水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用下地鐵區(qū)間隧道抗震仿真分析

商金華 王曉昱 毛榮吉

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，250101，濟(jì)南//第一作者，高級(jí)工程師)

濟(jì)南市作為山東省省會(huì)，由于泉水保護(hù)等原因，城市軌道交通建設(shè)起步較晚，且隨著近年來交通擁堵的惡化，大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)勢(shì)在必行。

地下結(jié)構(gòu)由于受到周圍巖體或土體的約束，一直被認(rèn)為具有良好的抗震性能[1-3]。但近年來的地震中許多原本被認(rèn)為具有良好抗震性能的地下結(jié)構(gòu)(包括區(qū)間隧道及地鐵車站等)都發(fā)生了不同程度的破壞，引起了許多學(xué)者的重視。在區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)研究中，數(shù)值方法已成為重要的研究途徑，近年來取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用有限元和無限元耦合的分析方法對(duì)土-地下隧道的相互作用進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]結(jié)合動(dòng)力有限元-雙漸近多向透射邊界編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,來計(jì)算軟土地層中盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]以南京某軟弱地基淺埋地鐵區(qū)間隧洞為研究對(duì)象，進(jìn)行地震響應(yīng)分析。文獻(xiàn)[7]利用土-結(jié)構(gòu)相互作用的動(dòng)力有限元方法，通過引入無長度的三自由度彈簧單元模擬縱向螺栓接頭，分析行波波長、地基剛度與阻尼對(duì)盾構(gòu)隧道縱向地震響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)某隧道建立二維有限元模型，采用一致邊界條件進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

雖然對(duì)區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)研究較多，但是針對(duì)濟(jì)南市地下泉水眾多的獨(dú)特地形，對(duì)于水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用下地鐵區(qū)間隧道抗震分析的研究還較少。因此，本文在常規(guī)地鐵抗震分析的基礎(chǔ)上考慮水-土-結(jié)構(gòu)的耦合作用，研究地震作用下區(qū)間隧道的反應(yīng)，以及地下水滲流對(duì)地鐵區(qū)間隧道抗震性能的影響，從而為濟(jì)南市地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用抗震模型

1.1 結(jié)構(gòu)概況

以濟(jì)南軌道交通R1線大楊莊站—濟(jì)南西站雙洞區(qū)間隧道為研究背景。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑5.8 m，外徑6.4 m，采用平板型管片，管片采用C50混凝土、厚度30 cm，沿隧道縱向管片寬度1.2 m，隧道頂板埋深10～20 m，兩洞之間的間距為14 m。盾構(gòu)隧道縱坡為V形，形成高站位低區(qū)間的型式。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)濟(jì)南市軌道交通R1線大楊莊站—濟(jì)南西站巖土工程勘察報(bào)告(詳勘階段)，選取具有代表性的濟(jì)南土層作為地鐵區(qū)間隧道所處的場地，從上至下依次為：黃土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、卵石、黏土。

大楊莊站—濟(jì)南西站地下水的存在形式主要為第四系松散孔隙水，其埋藏類型為潛水和承壓水。其中潛水水位埋深5.0～8.0 m，承壓水水位埋深6.3～8.2 m。

1.3 計(jì)算模型

1.3.1 模型建立

運(yùn)用FLAC3D5.0軟件分別建立考慮和不考慮地下水滲流作用的區(qū)間隧道三維計(jì)算模型，為了減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，取自隧道軸線起向兩側(cè)各延伸4D(D為隧道直徑)，總寬度為62 m；豎向和縱向計(jì)算深度均取為60 m；隧道埋深為20 m。

1.3.2 邊界條件

模型四周及底面施加法向約束，上部為自由邊界。動(dòng)力計(jì)算時(shí)模型周圍采用自由場邊界?？紤]地下水滲流時(shí)，在此基礎(chǔ)上模型四周及底面采用不透水邊界，上部采用透水邊界。為考慮地下水滲流的作用，同時(shí)加快水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用的計(jì)算速度，在模型上部加上水頭高度為5.5 m的靜水頭。

1.3.3 材料模型

土層采用實(shí)體單元模擬，各地層視為各向同性Mohr Coulomb理想彈塑性材料，管片采用殼單元模擬，土體阻尼取為滯后阻尼。主要土層的動(dòng)靜力及水力計(jì)算參數(shù)如表1所示。管片材料的動(dòng)靜力計(jì)算參數(shù)如表2所示。地鐵區(qū)間三維模型如圖1和圖2。

表1 典型場地土動(dòng)靜力及水力計(jì)算參數(shù)表

表2 管片材料動(dòng)靜力計(jì)算參數(shù)表

圖1 土-地鐵區(qū)間隧道有限元模型

1.4 地震波

濟(jì)南軌道交通地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)防烈度為7度，同時(shí)參考山東省地震工程研究院提供的《濟(jì)南市軌道交通R1線一期工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》中提供的50年超越概率2%的基巖地震波，本文選取具體地震波如圖3所示。

圖2 隧道有限元模型

1.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

為了更好地分析地震作用下隧道區(qū)間的位移和內(nèi)力響應(yīng)，在隧道左、右線均布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置如圖4所示。

2 水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用時(shí)地鐵區(qū)間隧道的位移響應(yīng)

沿x方向(垂直于隧道方向)在模型底部輸入基巖地震波，分別計(jì)算考慮地下水滲流和不考慮地下水滲流作用時(shí)地鐵區(qū)間隧道在罕遇地震作用下的位移。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4的位移極值匯總于表3，并分別給出兩個(gè)模型洞頂(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1)和洞底(監(jiān)測(cè)點(diǎn)2)兩點(diǎn)的位移時(shí)程圖，如圖5和圖6所示。

圖3 基巖地震波

a) 左線

b) 右線圖4 區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表3 考慮和不考慮地下水滲流時(shí)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震位移極值

圖5 考慮和不考慮地下水滲流時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位移時(shí)程曲線

由表3和圖5、6可知，罕遇地震作用下，考慮地下水滲流時(shí)，隧道左線洞頂位移極值35.88 mm，洞底位移極值34.79 mm，左洞腰位移極值35.35 mm，右洞腰位移極值35.37 mm。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線相似，大約在14 s左右位移正向達(dá)到極值，18 s左右位移負(fù)向達(dá)到極值，且位移極值隨著埋深位置的增大而減小，洞頂處位移最大，洞腰處位移次之，洞底處位移最小。

圖6 考慮和不考慮地下水滲流時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位移時(shí)程曲線

此外，考慮地下水滲流時(shí)區(qū)間隧道的位移反應(yīng)規(guī)律與不考慮地下水滲流作用時(shí)一致，但由于滲流力的作用使得土體有效應(yīng)力增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移極值增大。

除了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值，一般需要計(jì)算出隧道洞頂和洞底之間的相對(duì)位移，從而利用相對(duì)位移和隧道外徑的比值求得隧道的傾斜角度，以評(píng)價(jià)隧道橫向的安全性。根據(jù)《盾構(gòu)隧道的抗震研究及算例》的規(guī)定，當(dāng)傾斜角小于1/350時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全性沒有問題。

考慮地下水滲流和不考慮地下水滲流作用時(shí)，區(qū)間隧道洞頂和洞底的相對(duì)位移時(shí)程圖如圖7所示,隧道計(jì)算傾斜角如表4所示。

圖7 考慮和不考慮地下水滲流時(shí)洞頂和洞底的相對(duì)位移時(shí)程曲線

考慮地下水滲流時(shí)，區(qū)間隧道洞頂和洞底相對(duì)位移增大，這是由于在地震力基礎(chǔ)上，考慮了滲流力的作用，且洞頂?shù)臐B流力要大于洞底的滲流力，使得相對(duì)位移增大。由表4可知，相對(duì)位移極值為2.03 mm，傾斜角最大為1/2 955，仍能滿足規(guī)范要求。

表4 考慮和不考慮地下水滲流時(shí)隧道傾斜角

3 水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用時(shí)地鐵區(qū)間隧道的內(nèi)力響應(yīng)

分別提取考慮地下水滲流和不考慮地下水滲流作用時(shí)地鐵區(qū)間隧道在罕遇地震作用下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩、剪力和軸力極值匯總于表5和表6中。并繪制考慮地下水滲流作用時(shí)地鐵區(qū)間左右線內(nèi)力反應(yīng)包絡(luò)圖如圖8所示。

表5 考慮地下水滲流時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力極值

表6 不考慮地下水滲流時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力極值

由表5和圖8可知,考慮水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用時(shí)，區(qū)間隧道軸力最大值一般發(fā)生在洞腰處，且里側(cè)洞腰的軸力值較大，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)；剪力的最大值一般發(fā)生在靠近中間位置處與洞頂和洞底成45°的2個(gè)點(diǎn)附近；彎矩的最大值與軸力相同，出現(xiàn)在拱腰處，且里側(cè)的拱腰的彎矩值較大?？紤]水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用時(shí)，地震作用下內(nèi)力規(guī)律與不考慮地下水滲流時(shí)一致。

此外，相比于不考慮地下水滲流作用，考慮地下水滲流時(shí)，區(qū)間隧道所受彎矩、剪力減小，軸力增大。區(qū)間隧道最大彎矩減小了70.58 kN·m,最大剪力減小了120.10 kN,最大軸力增大了448.645 kN。因此考慮地下水滲流作用時(shí)軸力增大較多，存在一定的安全隱患。

4 結(jié)論

本文依托于濟(jì)南軌道交通R1線大楊莊站—濟(jì)南西站雙洞區(qū)間隧道，分別建立考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用模型和水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型，研究水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用下區(qū)間隧道的地震反應(yīng)，以及地下水滲流對(duì)地鐵區(qū)間隧道抗震性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)位移極值隨著埋深位置的增大而減小，洞頂處位移最大，洞腰位移次之，洞底處位移最小。洞頂和洞底的相對(duì)位移、傾斜角滿足規(guī)范要求。

(2)軸力的最大值一般發(fā)生在洞腰處，內(nèi)側(cè)洞腰的軸力值較大，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)；剪力的最大值一般發(fā)生在靠近中間位置處與洞頂和洞底成45°的2個(gè)點(diǎn)附近；彎矩的最大值與軸力相同，出現(xiàn)在洞腰處，且里側(cè)洞腰的彎矩值較大。

左線

左線

左線

右線a)彎矩反應(yīng)包絡(luò)圖(單位:kN·m)

右線b)剪力反應(yīng)包絡(luò)圖(單位:kN)

右線c)軸力反應(yīng)包絡(luò)圖(單位:kN)圖8 水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用時(shí)地鐵區(qū)間隧道的內(nèi)力反應(yīng)包絡(luò)圖

(3)與不考慮地下水滲流作用時(shí)區(qū)間隧道的計(jì)算結(jié)果相比，考慮地下水滲流時(shí)，區(qū)間隧道的位移和內(nèi)力地震響應(yīng)規(guī)律相同，但隧道位移值增大，洞頂和洞底的相對(duì)位移值也增大；區(qū)間隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩、剪力值有所減小，軸力有所增大。