地震動水壓力下盾構(gòu)隧道復合襯砌管片環(huán)縫防水性能研究

邵鈺淇 潘東 毛家驊

摘 要：為探明跨海盾構(gòu)隧道復合襯砌結(jié)構(gòu)在地震動作用下的結(jié)構(gòu)反應及環(huán)縫防水性能，建立了考慮動孔隙水壓力的場地地震動模型及盾構(gòu)隧道縱向梁彈簧模型，采用廣義反應位移法，研究了盾構(gòu)隧道復合襯砌結(jié)構(gòu)在地震動作用下的環(huán)縫張開量和防水性能。結(jié)果表明：復合襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的環(huán)縫防水性能，且減震層剛度越大，環(huán)縫防水性能越好。研究結(jié)果為跨海盾構(gòu)隧道防水設計提供了借鑒。

關鍵詞：盾構(gòu)隧道;抗震;雙層襯砌;高水壓;防水性能

中圖分類號：U452.2+8? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0155-02

1引言

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)存在接縫較多、剛度較小等特點，在強地震動作用下往往表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)變形過大，面臨嚴重滲漏水，甚至是突涌水的威脅，而雙層襯砌結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高盾構(gòu)隧道縱向剛度，在強地震作用下有效減小盾構(gòu)隧道的地震動響應[1]。因此，開展強地震動作用下水下盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)縫防水特性研究很有必要。

目前，國內(nèi)外雙層襯砌結(jié)構(gòu)在以交通為目的的盾構(gòu)隧道工程中應用并不多。但是，隨著國內(nèi)盾構(gòu)隧道建設向大斷面、深埋、高水壓和超長里程方向發(fā)展，單層預制混凝土管片襯砌將無法滿足大型盾構(gòu)隧道對襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性、抗震性、穩(wěn)定性和防水性等要求，國內(nèi)部分在建水下盾構(gòu)隧道已經(jīng)開始嘗試使用管片+二次襯砌的復合襯砌結(jié)構(gòu)。

鑒于此，本文以擬建瓊州海峽隧道工程為依托，采用廣義反應位移法[2-3]，建立高水壓砂土地層地震動分析模型及盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)縱向梁彈簧模型，分析強地震動作用下考慮動水壓力的盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)縱向環(huán)縫防水特性，并試圖探索盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)中減震層特性對結(jié)構(gòu)縱向抗震性能的影響。研究結(jié)果為我國后續(xù)擬建越江跨海盾構(gòu)隧道工程的抗震設計提供參考。

2模型建立

2.1自由場地震動模型

本次研究以瓊州海峽隧道工程為依托，隧道穿越地層以粉細砂和粉質(zhì)粘土為主，為了簡化場地模型，將地層設置為上部粉細砂層，下部粉質(zhì)粘土層，地層表面距離水面80m，具體場地模型如圖1所示，地層物理力學參數(shù)如表1所示。由于隧道所在地層存在較高水壓，為了探明地層在地震動作用下動孔隙水壓力的變化情況，采用改進的循環(huán)荷載體應變增量模型。

本次計算采用EI地震波作為輸入地震動從模型底部以速度形式輸入，隧址處抗震設防烈度為8度，設防地震峰值加速度0.2g，基巖面采取兩向輸入，水平向：豎向的地震波加速度幅值比例為1：0.65。

2.2隧道縱向梁彈簧模型

基于動水壓力的自由場地非線性地震位移反應分析結(jié)果，提取隧道位置處縱向各點位移時程響應，將一系列的位移時程響應輸入到土體彈簧固定端進行盾構(gòu)隧道地震反應特性分析。

隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)采用縱向梁彈簧模型，管片與二次襯砌相互作用采用豎向彈簧和切向彈簧來模擬。

本模型中的彈簧主要分為管片地層彈簧、管片環(huán)間彈簧以及二次襯砌與管片間彈簧。其中，管片環(huán)間彈簧采用文獻[4]提出的等效接頭剛度進行計算。

本文針對單層管片襯砌、減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa這三個工況，分析盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)的地震動響應以及環(huán)縫張開量變化情況，從而評估盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)的防水性能。

3反應特性及防水性能

對盾構(gòu)隧道第25環(huán)～26環(huán)間環(huán)縫和第50環(huán)～51環(huán)間環(huán)縫張開量進行了監(jiān)測，得到單層管片襯砌、復合管片襯砌（減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa）環(huán)縫張開量隨地震動時間變化的曲線，如圖2～3所示。

從圖2～3中可以看出，單層管片襯砌環(huán)縫張開量隨著地震動持時變化非常劇烈，而復合襯砌環(huán)縫張開量相對較為緩和。對比減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa的復合襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)縫張開量，發(fā)現(xiàn)減震層彈性模量越大，環(huán)縫張開量越小，說明隧道縱向整體剛度越大，隧道變形越小，其相應的環(huán)縫張開量也越小。但是對于隧道橫向抗震性能來說，在一定范圍內(nèi)減震層彈性模量越小，減震效果越好[5]，因此在考慮盾構(gòu)隧道環(huán)縫張開量的情況下，減震層彈性模量的設置必定存在一個最優(yōu)范圍。

將隧道所在位置地層隨地震動作用的動水壓力值與盾構(gòu)隧道襯砌臨界防水壓力值作對比，得到圖4。

從圖4中可以看出，復合襯砌臨界防水壓力值基本上位于該處地層動孔隙水壓力值之上，表明復合襯砌結(jié)構(gòu)在地震動作用下，防水性能基本能夠得到保證。而單層管片襯砌結(jié)構(gòu)在地震動發(fā)生11s左右，動水壓力大大超過管片襯砌臨界防水壓力，存在海水大量涌入的風險。

4結(jié)論

本文以瓊州海峽隧道為工程背景，建立了考慮動孔隙水壓力的海底場地地震動響應模型，并基于廣義位移法對跨海盾構(gòu)隧道縱向防水性能進行了分析，其主要結(jié)論如下：

（1）復合盾構(gòu)隧道環(huán)縫張開量在地震動作用下相對單層管片襯砌小，且減震層彈性模量越大，環(huán)縫張開量越小，但是影響較小，說明隧道縱向整體剛度是影響環(huán)縫張開量大小的主要因素。

（2）盾構(gòu)隧道單層襯砌結(jié)構(gòu)在7級地震動作用下極有可能出現(xiàn)管片環(huán)縫張開量過大，海水涌入隧道的風險，進而導致隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變化，并發(fā)生隧道結(jié)構(gòu)垮塌等災害。

參考文獻：

[1] 小泉淳.盾構(gòu)隧道的抗震研究及算例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 劉晶波，王文暉，趙冬冬，等.地下結(jié)構(gòu)抗震分析的整體式反應位移法[J].巖石力學與工程學報，2013， 32（8）：1618-1624.

[3] 晏啟祥，張煜，王春艷，等.剪切波作用下盾構(gòu)隧道地震效應的擬靜力分析方法研究[J].工程力學， 2015（5）：184-191.

[4]小泉淳.盾構(gòu)隧道管片設計： 從容許應力設計法到極限狀態(tài)設計法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5] 王明年，林國進，于麗，等.隧道抗震與減震[M].科學出版社， 2012.

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（No.2018YJS105）。