高烈度地區(qū)海底大直徑盾構(gòu)隧道縱向抗震性能研究

華 針

(中國鐵路設計集團有限公司 城軌事業(yè)部，天津 300100)

0 引 言

盾構(gòu)隧道為縱向延伸的線性結(jié)構(gòu)物。因此,隧道地基的力學性質(zhì)和地層情況差異性較大。不同土層條件,隧道縱向會受不同地震動的影響。由于隧道縱向靠螺栓連接,環(huán)向接頭剛度小,抗縱向變形能力弱,在隧道縱向變形達到一定的量值后,可能出現(xiàn)由于管片環(huán)縫張開量過大而隧道漏水或管片縱向受拉破壞,從而影響隧道的安全及可靠性,因此地震時隧道縱向行為的研究是相當重要的課題[1-3]。

盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)上多采用螺栓連接的預制管片,由管片主體、橫向連接同一圓環(huán)內(nèi)各襯砌塊的管片接頭和縱向連接隧道各圓環(huán)的環(huán)向接頭構(gòu)成。接頭的剛性比預制管片本身的剛性小,與其他方法建設的隧道相比,盾構(gòu)隧道的一次襯砌,無論在橫斷面還是縱斷面都是剛性較小的預制結(jié)構(gòu)。因此在進行盾構(gòu)隧道的抗震研究時,需充分考慮盾構(gòu)隧道是存在大量接頭的柔性結(jié)構(gòu)[4,5]。

本文主要采用隧道縱向地震反應計算的反應位移法進行了抗震分析,通過大型有限元軟件ABAQUS計算地震作用一致激勵下隧道環(huán)間接頭的張開量,分析了不同抗震設防烈度下隧道整體縱向的抗震性能。

1 隧道縱向梁彈簧分析

隧道縱向分析方法可以分為基于梁彈簧模型的反應位移法和土、隧道結(jié)構(gòu)皆為實體單元(或結(jié)構(gòu)為殼單元)表達的三維有限元方法。前者較為簡單,并可以描述隧道整體的宏觀特性,但地基彈簧剛度的取值存在不確定性;后者雖然可以精確表現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件的細觀反應,但建模復雜且計算量大。反應位移法應用比較廣泛,從最初用于埋管等線狀地下結(jié)構(gòu)縱向的地震響應分析中,逐漸應用于大斷面隧道的計算分析。在應用反應位移法時,正確地評價地震時地層的震動性態(tài)及地層彈簧的剛度非常重要。大量實踐證明:如果對上述兩種因素的評價正確,其計算結(jié)果與采用其他復雜的動力分析結(jié)果幾乎一致。

本模型采用廣義反應位移法對隧道縱向進行整體抗震分析,求出隧道中心處的位移時程響應,將一系列的位移時程響應輸入到響應的地基彈簧固定端。

隧道每段管環(huán)長度為2 m,每段中間設置地基彈簧,有限元模型取1 m一個單元,同時通過附加共有節(jié)點的梁單元考慮隧道內(nèi)車道的影響。在ABAQUS中盾構(gòu)隧道用梁單元模擬,選用中空的三維線性B31梁單元類型,構(gòu)成梁單元的兩節(jié)點都有6個自由度,其中包括3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。

考慮隧道管環(huán)縱縫的影響,各個梁單元之間斷開,通過一個旋轉(zhuǎn)彈簧和拉壓異性彈簧連接,由于隧道周圍土體屬性有差別,對于每段管環(huán)通過4個土彈簧分別考慮隧道上、下、左、右4個方向的土體剛度屬性,其中每個土彈簧只考慮受壓剛度,有限元模型如圖1所示。

圖1 梁彈簧有限元模型

本隧道取彈簧參數(shù)如見表1。

表1 接頭軸向彈簧參數(shù)

隧道接頭轉(zhuǎn)動彈簧參數(shù)見表2。

表2 接頭轉(zhuǎn)動彈簧參數(shù)

隧道周圍的土體屬性差別較大,故在地基床系數(shù)選取時上下左右各自取值。公式如下:

Kt=3G

K1=βKt

式中:Kt、K1為橫向和軸向單位長度上地基土的彈簧系數(shù)(MPa/m);G為與地震震動最大應變幅值相應的地基土的剪切模量(MPa);β為換算系數(shù),其值可取為1/3。

2 自由場二維地震效應數(shù)值分析

建立自由場地二維有限元模型,縱向取2 700 m,深100 m,場地非線性地震效應分析采用的Davidenkov模型;根據(jù)地勘報告的土層分布情況,采用實體單元模擬土體;模型頂部為自由邊界。場地分析過程中,地震加速度為一致輸入,并且采取兩向方向輸入,橫向:豎向的地震波加速度幅值比例為1∶0.65。輸入地震動為日本Iwate波,相關參數(shù)見表3。分別計算峰值加速為0.2g、0.3g、0.4g三個工況的自由場地震響應，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 自由場中隧道底部位置豎向相對位移極值

圖3 自由場中隧道底部位置橫向相對位移極值

表3 輸入地震動信息

3 計算結(jié)果

縱向梁彈簧模型中地震動以位移的形式輸入到土彈簧固定端,位移時程通過自由場的有限元分析得到。不同工況下盾構(gòu)隧道環(huán)間接頭張開量包絡曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下盾構(gòu)隧道環(huán)間接頭張開量包絡曲線

由不同工況下盾構(gòu)隧道環(huán)間接頭張開量包絡曲線可知:

(1)硬巖凸起處接收井處和多地層交互處環(huán)縫張開量顯著大于其他部位且量值遠大于非震區(qū)隧道。

(2)隨著峰值加速度的增加隧道環(huán)間接頭張開量幅值也隨之增加。

(3)離北隧道口600 m、1 200 m、2 100 m、2 600 m附近,隧道環(huán)間張開量有較大的突變;工況3情況下,離北隧道口600 m附近接頭張開量超過1.5 cm,其他工況下環(huán)間接頭張開量均小于1.5 cm。

4 結(jié) 論

對地震作用下高烈度區(qū)大斷面海底盾構(gòu)隧道在硬巖凸起處、接收井處和多地層交互處環(huán)縫張開量顯著大于其他區(qū)域,且量值遠大于非震區(qū)隧道。建議在隧道抗震薄弱部位采取相應抗震措施并根據(jù)張開量情況適當調(diào)整標準震時抗水壓。