不同地震波引起隧道衬砌动应力的差异性。
由图5-25可知，不同的地震波强度（地震加速度的极值不同）对各层隧道衬砌不同部位处的地震应力极值有如下影响：①当地震强度较小（加速度极值为0.05g和0.1g）时，衬砌动应力极值随隧道埋深的变化不太明显；②当地震强度较大（加速度极值为0.2g、0.3g和0.4g）时，衬砌动应力极值随隧道埋深的变化很明显，浅埋隧道衬砌地震动应力远大于深埋隧道。这些情况表明，在强震（7级以上）作用下，浅埋隧道的安全性要远远小于深埋隧道。
4.试验结果与地震系数法和数值计算结果对比分析
为了将试验结果与地震系数法和数值计算结果进行对比分析，把3种结果沿隧道衬砌断面的分布情况绘制在同一张图中，如图5-26～图5-28所示。图中给出的数值是隧道衬砌与围岩接触单元外侧边缘的应力值，且图中所示数值均是针对EL波，峰值加速度为0.3g时的情况。
图5-26 埋深15m时衬砌地震应力对比图（单位：Pa）
图5-27 埋深60m时衬砌地震应力对比图（单位：Pa）
由图5-26可知：①3种方法所得的衬砌表面的剪切应力数值沿隧道衬砌的分布规律相同，数值大小基本相同；②隧道埋深较小时（15m），在地震作用下，隧道拱肩和仰拱脚处的剪切应力值较大，仰拱底处的应力值稍大。
由图5-27可知：①3种方法所得的衬砌表面的剪切应力数值沿隧道衬砌的分布规律相同，数值大小基本相同；②隧道埋深增大到60m时，仰拱底处的应力值较大，可能有仰拱隆起现象发生。
图5-28 埋深82.5m时衬砌地震应力对比图（单位：Pa）
由图5-28可知：①3种方法所得的衬砌表面的剪切应力数值沿隧道衬砌的分布规律相同，大小基本相同；②隧道埋深较大时（82.5m），仰拱脚处的应力值较大。
综合图5-26～图5-28可知：①3种方法所得的衬砌表面的剪切应力数值沿隧道衬砌的分布规律相同，数值大小基本相同，这说明本文使用的地震系数法和数值计算方法是适用的；②随着隧道埋深的增加隧道下部（仰拱脚和仰拱底）的应力值增大较快，对深埋隧道要注意在地震中仰拱隆起的问题。