天津軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)分析及影響因素研究

李向輝，李永波，王志宇

（1.天津軌道交通集團(tuán)有限公司，天津 300392；2.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392；3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；4.北京財貿(mào)職業(yè)學(xué)院，北京 101101）

強(qiáng)地震嚴(yán)重威脅著地下工程的結(jié)構(gòu)安全，如1976年唐山大地震，天津地鐵1號線在沉降縫處出現(xiàn)面層局部脫落和開裂的現(xiàn)象；1995年日本阪神地震[1～2]，造成大開地鐵車站嚴(yán)重破壞；因此，隨著大規(guī)模地鐵工程的建設(shè)，學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)抗震安全性的重視提升到一個新高度。郜新軍[3]建立三維區(qū)間隧道模型，研究了SV波斜入射下軟硬土體相間場地中隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律；梁建文等[4]研究了隧道間距對襯砌地震應(yīng)力的影響；王國波等[5]建立了軟土車站結(jié)構(gòu)和相鄰隧道的三維計(jì)算模型，分析了隧道對車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。以上研究均取得了一些有益經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果。

本文以天津軟土地區(qū)的地鐵盾構(gòu)隧道為研究對象，利用大型有限元軟件ANSYS 19.0建立雙隧道結(jié)構(gòu)二維分析模型，研究土-盾構(gòu)結(jié)構(gòu)共同作用下的地震反應(yīng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié)，為類似工程抗震分析及設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

天津地區(qū)為海積～沖積濱海平原地貌單元，地形總體較平坦。某地鐵盾構(gòu)區(qū)內(nèi)場地土為中～軟土，以新近淤積層淤泥、全新統(tǒng)新近沖積層粉質(zhì)黏土層和其他淤泥質(zhì)土為主；同時存在多條區(qū)域性斷裂，如海河斷裂、大寺斷裂、天津北斷裂等，這些斷裂往往是地震易發(fā)場所。盾構(gòu)管片覆土厚度一般在10～16 m。管片由C50混凝土預(yù)制而成，內(nèi)徑5.5 m、厚度350 mm。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

利用ANSYS 19.0軟件建立軟土-盾構(gòu)雙隧道結(jié)構(gòu)有限元分析模型，兩隧道中心間距取2.5倍管片計(jì)算直徑，即14.6 m，計(jì)算直徑為管片頂?shù)字行拈g距離，見圖1。

圖1 軟土-盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際工程盾構(gòu)管片上覆土厚度，選取d為10、12、14、16 m共4種情況，以14 m覆土厚度為基本計(jì)算工況；為研究場地土剪切波速對管片動力響應(yīng)的影響，場地土體的剪切波速Vs分別取100、120、150、200 m/s，以150 m/s為基本波速，同時考慮了剪切波入射角度對管片動響應(yīng)的影響。左線盾構(gòu)測點(diǎn)L1～L12按逆時針排序，右線盾構(gòu)測點(diǎn)R1～R12按順時針排列，相鄰測點(diǎn)夾角為30°。

有限元模型計(jì)算區(qū)域長120 m、高60 m。土體為Plane42平面單元模型，密度取1 900 kg/m3，泊松比取0.36，彈性模型根據(jù)選取的剪切波速導(dǎo)出；盾構(gòu)管片為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以BEAM3梁單元模擬，材料密度取2 500 kg/m3，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.2；人工邊界以Combin14號彈簧模擬。

2.2 黏-彈性人工邊界

分析地震動作用下場地土-結(jié)構(gòu)相互作用響應(yīng)規(guī)律時，需要在模型邊界上設(shè)置適當(dāng)?shù)娜斯み吔纾越茲M足場地?zé)o窮遠(yuǎn)輻射條件要求。比較常用的人工邊界有黏性邊界、透射邊界、黏-彈性邊界等；其中，黏-彈性人工邊界具有較好的頻率穩(wěn)定性和良好的適合性。杜修力等[6]對人工邊界參數(shù)的取值作了合理修正，得到二維模型的彈簧剛度系數(shù)K及黏滯阻尼系數(shù)C。

式中：ρ、λ、G分別為介質(zhì)密度、拉梅常數(shù)及剪切模量；CP、Cs分別為P波及S波在介質(zhì)中的波速；r為散射波源到人工邊界的距離；α、β為修正系數(shù)取α=0.8、β=1.1。

2.3 輸入地震動

研究表明，地震動水平向分量是影響結(jié)構(gòu)受力及造成結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，故在本次分析中，選取1976年天津?qū)幒硬ê?940年美國El Centro波水平向地震動加速度記錄并根據(jù)外源輸入理論轉(zhuǎn)化為位移時程和速度時程作為場地模型的輸入地震動。兩條地震動的卓越頻率分別為1.12、1.46 Hz，就整體所含頻譜成分而言，天津?qū)幒硬ㄒ缘皖l成分為主。見圖2。

圖2 場地輸入地震動加速度時程曲線

根據(jù)天津地區(qū)軌道交通地震安全性評價報告，場地地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，Ⅲ類場地。模型計(jì)算分析時，將兩條輸入地震動的加速度峰值均調(diào)整為2.0 m/s2。

3 結(jié)果分析

3.1 入射角度的影響

覆土厚度14 m、場地土剪切波速150 m/s時寧河波作用下，左線盾構(gòu)管片不同位置處彎矩差別明顯且隨地震動入射角度增大，不同位置處的彎矩峰值變化顯著。其中，L1、L4、L7、L10號測點(diǎn)在地震動垂直入射時的彎矩最小，最大值僅為16.1 kN·m；隨入射角度增大上述4測點(diǎn)處彎矩幾乎以相同的幅度增大，10°、20°角入射時增大至最大，分別為110.0、211.3 kN·m；而其他各測點(diǎn)則隨地震動入射角度增大不同幅度減小。同樣地，右線盾構(gòu)管片不同位置處彎矩值的變化趨勢與左線盾構(gòu)相同。見圖3。

圖3 左線盾構(gòu)隧道不同觀測點(diǎn)彎矩峰值

因左右線盾構(gòu)管片測點(diǎn)編號以模型中心軸對稱布置，在地震動垂直入射下，左右線相同測點(diǎn)的彎矩值相等，最大彎矩220.0 kN·m。在寧河波斜入射下，右線R3、R6、R9、R12測點(diǎn)較左線對稱測點(diǎn)處彎矩增大，10°角作用下增大幅度最大，為12.05%，彎矩最大值為211.3 kN·m；20°角作用下增大幅度最大，為12.95%，彎矩最大值為211.2 kN·m。右線其余各測點(diǎn)彎矩在地震動斜入射下均較左線減小。彎矩峰值普遍出現(xiàn)在地震動垂直入射時。見表1。

表1 地震動作用下左右線管片各測點(diǎn)彎矩kN·m

3.2 地震頻譜的影響

地震動的頻譜特性對結(jié)構(gòu)彎矩影響顯著，對軟土地區(qū)來說，低頻成分的地震動對盾構(gòu)管片彎矩的影響較大。覆土厚度14 m、場地土剪切波速150 m/s時，El Centro波以不同入射角度作用下，左線盾構(gòu)隧道不同測點(diǎn)處彎矩值的變化趨勢大致與寧河波作用下相同，但相同入射角度作用下同一測點(diǎn)的彎矩值差別顯著。以L3號測點(diǎn)為例，El Centro波垂直入射和10°角入射時的彎矩峰值分別為105.1、91.2 kN·m，而寧河波以同樣的角度入射時，彎矩峰值分別為196.5、171.0 kN·m，較El Centro波彎矩峰值分別高出約87.0%、87.5%。見圖4。

圖4 不同頻譜地震動下左線盾構(gòu)隧道測點(diǎn)彎矩峰值

3.3 覆土厚度的影響

埋深較大的盾構(gòu)隧道地震動響應(yīng)較顯著。場地土剪切波速150 m/s時，寧河波垂直入射下不同覆土厚度，除1、4、7、10號測點(diǎn)彎矩峰值很小且?guī)缀跸嗟韧?，其余測點(diǎn)處的彎矩峰值隨覆土厚度增大逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小。以3號測點(diǎn)為例，覆土厚12 m的彎矩峰值較10 m增大了12.8%；覆土厚14 m的峰值較12 m增大了10.8%，覆土厚16 m的峰值較14m增大了9.9%。見圖5。

圖5 不同覆土厚度的盾構(gòu)隧道測點(diǎn)彎矩峰值

3.4 場地土剪切波速的影響

場地土質(zhì)越軟，低頻成分為主的地震動對盾構(gòu)結(jié)構(gòu)造成的破損越嚴(yán)重。寧河波垂直入射、不同剪切波速場地下，1、4、7、10號測點(diǎn)彎矩峰值很小且?guī)缀跸嗟龋溆喔鳒y點(diǎn)處的彎矩峰值隨剪切波速的增大逐漸減小，但減小的幅度逐漸增大。以3號測點(diǎn)為例，Vs為120 m/s時的彎矩峰值較100 m/s時減小了19 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小3.7%；Vs為150 m/s時的彎矩峰值較120 m/s時減小了43.4 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小6.0%；Vs為200 m/s時的彎矩峰值較150 m/s時減小了64.6 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小6.6%。見圖6。

圖6 不同剪切波速場地下的盾構(gòu)隧道測點(diǎn)彎矩峰值

4 結(jié)論

1）與垂直入射相比，地震動斜入射時盾構(gòu)管片不同位置處的彎矩峰值差逐漸減小，其中水平向和豎向4個測點(diǎn)的彎矩峰值顯著增大，其他測點(diǎn)的彎矩峰值遞減；但彎矩峰大值普遍出現(xiàn)在地震動垂直入射時。

2）因左右線盾構(gòu)隧道關(guān)于模型的對稱性，在地震動垂直入射下，左右線相同測點(diǎn)處的彎矩值相等；但在地震動斜入射下，右線隧道彎矩峰值在不同測點(diǎn)處較左線隧道增大或減小。

3）地震動的頻譜特性對結(jié)構(gòu)彎矩影響顯著，對軟土地區(qū)來說，低頻成分的地震動對盾構(gòu)管片彎矩的影響較大。

4）地震動作用下，隧道彎矩峰值隨埋深增大，呈逐漸增大趨勢。

5）對天津中軟土場地來說，土質(zhì)越軟，低頻成分為主的地震動對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)造成的損傷越嚴(yán)重。