通過活斷層區(qū)地鐵隧道地震反應(yīng)分析

趙 穎

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

通過活斷層區(qū)地鐵隧道地震反應(yīng)分析

趙 穎

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

地鐵隧道作為生命線工程的重要組成部分，其抗震問題日益受到關(guān)注。早期人們認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)受周圍土體的約束，具有良好的抗震性能，但1995年日本阪神地震造成了神戶市部分地鐵車站和區(qū)間隧道受損嚴(yán)重，震后修復(fù)困難，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，才使人們意識到地下結(jié)構(gòu)的抗震問題也不容忽視。我國是世界上多地震國家之一，處于活動(dòng)期的斷層在我國分布較廣，為避免使結(jié)構(gòu)遭受活斷層錯(cuò)動(dòng)引發(fā)的震害，避讓措施成為地鐵隧道建設(shè)選線設(shè)計(jì)中的首選。然而，為了滿足交通功能的需要，在許多情況下地鐵線路的走向不可避免的要經(jīng)過活斷層，活斷層錯(cuò)動(dòng)及地震動(dòng)作用會(huì)對地鐵、隧道等地下工程構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前對于通過活斷層區(qū)隧道抗震方面的相關(guān)研究不夠深入，還沒有制定出合理完整的跨斷層地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。為了研究通過地震活斷層區(qū)地鐵隧道的地震反應(yīng)特征及損傷破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其抗震

薄弱環(huán)節(jié)，以便為其抗震設(shè)計(jì)和安全性評價(jià)提供參考依據(jù)，本論文主要完成了以下研究：

（1）搜集了世界范圍內(nèi)活斷層斷裂引發(fā)地表位錯(cuò)的歷史震害資料，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，根據(jù)所搜集的震害數(shù)據(jù)回歸擬合了不同斷層類型基巖位錯(cuò)與震級之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式?；跀M靜力彈塑性有限元方法編制的覆蓋土層地震斷裂分析軟件，研究了不同土層性質(zhì)下的地表斷裂位錯(cuò)，經(jīng)過大量的計(jì)算分析分別建立了走滑斷層位錯(cuò)作用下地表位錯(cuò)與震級、覆蓋土層厚度之間的關(guān)系式，以及逆斷層位錯(cuò)作用下地表位錯(cuò)與震級、覆蓋土層厚度、斷層傾角之間的關(guān)系式，而不僅僅局限于根據(jù)震級大小來估算地表位錯(cuò)，以便能夠較準(zhǔn)確地根據(jù)斷裂可能發(fā)生的地震震級估計(jì)工程場地可能出現(xiàn)的地表位錯(cuò)。研究指出，增加基巖上覆土層厚度能夠減輕地表的破壞程度，場地土為粉質(zhì)粘土?xí)r產(chǎn)生的震害相對于場地土為粘土?xí)r要重。

（2）以北京地鐵7號線的區(qū)間隧道作為工程背景，基于擬靜力有限元方法，利用損傷指標(biāo)研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在不同斷層類型位錯(cuò)作用下的損傷破壞機(jī)理，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)損傷的開始部位、發(fā)展過程以及最終的損傷程度。研究結(jié)果表明，在正、逆斷層位錯(cuò)作用下，隧道襯砌拱頂部位最先出現(xiàn)損傷且損傷最為嚴(yán)重。在走滑斷層位錯(cuò)作用下，襯砌結(jié)構(gòu)拱腰部位最先出現(xiàn)損傷且損傷最為嚴(yán)重。隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷的區(qū)域主要發(fā)生在活斷層附近一定范圍內(nèi)。通過對不同工況進(jìn)行大量的計(jì)算分析建立了不同斷層類型位錯(cuò)作用下，可不考慮斷層位錯(cuò)影響的臨界覆蓋土層厚度與斷層位錯(cuò)量之間的關(guān)系式，回歸擬合了能夠估計(jì)隧道結(jié)構(gòu)在斷層位錯(cuò)作用下的損傷區(qū)域范圍以及破壞最嚴(yán)重處的位置的關(guān)系式，為通過活斷層區(qū)埋地隧道的抗震設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了適用于北京地區(qū)，針對不同震級情況下，可不考慮活斷層錯(cuò)動(dòng)對于淺埋隧道影響的工程場地覆蓋土層厚度值。此外，從襯砌厚度、襯砌外徑、土層性質(zhì)、隧道埋深和隧道與斷層的交角5個(gè)方面對減輕地鐵隧道震害的影響因素進(jìn)行了分析。

（3）對在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的應(yīng)變率范圍內(nèi)混凝土和鋼筋材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性和變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。利用試驗(yàn)結(jié)果對《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）中給出的混凝土靜態(tài)本構(gòu)模型進(jìn)行了修正，建立了混凝土動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，并研究了混凝土的損傷值與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，分析了在高應(yīng)變率下混凝土損傷產(chǎn)生滯后現(xiàn)象的原因。

（4）通過在有限元軟件中嵌入合理的混凝土動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，考慮了損傷與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，采用數(shù)值模擬方法研究了活斷層錯(cuò)動(dòng)速率對隧道結(jié)構(gòu)抵抗斷層位錯(cuò)的能力、變形特性以及破壞形態(tài)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著活斷層錯(cuò)動(dòng)速率的增加，隧道結(jié)構(gòu)在彈性階段抵抗斷層位錯(cuò)的能力呈現(xiàn)出提高的趨勢。斷層錯(cuò)動(dòng)速率越快，隧道結(jié)構(gòu)的變形能力越差，結(jié)構(gòu)破壞得越突然，破損程度越嚴(yán)重。

（5）通過在有限元模型中施加無限元邊界，合理地模擬了半無限域空間土體，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算區(qū)域無限大的特點(diǎn)。通過算例驗(yàn)證了無限元邊界能夠很好地模擬波動(dòng)穿過邊界的情況，與實(shí)際波動(dòng)在土體中的傳播規(guī)律基本相符。建立了地基土-隧道體系整體有限元、無限元耦合模型，選用3條典型地震波作為地震動(dòng)輸入，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)時(shí)程分析，總結(jié)了在地震動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)的震害特征與破壞機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，拱頂部位是整個(gè)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)中相對較為薄弱的部位。

關(guān)鍵詞活斷層；地表斷裂位錯(cuò)；擬靜力；損傷；錯(cuò)動(dòng)速率；時(shí)程分析

（作者電子信箱，趙穎：zhaoyinglxd@126.com）

中圖分類號：U452.28；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.012