近斷層地震動(dòng)對(duì)跨活動(dòng)斷層隧道動(dòng)力響應(yīng)研究

周宇鍇，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院地下工程系，四川成都 610031)

活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)不僅造成巨大的位錯(cuò)量，同時(shí)釋放出的能量以地震波的形式通過周圍巖層介質(zhì)向四周傳播，對(duì)于跨越活動(dòng)的隧道無疑會(huì)造成破壞。2008年汶川8.0級(jí)地震后，多條隧道遭受嚴(yán)重?fù)p傷，且大部分靠近發(fā)震斷層，即受到近場(chǎng)地震波的作用，如都汶高速龍溪隧道、燒火坪隧道[1-2]。近斷層的嚴(yán)重震害引起了地震工程學(xué)家的廣泛重視，系統(tǒng)研究近斷層地震動(dòng)依賴于觀測(cè)記錄的積累和理論分析方法的提高[3]。在對(duì)上述的特大地震記錄中發(fā)現(xiàn)，近場(chǎng)地震的特性有：上盤效應(yīng)、近斷層破裂的方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、近斷層速度大脈沖和豎向效應(yīng)，這些近場(chǎng)地震動(dòng)效應(yīng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)特性顯著不同。因此研究近場(chǎng)地震動(dòng)效應(yīng)具有重要的意義。

本文以烏魯木齊4號(hào)線跨越碗窯溝逆斷層為研究對(duì)象，碗窯溝斷層具備發(fā)生6.5～6.9級(jí)地震的構(gòu)造條件，該地震震級(jí)對(duì)近斷層區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)具有巨大的破壞性，因此研究隧道結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震動(dòng)作用下動(dòng)力響應(yīng)分析具有一定的科學(xué)價(jià)值，為實(shí)際工程提供一定的參考。

1 有限元模型建立與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型建立

采用有限差分軟件FLAC 3D建立三維動(dòng)力計(jì)算有限元模型，模型的左右邊界取2～3倍洞徑，下邊界從仰拱往下取2～3倍洞徑，根據(jù)4號(hào)線地勘資料，隧址區(qū)埋深為15 m，斷層帶寬度取36 m，斷層傾角58 °，交角50 °。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，初期支護(hù)采用厚度為300 mm的C25混凝土，二襯采用厚度為600 mm的C45混凝土。

采用實(shí)體單元來模擬圍巖、初支和二襯，采用interface單元來模擬活動(dòng)斷層上下盤以及圍巖與襯砌之間的接觸關(guān)系，其法向剛度和切向剛度為10倍于周邊單元體最硬的等效剛度。模型的四周采用自由場(chǎng)邊界來模擬無限大的地質(zhì)區(qū)域、底部采用粘性邊界來防止地震波的反射和折射。最終的模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=135.0m×40.0m×43.6m，如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

1.2 阻尼設(shè)置

結(jié)構(gòu)體系采用瑞麗阻尼，即結(jié)構(gòu)阻尼矩陣C可由結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K線性組合而得，如下式所示：

[C]=a0[M]+a1[K]

其中：a0為與質(zhì)量成比例的系數(shù)；a1為與剛度成比例的系數(shù)。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選取二襯斷面的拱頂、左拱腰、左拱腳、左墻腳和仰拱等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其橫斷面監(jiān)測(cè)示意圖如圖2所示。此外，在斷層面處、上盤和下盤正常帶地表各設(shè)置了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2 橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2 地震波選取分析

本文是研究近斷層地震動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響，故選取了2條近斷層地震動(dòng)，再選取2條非近斷層地震動(dòng)作為對(duì)比分析。近斷層地震動(dòng)均選自1999年臺(tái)灣Chi-Chi地震動(dòng)，屬于向前方向性地震動(dòng)[4]，記錄臺(tái)站分別是TCU049和TCU116，普通地震動(dòng)選自EI-Centro地震波和Taft地震波。計(jì)算中，4條地震動(dòng)峰值加速度均調(diào)整為0.3g。為節(jié)約計(jì)算成本，截取TCU049地震動(dòng)包含峰值加速度在內(nèi)的10～24 s段形成對(duì)應(yīng)的計(jì)算用地震波，截取TCU116地震動(dòng)16～36 s段形成對(duì)應(yīng)的計(jì)算用地震波，截取EI-Centro地震波0～15 s段形成對(duì)應(yīng)的計(jì)算用地震波，截取Taft地震波0.5～15.5 s段形成對(duì)應(yīng)的計(jì)算用地震波。

地震波截取之后，并把地震動(dòng)峰值加速度調(diào)到0.3g，然后進(jìn)行濾波和基線矯正處理，使處理后的地震波能為計(jì)算所用。對(duì)4條地震波進(jìn)行傅里葉變換得到其傅里葉譜值，其中傅里葉幅值譜表征地震動(dòng)能量在各頻率范圍的分布[5]。近斷層地震動(dòng)卓越頻率主要分布在低頻段0～1 Hz范圍內(nèi)，普通地震波的卓越頻率分布在高頻段2～10 Hz，可見近斷層地震波屬于長(zhǎng)周期地震波，其低頻帶能量豐富，普通地震波高頻帶能量豐富。

4條地震動(dòng)速度時(shí)，經(jīng)濾波和基線處理后，發(fā)現(xiàn)最終的速度為零，可見，截取的地震波時(shí)程曲線可以用于動(dòng)力計(jì)算。近斷層地震動(dòng)有高速脈沖的特性，主要指的有較長(zhǎng)的周期、速度峰值與加速度峰值比(PGV/PVA)較大[6]。其中TCU116地震動(dòng)和TCU049地震動(dòng)的峰值加速度均較大，也具有近斷層速度大脈沖的特性，特別是TCU116地震動(dòng)。其PGV/PGA的比值自然也較大，TCU116地震動(dòng)PGV/PGA比值為0.20。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表加速度響應(yīng)

4條地震波施加方向?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)的橫斷面，即以剪切波的形式進(jìn)行加載。加速度響應(yīng)的波形與輸入地震波波形基本一致，說明計(jì)算結(jié)果是可靠的。各地表節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)均有不同程度的放大，各節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)的規(guī)律為破碎帶>下盤≈上盤，即圍巖級(jí)別相差越大，加速度響應(yīng)放大效應(yīng)越明顯。

從加速度響應(yīng)峰值來看，4種工況下最大值是Taft地震作用下產(chǎn)生的，值為0.805 g；其次是EI-Centro地震波作用下的0.752g，最小的加速度響應(yīng)是TCU049地震波下的0.714g，可見，加速度放大效應(yīng)中最大值為2.68倍，最小也有2.38倍。說明相同峰值加速度情況下，近斷層地震動(dòng)作用下的地表加速度放大效應(yīng)并沒有比普通地震波作用下的地表加速度放大效應(yīng)大。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)在4條地震動(dòng)作用下的峰值提取出來，繪制圖3和圖4所示的圖形，由圖可知，在相同峰值加速度地震作用下，襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)具有不同程度的放大效應(yīng)，放大效應(yīng)最大的是TCU116地震波作用下的2.083倍，最小的是Taft地震波作用下的1.170倍。在同一監(jiān)測(cè)斷面下，地震波產(chǎn)生的襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)由大到小依次是TCU116波、EI-Centro波、TCU049波和Taft波，這也說明近斷層地震動(dòng)作用下襯砌結(jié)構(gòu)的峰值加速度響應(yīng)并沒有比普通地震動(dòng)作用下的顯著。

圖3 S5斷面峰值加速度響應(yīng)

圖4 F0斷面峰值加速度響應(yīng)

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)

圖5和圖6分別為S5斷面和X5斷面的峰值速度響應(yīng)，由圖5、圖6知，在同一工況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度響應(yīng)基本相同，且有不同程度的放大，從與斷層面距離來說，S5斷層的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值速度響應(yīng)略低于F0斷層的速度響應(yīng)，但是值相差并不明顯，說明在圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的互相作用下，圍巖級(jí)別對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)有一定的影響。

圖5 S5斷面峰值速度響應(yīng)

圖6 F0斷面峰值速度響應(yīng)

F0斷面下，4條地震動(dòng)作用下峰值速度放大倍數(shù)分別為2.32倍、2.08倍、1.82倍和1.72倍，這也體現(xiàn)近斷層地震動(dòng)具有高速脈沖、較大的PGV/PGA值。

3.4 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力響應(yīng)如圖7和圖8所示，S5斷面各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律為拱頂>左拱腰>左拱腳≈左墻腳≈仰拱，F(xiàn)0斷面的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律為拱頂<左拱腰<左拱腳<左墻腳<仰拱。

圖7 S5斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)

圖8 F0斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)

相同斷面下，4條地震波作用下應(yīng)力響應(yīng)呈現(xiàn)的規(guī)律為：TCU116>TCU049>EI-Centro>Taft，近斷層地震動(dòng)的應(yīng)力響應(yīng)比非斷層地震動(dòng)大很多。以F0斷面為例，TCU116地震波下的仰拱最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的3.81倍、6.37倍，左墻腳最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的4.05倍、6.87倍。TCU049地震波下的仰拱最大主應(yīng)力是EI Centro波和Taft波的1.96倍、3.28倍，左墻腳最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的1.70倍、2.88倍。

4 結(jié)論

本文以烏魯木齊軌道交通4號(hào)線跨越碗窯溝逆斷層為研究背景，利用數(shù)值軟件建立三維有限差分模型，對(duì)比分析近斷層地震動(dòng)與普通地震動(dòng)對(duì)跨活動(dòng)斷層隧道動(dòng)力響應(yīng)的差異，主要有以下結(jié)論：

(1)近斷層地震動(dòng)屬于長(zhǎng)周期地震動(dòng)，其低頻帶能量豐富，普通地震動(dòng)高頻帶能量豐富；近斷層地震動(dòng)具有高速脈沖特點(diǎn)，具有較高的PGV/PGA值。

(2)地表加速度響應(yīng)和襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)均有不同程度放大，即圍巖級(jí)別相差越大，加速度響應(yīng)放大效應(yīng)越明顯。近斷層地震動(dòng)作用下加速度響應(yīng)放大效應(yīng)并沒有比普通地震動(dòng)顯著。

(3)近斷層地震動(dòng)作用下的襯砌結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)都比普通地震動(dòng)大，且圍巖級(jí)別越差，應(yīng)力響應(yīng)越大，因此，需采取措施提高跨活動(dòng)斷層隧道在近斷層區(qū)域的抗震性能。