雙洞八車道大斷面隧道地震動力響應數(shù)值分析①

施有志,車愛蘭,周先齊,尚武孝

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361021; 2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;3.中鐵一局集團有限公司,陜西 西安 710054)

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雙洞八車道大斷面隧道地震動力響應數(shù)值分析①

施有志1,2,車愛蘭2,周先齊1,尚武孝3

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361021; 2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;3.中鐵一局集團有限公司,陜西 西安 710054)

為研究雙洞八車道超大斷面隧道在地震力作用下的動力響應特征,以平潭綜合實驗區(qū)牛寨山隧道為工程背景,建立雙洞八車道隧道的三維有限元數(shù)值計算模型。采用時程分析方法,在模型底部輸入水平向地震動荷載,計算隧道結(jié)構(gòu)在地震動荷載作用下的響應,包括位移、加速度及應力的變化。結(jié)果表明:最大水平和豎向位移出現(xiàn)在拱頂處,南線淺埋隧道整體呈剪切響應;隧道最大水平加速度出現(xiàn)在南線隧道拱頂偏左處,最大垂直加速度出現(xiàn)在南線隧道拱頂偏右處,南線隧道洞口由于淺埋,關(guān)鍵部位響應差較北線要大;南線的右拱肩埋深最淺,該部位拉應力最大,而北線拱頂?shù)睦瓚^(qū)最大,拱腳也出現(xiàn)明顯的拉或壓應力。建議在隧道洞口段的拱頂、拱腳及埋深最淺的部位應加強抗震設(shè)防。

八車道; 隧道; 地震; 動力響應; 數(shù)值分析

0　引言

1995年日本阪神地震前,人們普遍認為隧道埋于地面以下,受土體的保護抗震性能較好,對隧道的地震動力響應研究不多。阪神地震后,人們意識到強震作用下隧道也會發(fā)生嚴重震害,相關(guān)研究增多。2008年“5·12”汶川地震使震區(qū)的交通隧道造成了嚴重損壞,其特征主要表現(xiàn)為混凝土剝落、掉塊,襯砌垮塌等,甚至還出現(xiàn)了圍巖垮塌等嚴重震害。之后人們逐漸加大對地下結(jié)構(gòu)或管線的抗震研究[1-3]。有研究成果主要結(jié)合地震區(qū)隧道的震害進行震害特征研究[4-7],研究表明,隧道洞口段是僅次于斷層破碎帶段的抗震薄弱區(qū)段。另有學者針對不同隧道情況通過振動臺實驗對隧道的抗震性能進行研究,主要側(cè)重于洞口段[8-13],研究內(nèi)容集中在洞口段減震措施的減震效果和不同洞口型式下洞口段的動力響應。由于室內(nèi)試驗較為昂貴,不少學者采用數(shù)值分析的手段進行研究。如梁建文等[14]采用黏彈性邊界方法和地震動輸入等效節(jié)點力方法模擬半無限場地的地震激勵,結(jié)合通用有限元軟件ANSYS建立地下隧道地震響應分析模型。汪樹華等[15]采用二維有限元計算模型,應用時程分析法對隧道的地震動力響應進行了分析。黃娟等[16]結(jié)合實際工程,運用FLAC有限差分法研究了淺埋、偏壓、小凈距隧道結(jié)構(gòu)在水平地震荷載作用下的動力時程響應。聶子云等[17]通過大型有限元軟件ABAQUS研究襯砌背后空洞對隧道的地震動力響應的影響。

上述研究對象主要為雙洞四車道隧道或跨度較小的隧道。隨著車流量的增大,國內(nèi)雙洞八車道隧道陸續(xù)增加,而現(xiàn)行的公路設(shè)計與施工規(guī)范并未涉及該類隧道。楊小禮等[18]建立單洞四車道的數(shù)值模型,以天津波為激勵地震波,在水平向、豎向和斜向45°激勵下,計算大斷面隧道的底面、頂面、墻腳和邊墻的位移、速度、加速度和應力的分布情況。但并未考慮相鄰隧道在地震荷載作用下的相互影響,且國內(nèi)外尚未見到有關(guān)雙洞八車道超大斷面隧道在地震力作用下動力響應的研究成果。

本文以平潭綜合實驗區(qū)雙洞八車道的扁平超大斷面隧道——牛寨山隧道為工程背景,建立雙洞八車道隧道的數(shù)值模型;采用動力有限元的時程分析方法,采用汶川地震記錄波,在模型底部輸入水平向地震動荷載,計算隧道結(jié)構(gòu)在地震動荷載作用下的響應特征,包括位移、加速度及應力的變化。

1　工程背景

平潭牛寨山雙洞八車道公路隧道位于平潭綜合實驗區(qū)城區(qū)西側(cè),最大毛洞開挖跨度21.13 m,北線全長868 m,南線全長829 m。進口段南北線間距45 m,中夾巖約24 m,為小凈距隧道,其余路段為分離式隧道。據(jù)相關(guān)地勘資料表明,該工程隧址區(qū)圍巖主要由粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風化、砂礫狀強風化、碎塊狀強風化巖及中風化巖組成,洞口段位于V級圍巖內(nèi),長238.5 m,采用帶豎向支撐的上下臺階法施工。隧道在該段采用復合式襯砌,初期支護采用雙層結(jié)構(gòu),第一層采用C25噴射砼30 cm、22工字鋼縱距0.6 m,第二層采用C25噴射砼厚17 cm,格柵鋼拱架間距0.6 m;系統(tǒng)錨桿采用D25中空注漿錨桿,長5 m,環(huán)向間距0.7 m,縱向間距0.7 m,梅花型布置;二次襯砌拱部邊墻采用C30防水鋼筋砼,仰拱采用C30普通鋼筋砼,厚55 cm;初期支護與二次襯砌之間鋪設(shè)EVA防水板作為防水層。噴射砼采用濕噴工藝,開挖后及時初噴4 cm厚砼,再架設(shè)鋼支撐和安裝錨桿,然后分層復噴30 cm厚砼,完成第一層初期支護。

2　隧道計算模型及參數(shù)

2.1模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)工程勘察報告、隧道設(shè)計資料以及工程實際情況,以牛寨山雙洞八車道隧道南北出口段為研究對象,建立簡化的三維有限元計算模型如圖1所示。

采用六面體等參單元模擬巖土體及錨固區(qū),采用shell單元模擬初次支護和臨時支護。坐標沿高度方向為z正方向,沿隧道縱向方向為x方向,沿隧道橫向方向為y方向。模型x方向從南線隧道樁號SK5+000到樁號SK5+142段,共142 m,模型底部距離隧道底面48 m,隧道最大寬度21 m,高度14.8 m,最近間距40 m。模型采用solid45單元進行劃分,節(jié)點總數(shù)為66 711個,單元總數(shù)67 262個。其中隧道周單元分布密集,密集范圍內(nèi)的單元最大尺寸不超過2.4 m×2.5 m×2.6 m,在遠離隧道處單元稀疏分布,網(wǎng)格尺寸是2.4 m×5.0 m×4.4 m。坐標取向沿高度方向為z正方向,沿東西方向為x方向,沿南北方向為y方向,長度單位為m。有限元計算均采用線性模型。約束條件為:巖體兩側(cè)約束y方向,底部約束z方向。邊界條件采用無限元邊界。

圖1　三維有限元模型Fig.1　3-D finite element model

動力計算前先按隧道開挖順序進行靜力分析,按實際開挖順序進行模擬(圖2)。隧道每個導坑開挖后,初期支護先施工鋼架、網(wǎng)片,再打設(shè)錨桿,后噴射混凝土;待隧道縱向開挖完畢后,拆除隧道中間豎向及橫向的臨時支護,并施工二次襯砌。開挖結(jié)束后進行動力分析,動力分析的所有網(wǎng)格均與靜力計算時相同,將巖體兩側(cè)y方向約束解除并增加靜力分析得到的約束反力,底部z方向仍然固定約束,在模型底部y方向輸入汶川地震記錄波作為地震動荷載的輸入。地震動的輸入方式為P波。

圖2　北線出口段開挖順序Fig.2　Excavation sequence of the northern tunnel outlet

2.2模型材料的物理力學及強度參數(shù)

模擬計算中,將地質(zhì)情況簡化為黏土、中風化巖及微風化巖。初期支護采用C25混凝土,南線隧道前端由于沒有錨固,初期支護采用C30混凝土。各土層物理力學參數(shù)如表1所列(表中:μ為泊松比;γ為重度;E為彈性模量;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角)。由于隧道埋深較淺,初始地應力視為重力場。邊界條件為固定位移邊界。

表1　隧道圍巖及結(jié)構(gòu)材料基本物理力學參數(shù)

2.3載荷及工況

南北線隧道開挖后,即進行動力分析。在此工況下,重力產(chǎn)生地應力以及開挖過程的應力重分配作為初始狀態(tài)加入模型中,在模型底部輸入水平向地震動荷載以計算其在隧道結(jié)構(gòu)的地震響應,包括加速度、應力和位移的變化。其中,輸入的地震動為汶川地震遠場記錄波,峰值為4.28g,持續(xù)時間為158 s。加速度時程曲線如圖3所示。

圖3　地震波加速度時程曲線Fig.3　Acceleration time-history curve of seismic wave

3　地震力作用下隧道的動力響應

計算結(jié)果中對于主應力值的符號采用彈性力學的規(guī)定,即拉正壓負。對于水平位移值的符號,采用北正南負;沉降值的符號,采用上正下負。為研究隧道在地震力作用下的動力響應,選取洞口(S1)、距洞口28 m處(S2)、56 m處(S3)、84 m(S4)處以及112 m處(S5)為目標面,如圖4所示。其中埋深較淺的隧道為南線,相鄰的隧道為北線。

3.1位移響應

圖5為t=25 s(取隧道結(jié)構(gòu)上下位移差最大時刻)時隧道的水平向位移及豎向位移分布。隧道最大水平相對位移為12.7 mm,出現(xiàn)在北線隧道拱頂處;最大豎向位移為2.3 mm,出現(xiàn)在南線隧道拱頂偏右側(cè)。隧道頂部及仰拱的最大水平相對位移為5.2 mm。

圖4　計算分析目標面Fig.4　The target plane for calculation

圖5　t=25 s時隧道的水平向及豎向位移分布Fig.5　Horizontal and vertical displacement distribution of the tunnel at t=25 s

圖6為各截面最大位移分布?？梢?地震力作用下左拱肩與左拱腳位移響應差達2.6 mm,右拱肩與右拱腳位移響應差達2.1 mm;左右拱肩位移響應差為0.1 mm;洞口縱向位移在左拱肩相差3.6 mm。南線隧道由于淺埋的影響,隧道整體呈剪切響應,洞口處左拱肩與左拱腳位移響應差達1.9 mm,右拱肩與右拱腳位移響應差達1.6 mm;左右拱肩位移響應差達0.2 mm;洞口縱向位移響應相差3.1 mm。

3.2加速度響應

圖7為t=25 s(取隧道結(jié)構(gòu)上下位移差最大時刻)時隧道的水平向加速度A1及垂直加速度A3分布。隧道最大水平加速度為203 cm/s2,出現(xiàn)在南線隧道拱頂偏左處;最大垂直加速度為57 cm/s2,出現(xiàn)在南線隧道拱頂偏右處。隧道頂部及仰拱的最大水平相對加速度為90 cm/s2。

圖6　隧道典型截面最大位移分布Fig.6　Maximum displacement distribution of typical cross section of the tunnel

圖7　t=25 s時隧道的加速度分布Fig.7　Acceleration distribution of the tunnel at t=25 s

圖8為各截面最大加速度分布?？梢?地震力作用下北線隧道洞口處呈剪切響應,左拱肩與左拱腳加速度響應差達52 cm/s2,右拱肩與右拱腳加速度響應差達26 cm/s2;左右拱肩加速度響應差27 cm/s2。南線隧道由于淺埋的影響,隧道整體呈剪切響應,洞口處左拱肩與左拱腳加速度響應差達119 cm/s2,右拱肩與右拱腳加速度響應差達72 cm/s2;左右拱肩加速度響應差達61 cm/s2。南線隧道入口由于淺埋,關(guān)鍵部位響應差較北線要大。

3.3應力響應

圖9為t=25 s時隧道的第一主應力和第三主應力分布。從圖中得知,第一主應力最大拉應力在北線隧道左拱腳處,達到1.68 MPa;第三主應力最大壓應力在北線隧道右拱腳處,達到10.8 MPa。整體來看拱腳處應引起注意。

圖10為典型觀測點應力時程曲線,圖11～12為最大第一主應力及最小第三主應力分布圖?？梢?南線拉應力主要集中在右拱肩、左拱腳及底部,其中以右拱肩和底部最為嚴重,而最大壓應力主要分布在左拱肩和右拱腳;對于北線,拉應力區(qū)主要集中于頂部和底部,以頂部較為嚴重,而左拱肩處的最大壓應力明顯要高于同一截面處其他關(guān)鍵部位。

4　主要結(jié)論及建議

以牛寨山雙洞八車道大斷面隧道為工程背景建立三維數(shù)值計算模型,研究隧道在地震力作用下位移、加速度及應力的響應特征,得到以下主要結(jié)論和認識:

(1)隧道最大水平和豎向位移出現(xiàn)在拱頂處,南線淺埋隧道整體呈剪切響應;地震力作用下左拱肩與左拱腳位移響應差達2.6 mm,右拱肩與右拱腳位移響應差達2.1 mm;左右拱肩位移響應差為0.1 mm;洞口縱向位移在左拱肩相差3.6 mm。南線隧道由于淺埋的影響,隧道整體呈剪切響應,洞口處左拱肩與左拱腳位移響應差達1.9 mm,右拱肩與右拱腳位移響應差達1.6 mm;左右拱肩位移響應差達0.2 mm;洞口縱向位移響應相差3.1 mm。

(2)地震力作用下北線隧道洞口處呈剪切響應,左拱肩與左拱腳加速度響應差達52 cm/s2,右拱肩與右拱腳加速度響應差達26 cm/s2;左右拱肩加速度響應差27 cm/s2。南線隧道由于淺埋的影響,隧道整體呈剪切響應,洞口處左拱肩與左拱腳加速度響應差達119 cm/s2,右拱肩與右拱腳加速度響應差達72 cm/s2;左右拱肩加速度響應差達61 cm/s2。南線隧道入口由于淺埋,關(guān)鍵部位響應差較北線要大。

圖8　隧道典型截面最大加速度分布Fig.8　Maximum acceleration distribution of typical cross section of the tunnel

圖9　t=25 s時刻隧道結(jié)構(gòu)主應力分布Fig.9　Principal stress distribution of the tunnel structure at t=25 s

圖10　典型觀測點主應力時程曲線Fig.10　Principal stress time-history curves of typical observation points

圖11　南線主應力分布Fig.11　Principal stress distribution of the southern tunnel

圖12　北線主應力分布Fig.12　Principal stress distribution of the northern tunnel

(3)南線隧道拉應力主要集中在右拱肩、左拱腳及底部,其中以右拱肩和底部最為嚴重,而最大壓應力主要分布在左拱肩和右拱腳;對于北線隧道,拉應力區(qū)主要集中于頂部和底部,以頂部較為嚴重,而左拱肩處的最大壓應力明顯要高于同一截面處其他關(guān)鍵部位。

(4)建議在隧道洞口段的拱頂、拱腳及埋深最淺的部位應加強抗震設(shè)防。

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Numerical Seismic Dynamic Response Analysis of Double-hole Eight-lane Large Section Tunnel

SHI You-zhi1,2,CHE Ai-lan2,ZHOU Xian-qi1,SHANG Wu-xiao3

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361021,Fujian,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;3.China Railway First Group Co.Ltd.,Xi'an 710054,Shaanxi,China)

To study the dynamic response characteristics under earthquake action of a double-hole eight-lane tunnel with a super large cross-section,this study conducts investigations of the Niuzhaishan Tunnel at the Pingtan Comprehensive Test Region and establishes a three-dimensional finite element numerical calculation model for double-hole eight-lane tunnels.By adopting a time-history analysis method,the horizontal seismic load is input at the bottom of the model to calculate responses of the tunnel's structure under seismic dynamic loading,including variations of displacement,acceleration,and stress.Results show that the maximum horizontal and vertical displacement occurred at the vault,and the shallowly buried tunnel of south line generally presented shear loading.In addition,peak acceleration of the tunnel occurred at the south line tunnel vault to the left and maximum vertical acceleration occurred at the south line tunnel vault to the right.As the south line tunnel portal was buried at a shallow depth,the responses of key parts were greater than those of the north line.Furthermore,the maximum tensile of the south line tunnel occurred mainly in areas of the right spandrel,left arch foot,and bottom of tunnel,and maximum compressive stress mainly occurred at the left spandrel and right arch foot; whereas the maximum tensile of the north line tunnel mainly occurred at the vault and bottom of the tunnel.However,there was a greater value for the maximum tensile of the north line tunnel at the left spandrel than at other positions in the same section.It is thus considered necessary to strengthen seismic fortification at the vault,arch springing,and at the point of minimum burial depth of the tunnel portal.

eight-lane; tunnel; earthquake; dynamic response; numerical analysis

2015-09-24

福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學技術(shù)項目(2015-K-38)；福建省自然科學基金(2014J05066)；福建省自然科學基金資助項目(2016J01271)；福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學技術(shù)項目(2016-K-26)

施有志(1976-)，男，博士，副教授，從事隧道及巖土工程的教學及科研工作。E-mail:2013110907@xmut.edu.cn。

U452

A

1000-0844(2016)04-0510-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0510