淺埋超近接并行地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)及減震措施分析

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(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

隨著城市地鐵路線(xiàn)發(fā)展，在地鐵建設(shè)過(guò)程中必然存在有新建地鐵結(jié)構(gòu)近接既有結(jié)構(gòu)的狀況，較常見(jiàn)的有新建地鐵車(chē)站與既有隧道、既有地下商業(yè)建筑等的近接問(wèn)題[1-4]。

由于地鐵車(chē)站的修建必定會(huì)改變?cè)搮^(qū)域原有的地應(yīng)力場(chǎng)，且在地震動(dòng)作用下，新建地鐵車(chē)站與既有結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，同時(shí)二者也會(huì)互相影響彼此的地震反應(yīng)特性[5-6]。這種近接地下結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下，近接部位的位移和應(yīng)力分布較不近接部位變化較大，且更易產(chǎn)生不均勻地變形和復(fù)雜受力狀態(tài)，使得近接部位更易受到地震影響。因此，對(duì)于與既有隧道近接且并行的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)作用的動(dòng)力響應(yīng)研究具有理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[7-9]。

曾艷鵬等[10]研究了上下近接地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得到了合理的豎向凈距和加固土層參數(shù)；鮑艷等[11]對(duì)長(zhǎng)距離并行地鐵隧道進(jìn)行了地震反應(yīng)特性的研究，并與單體隧道的地震反應(yīng)特性進(jìn)行比較；陶連金等[12-13]對(duì)于超近距地鐵交叉結(jié)構(gòu)對(duì)不同入射方向地震波的響應(yīng)特性進(jìn)行研究與對(duì)比。本文基于FLAC3D有限差分軟件，以與某市政隧道近接和并行的地鐵車(chē)站為研究對(duì)象，選用汶川地震波，對(duì)該地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)數(shù)值分析。依據(jù)各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移、內(nèi)力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析強(qiáng)震作用下近接并行地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)特性及其減震措施，以便為類(lèi)似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

本文以一新建的地鐵車(chē)站為分析對(duì)象。該地鐵車(chē)站右側(cè)與一既有市政隧道近接且并行；車(chē)站與既有隧道之間的最小近距約為1.0m。

新建地鐵車(chē)站為雙層三跨結(jié)構(gòu)的島式站臺(tái)車(chē)站，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.0m，全長(zhǎng)311.3m。車(chē)站頂板平均覆土厚度約為5.3m，底板埋深為20.26～21.90m。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)除鋼筋混凝土立柱外均采用C40混凝土，鋼筋混凝土立柱采用C50混凝土。車(chē)站的主要構(gòu)件尺寸如表1所示：

既有市政隧道為一矩形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)800m，寬19m，中間設(shè)一寬50cm的墻體，采用C40混凝土，覆土厚度約1m，平均深度9.15m。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸如表2所示：

表1 地鐵車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸 mm

表2 既有市政公路隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸 mm

車(chē)站所處的區(qū)域?yàn)獒航耽窦?jí)階地，地形平坦，淺層以雜填土、素填土、黏性土為主。車(chē)站區(qū)域各地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 動(dòng)力參數(shù)的取值

2.1 阻尼系數(shù)

將地震波轉(zhuǎn)換為水平應(yīng)力波的形式，水平施加在計(jì)算模型底部。模型頂部為自由面，底部采用靜態(tài)邊界，四周采用自由場(chǎng)邊界，來(lái)模擬無(wú)限自由場(chǎng)地的效果，以減少波在邊界地反射。

阻尼使用瑞利阻尼。假設(shè)動(dòng)力方程中的阻尼矩陣C與剛度矩陣K和質(zhì)量矩陣M有關(guān)[14]。

C=αM+βK

(1)

式中：α為與質(zhì)量成比例的阻尼系數(shù)，β為與剛度成比例的阻尼系數(shù)。通過(guò)最小阻尼比ζmin和最小中心頻率ωmin來(lái)確定瑞利阻尼，可以按照式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

ζmin=(α·β)1/2

(2)

ωmin=(α/β)1/2

2.2 地震波處理

選擇汶川Ms8.0級(jí)大地震中臥龍站監(jiān)測(cè)到的近場(chǎng)強(qiáng)地震動(dòng)豎向加速度作為本模型近場(chǎng)地震輸入格式。因其豎向分量大，頻率以中高頻為主，具有明顯的近場(chǎng)地震動(dòng)特征。采用SeismoSignal軟件對(duì)地震波進(jìn)行濾波、基線(xiàn)校正和截?cái)唷＿x用處理過(guò)的前10s地震波來(lái)分析近接并行地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)。具體的加速度時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 處理后前10s汶川地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

3 模型概況

3.1 計(jì)算模型

使用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行地震動(dòng)分析。為減少“邊界效應(yīng)”地影響，依據(jù)相關(guān)論文[15]，模型高度取地面至地下70m，模型寬度為165m，長(zhǎng)19m。所建立的三維模型如圖2所示。選用Mohr-Colunmb屈服準(zhǔn)則作為土體的本構(gòu)模型，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)選用彈性模型。土體與車(chē)站結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬。三維模型共劃分155 340個(gè)節(jié)點(diǎn)，144 248個(gè)單元。

圖2 計(jì)算模型及位置關(guān)系

本文分析對(duì)象為新建地鐵車(chē)站，所以先進(jìn)行既有市政隧道的相關(guān)靜力計(jì)算，得到既有市政隧道平衡應(yīng)力場(chǎng)后，再進(jìn)行地鐵車(chē)站的修建靜力分析，得到最終平衡應(yīng)力場(chǎng)后，位移初始化并進(jìn)行動(dòng)力分析。為了研究并行間距對(duì)淺埋超近接并行地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)行為的影響，以及注漿加固對(duì)此結(jié)構(gòu)形式減震的影響，所以設(shè)置以下工況(表5)。

3.2 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)在模型y=9m處。在頂板、中板和底板各布置7處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，站廳層與站臺(tái)層中柱每根各布置3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖3)。

表5 工況設(shè)置

圖3 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果與分析

為了分析間距對(duì)淺埋超近接并行結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬分別計(jì)算工況一至工況四得到了位移和主應(yīng)力數(shù)據(jù)。

4.1 地鐵站相對(duì)水平位移

4.1.1 中柱

站廳層中柱、站臺(tái)層中柱相對(duì)車(chē)站底板的水平位移見(jiàn)圖4。

(a)站廳層中柱

(b)站臺(tái)層中柱圖4 站廳層、站臺(tái)層中柱相對(duì)水平位移

中柱的最大相對(duì)水平位移如表6所示。

表6 中柱水平相對(duì)位移峰值 mm

由此可得：對(duì)于同一工況，靠近既有市政隧道一側(cè)的中柱的相對(duì)位移峰值與最大差值均大于遠(yuǎn)離一側(cè)的，近側(cè)相對(duì)位移值較遠(yuǎn)側(cè)最大增幅約為45 %。對(duì)于不同工況，同一豎向位置，工況一的相對(duì)位移峰值和最大差值均大于其他工況。以工況一的最大相對(duì)位移差值為例，相比工況二，其增幅約為44 %，相比工況三，其增幅約為45 %，相比工況四，其增幅約為139 %。

4.1.2 樓板

頂板、中板相對(duì)車(chē)站底板的水平位移見(jiàn)圖5。

(a)頂板

(b)底板圖5 頂板、底板相對(duì)位移

頂板、底板的相對(duì)水平位移峰值如表7所示。

同一工況,頂板的相對(duì)位移最值與最大差值最大。不同工況，隨著并行間距的增大，相對(duì)位移時(shí)程曲線(xiàn)逐漸趨于平緩直線(xiàn)，最大相對(duì)位移差呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。不同工況，工況一的相對(duì)位移與相對(duì)位移差值均為最大，以頂板最大相對(duì)位移差為例，相對(duì)工況二其增幅為54 %，相對(duì)工況三其增幅為178 %，相對(duì)工況四其增幅為293 %。

由表5可知，工況一最不利，取工況一相對(duì)水平位移云圖(圖6)。

圖6 工況一相對(duì)水平位移云圖

分析可得，在地震動(dòng)作用10s后，地鐵車(chē)站最大相對(duì)水平位移約為60mm，既有市政隧道最大相對(duì)水平位移約為150mm。且二者相對(duì)水平位移均從頂部開(kāi)始隨著埋深的增加而減小。

4.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力

地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力如表8所示。對(duì)于同一結(jié)構(gòu)部件，其在不同工況下內(nèi)力分布趨勢(shì)基本一致，且各構(gòu)件最大剪應(yīng)力隨著間距的增大而減小。對(duì)于同一工況，中柱與中板的最大剪應(yīng)力值最大，即二者較容易發(fā)生破壞。以最大剪應(yīng)力最大的工況一為例，相比其他工況，其最大剪應(yīng)力均發(fā)生一定量的增幅，最大剪應(yīng)力的最大增幅為107 %。

4.3 增幅系數(shù)

綜上可得，地鐵車(chē)站地震動(dòng)響應(yīng)受到與既有市政隧道并行間距的影響，表現(xiàn)為間距越小則地鐵車(chē)站地震動(dòng)響應(yīng)越劇烈。以間距最大的工況四為基礎(chǔ)值，分別比較其余工況，可得表9。

4.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析可得。

(1)同一工況，車(chē)站結(jié)構(gòu)部位越靠上，相對(duì)位移越大。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)越靠上，埋深就越淺，周?chē)貙拥募s束力越弱，使得該部位動(dòng)力響應(yīng)幅度較大。在此基礎(chǔ)上，由于板件橫截面剛度要遠(yuǎn)大于中柱，所以在板、柱連接處，中柱更易發(fā)生破壞，而且站廳層中柱相對(duì)位移大于站臺(tái)層，即站廳層中柱較站臺(tái)層中柱更易發(fā)生剪壞。

表7 頂板、中板相對(duì)水平位移峰值 mm

表8 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)力 Pa

表9 增幅系數(shù)峰值

(2)同一工況，地鐵車(chē)站靠近市政公路隧道一側(cè)構(gòu)件的相對(duì)位移均大于較遠(yuǎn)一側(cè)的，最大增幅約為45 %。表明，近接并行結(jié)構(gòu)的存在會(huì)影響地鐵車(chē)站的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，且影響表現(xiàn)為增強(qiáng)地鐵車(chē)站的地震動(dòng)響應(yīng)，增幅隨著距近接部位的距離的增大而減小。因?yàn)榻硬⑿薪Y(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)與土層而言，要大很多，使得地鐵車(chē)站在相鄰面受到的土層約束力相對(duì)較小，進(jìn)而使得地鐵車(chē)站在近接部位的地震動(dòng)響應(yīng)增幅較大。

(3)不同工況，同一監(jiān)測(cè)位置，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增幅系數(shù)隨著并行間距的增大而減小。因?yàn)殚g距越遠(yuǎn)，則所夾土體越厚，即土體的約束作用越強(qiáng)，能更好的抑制地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，使得地鐵車(chē)站在近接部位的地震動(dòng)響應(yīng)減弱。

5 減震措施及其效果分析

因?yàn)楸窘硬⑿械叵陆Y(jié)構(gòu)為一淺埋結(jié)構(gòu)，圍巖級(jí)別為六級(jí)，圍巖巖性差，對(duì)結(jié)構(gòu)的約束力弱。在強(qiáng)震作用下，慣性力會(huì)對(duì)近接并行地下結(jié)構(gòu)造成較大破壞。所以對(duì)車(chē)站主結(jié)構(gòu)周?chē)w圍巖進(jìn)行注漿加固，改良圍巖巖性，提高約束力，從而更好抑制結(jié)構(gòu)因慣性力產(chǎn)生的位移。等效注漿帶材料參數(shù)如表10所示。

表10 減震材料參數(shù)

減震模型如圖7所示。

圖7 地層注漿加固模型

5.1 車(chē)站中柱相對(duì)水平位移

最不利工況為工況一，危險(xiǎn)部位為結(jié)構(gòu)中柱。所以取工況一中柱進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)水平位移對(duì)比如表11所示。

通過(guò)表9可知，兩種工況下水平位移峰值相差約為0.20～1.32mm，變化不太顯著。

表11 中柱水平位移峰值對(duì)比 mm

5.2 車(chē)站中柱內(nèi)力

監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表12所示。

表12 中柱主應(yīng)力峰值對(duì)比 mm

通過(guò)表10可知，采用注漿加固后，對(duì)于近接并行部位能有效降低最大剪應(yīng)力，減震率為36 %，對(duì)于遠(yuǎn)離并行結(jié)構(gòu)一側(cè)的中柱，減震效果不明顯，減震率為5.97 %。

5.3 分析

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果可得。

(1)同一工況采用注漿加固對(duì)降低車(chē)站位移效果不明顯。

(2)同一工況采用注漿加固能夠有效降低車(chē)站危險(xiǎn)部位的應(yīng)力峰值，降低最大剪應(yīng)力。其中對(duì)于近接一側(cè)中柱，減震效果明顯。說(shuō)明注漿加固能夠有效的削弱近接部位的動(dòng)力響應(yīng)。

6 結(jié)論

本文利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)近接并行既有隧道的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震動(dòng)模擬計(jì)算，通過(guò)分析得出以下結(jié)論。

(1)由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的存在使得與其近接和并行的地鐵車(chē)站地震動(dòng)響應(yīng)有一定程度的加劇。

(2)對(duì)于地鐵車(chē)站而言，站臺(tái)層測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移增幅大于站廳層測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移增幅，且增幅較大的部位均處于靠近近接并行結(jié)構(gòu)一側(cè)。

(3)對(duì)于近接并行結(jié)構(gòu)，兩結(jié)構(gòu)間距越小，近接部位地震動(dòng)響應(yīng)增幅就越大，近接部位受到的影響則越大。

(4)對(duì)于淺埋近接并行結(jié)構(gòu)，采用對(duì)主體結(jié)構(gòu)周?chē)貙幼{加固的措施可減弱結(jié)構(gòu)受到的地震動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)于近接部位而言，能有效削弱近接部位構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)，起到一定程度的減震效果。

綜合分析，近接并行結(jié)構(gòu)的存在，使得地鐵車(chē)站的地震動(dòng)響應(yīng)增大；且并行間距越小，地震動(dòng)響應(yīng)增幅越大；采用注漿加固，能有效降低近接并行結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)。