近斷層地震下城市隧道動(dòng)力響應(yīng)與襯砌選型

尹 超， 朱星宇， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031)

一般看來，地下結(jié)構(gòu)受到周圍巖土體的約束，在地震作用下表現(xiàn)出對圍巖的追隨性，具有較為優(yōu)良的抗震能力,但實(shí)際工程案例表明，在某些特殊的情況下，隧道結(jié)構(gòu)仍可能受到較大程度的震害[1]。一些學(xué)者也對地下結(jié)構(gòu)在典型地震下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究[2-3]。對于近斷層地震，由于其發(fā)震位置在多分布于斷層構(gòu)造附近，且斷層位置圍巖松散破碎，往往導(dǎo)致隧道等地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相較于常規(guī)地震更加嚴(yán)重的破壞。加之中國幅員遼闊，包括地裂縫及活動(dòng)斷層在內(nèi)的各種地質(zhì)構(gòu)造廣泛分布，所以對近斷層地震下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入研究就更有重要意義[4]。此外，地震作用下不同結(jié)構(gòu)形式隧道的動(dòng)力響應(yīng)及破壞程度也有不同，所以應(yīng)對不同形式襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行對比分析。

王建寧等[5]通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了圓形隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)。張穩(wěn)軍等[6]研究了地震荷載下封頂塊位置對隧道力學(xué)性能的影響。Chen等[7]通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究了地震作用下的隔震機(jī)理。張成明等[8]提出以襯砌橫斷面整體壓縮和拉伸損傷指數(shù)作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)。崔光耀等[9]采用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的抗震措施。趙密等[10]對比驗(yàn)證了地震計(jì)算中經(jīng)典簡化解析方法在不同襯砌厚度條件下的內(nèi)力預(yù)測精度。梁波等[11]分析了斷層構(gòu)造對隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。何則干等[12]建立隧道-圍巖系統(tǒng)三維非線性有限元模型，采用該模型對隧道洞口段結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)過程分析。這些研究主要針對盾構(gòu)及山嶺隧道展開，而對城市淺埋條件下不同襯砌形式隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性則較少進(jìn)行深入分析。

鑒于此，依托烏市軌道交通2號線工程，針對其多次穿越活動(dòng)斷裂，易受到近斷層地震破壞的實(shí)際情況，通過建立三維數(shù)值模型，對不同斷面形式的襯砌結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究，旨在為隧道斷面的合理選型提供依據(jù)，并為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵2號線(簡稱“2號線”)是烏魯木齊軌道交通網(wǎng)南北向骨干線。

在設(shè)計(jì)過程中，考慮到不同區(qū)間的用途及地質(zhì)構(gòu)造的差異，對不同的開挖區(qū)間采用不同的斷面形式。正線區(qū)間隧道采用單線馬蹄形斷面；對于車輛段出入線，受到建筑限界的要求，采用箱型曲拱斷面。不同區(qū)間隧道斷面形式如圖1所示。

圖1 隧道襯砌斷面圖Fig.1 Two types of lining sections in urban tunnel

2 場地震動(dòng)特性

烏魯木齊位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地質(zhì)構(gòu)造上屬于北天山山前最新隆起帶。受南北向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場作用[13-14]，發(fā)育了一系列活動(dòng)斷層。這些斷層錯(cuò)動(dòng)是近場區(qū)內(nèi)的主要地震構(gòu)造，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)震頻繁且震害嚴(yán)重，1864年以來天山地區(qū)地震統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 場地地震統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)對線路擬建場地周圍4.7級以上地震頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 線路場地地震分布

統(tǒng)計(jì)表明，場區(qū)地震活動(dòng)頻次及強(qiáng)度均較大。以2號線場地為中心，大部分破壞性地震位于50 km以外地區(qū)，近場區(qū)范圍內(nèi)中強(qiáng)地震活動(dòng)相對頻繁，為保證2號線的安全運(yùn)營，應(yīng)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能計(jì)算。

3 動(dòng)力仿真模擬

3.1 地震動(dòng)荷載的確定

根據(jù)《烏魯木齊軌道2號線一期工程場地地震安全性評估報(bào)告》，九家灣斷層組具備6.5級地震發(fā)震能力?？紤]到地震動(dòng)的作用效應(yīng)以水平方向?yàn)橹?，故著重針對水平方向的震?dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究。

場地內(nèi)基巖水平向峰值加速度及加速度衰減關(guān)系，如圖2所示。

圖2 基巖水平向峰值加速度及加速度衰減關(guān)系Fig.2 Horizontal peak acceleration of bedrock and its attenuation relationship

根據(jù)基巖震動(dòng)參數(shù)，人工合成基巖加速度時(shí)程曲線，沿著模型底部進(jìn)行輸入。其加速度曲線和傅里葉幅值，如圖3和圖4所示。

圖3 加速度時(shí)程曲線Fig.3 Acceleration time history curve

圖4 傅里葉幅值Fig.4 Fourier amplitude

3.2 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D有限差分法分別建立單線馬蹄形隧道及箱型曲拱隧道的三維動(dòng)力計(jì)算模型。

通常認(rèn)為，當(dāng)模型邊界尺寸為結(jié)構(gòu)5倍左右時(shí)，可有效避免邊界效應(yīng)的影響，據(jù)此確定模型尺寸為水平及豎向50 m，縱向100 m。為避免地震波在邊界上反射造成分析失真，在模型周圍施加自由邊界，底部施加靜態(tài)邊界，頂部為自由面。最終建立的計(jì)算模型及邊界如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 The numerical model

在支護(hù)方式的選擇上，馬蹄形隧道采用300 mm厚C25初支，二襯為600 mm厚C45混凝土；箱型曲拱隧道邊墻、中隔墻分別為600、350 mm厚C45混凝土，頂板及地板為700 mm厚C45混凝土。

根據(jù)地勘報(bào)告，斷層破碎帶內(nèi)圍巖級別為V級。土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；圍巖與支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖與支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 測點(diǎn)布置

對于馬蹄形斷面，選取拱頂、拱肩、拱腰、墻腳和仰拱等5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；對于雙線箱形曲拱結(jié)構(gòu)，則選取拱頂、拱肩、墻腳和底板等4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別從位移、速度、應(yīng)力及安全系數(shù)等方面對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of measuring points

4 結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)

考慮到地震作用以橫向效應(yīng)為主，本次計(jì)算著重對隧道襯砌結(jié)構(gòu)包括橫向位移、速度及應(yīng)力響應(yīng)特性進(jìn)行研究。

4.1 襯砌位移響應(yīng)分析

4.1.1 馬蹄形襯砌

馬蹄形隧道從拱頂?shù)窖龉案鱾€(gè)測點(diǎn)的橫向位移時(shí)程響應(yīng)如圖7所示?？煽闯霾煌瑴y點(diǎn)橫向位移時(shí)程曲線基本重合，各測點(diǎn)相對位移很小，表明地震過程中馬蹄形隧道襯砌結(jié)構(gòu)基本保持完整，未發(fā)生顯著變形。

圖7 結(jié)構(gòu)橫向位移響應(yīng)(馬蹄形)Fig.7 Lateral displacement response (horseshoe shape)

在地震過程中，最大橫向位移出現(xiàn)在10～11 s，最大值為0.49 m；最小值發(fā)生在7 s附近，為-0.38 m，橫向位移最大值位置均在拱頂。

地震結(jié)束后，隧道周圍巖土體在地震動(dòng)作用下發(fā)生了一定程度的永久變形。

4.1.2 箱型曲拱襯砌

箱型曲拱隧道從拱頂?shù)降装逯行母鳒y點(diǎn)橫向位移時(shí)程響應(yīng)如圖8所示。與馬蹄形斷面相類似，不同測點(diǎn)的橫向位移時(shí)程曲線變化基本保持一致，表明地震過程中箱型曲拱襯砌結(jié)構(gòu)基本保持完整，同樣未發(fā)生顯著的變形。

圖8 結(jié)構(gòu)橫向位移響應(yīng)(箱型曲拱)Fig.8 Lateral displacement response (box curved arch)

但橫向位移響應(yīng)的幅值與馬蹄形隧道有所差異。地震過程中箱型曲拱隧道最大橫向位移發(fā)生在10～11 s，達(dá)0.5 m，位于拱頂；最小值發(fā)生在7 s附近，為-0.39 m，發(fā)生在底板位置?？傮w來看，其地震過程中的位移幅值略大于馬蹄形隧道。

震動(dòng)結(jié)束后，各監(jiān)測點(diǎn)位移響應(yīng)恢復(fù)為零值，表明箱型曲拱隧道對地震動(dòng)作用適應(yīng)性較強(qiáng)。

4.2 襯砌速度響應(yīng)分析

4.2.1 馬蹄形襯砌

馬蹄形隧道各測點(diǎn)的橫向速度響應(yīng)，如圖9所示。從圖9中可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)橫向速度反應(yīng)基本一致，隧道結(jié)構(gòu)處于整體共同運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，震動(dòng)結(jié)束后各監(jiān)測點(diǎn)速度反應(yīng)趨于零。

圖9 結(jié)構(gòu)橫向速度響應(yīng)(馬蹄形)Fig.9 Lateral velocity response (horseshoe shape)

4.2.2 箱型曲拱襯砌

箱型曲拱隧道各測點(diǎn)的橫向速度響應(yīng)如圖10所示。與馬蹄形隧道相類似，各測點(diǎn)橫向速度反應(yīng)基本一致，隧道結(jié)構(gòu)整體共同運(yùn)動(dòng)，震動(dòng)結(jié)束后各監(jiān)測點(diǎn)速度反應(yīng)趨于零。

對比分析兩種斷面的橫向速度響應(yīng)特性可以看出，地震中二者橫向速度時(shí)程變化趨勢基本保持一致，但速度響應(yīng)峰值有小幅差異，箱型曲拱隧道橫向速度峰值約為0.6 m/s，略大于馬蹄形隧道。

地震作用下，兩種隧道各測點(diǎn)速度響應(yīng)特性幾乎一致，表明隧道結(jié)構(gòu)速度反應(yīng)特性僅取決于輸入地震動(dòng)特性，與襯砌部位關(guān)系不大。

4.3 襯砌應(yīng)力響應(yīng)分析

4.3.1 馬蹄形襯砌

馬蹄形隧道襯砌應(yīng)力響應(yīng)如表4所示。可以看出襯砌結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力狀態(tài)主要以受壓為主，斷層帶內(nèi)襯砌應(yīng)力響應(yīng)幅值顯著大于正常帶。表明破碎的圍巖對地震動(dòng)效應(yīng)有明顯的放大作用。

表4 馬蹄形隧道襯砌應(yīng)力響應(yīng)

4.3.2 箱型曲拱襯砌

箱型曲拱隧道襯砌的應(yīng)力響應(yīng)，如表5所示。

表5 箱型曲拱隧道襯砌應(yīng)力響應(yīng)

同樣的，襯砌結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)主要以受壓為主，相較于馬蹄形隧道，其應(yīng)力響應(yīng)幅值明顯降低；斷層帶內(nèi)襯砌應(yīng)力響應(yīng)幅值仍大于正常帶。體現(xiàn)出破碎圍巖對地震動(dòng)的放大作用。

4.4 結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

為評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)在近場地震作用下的安全特性，通過提取襯砌彎矩及軸力值，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算安全系數(shù)，如表6、表7所示。

表6 馬蹄形隧道襯砌安全系數(shù)

表7 箱型曲拱隧道襯砌安全系數(shù)

通過分析安全系數(shù)可以看出，馬蹄形和箱型曲拱隧道在該地震作用下安全性均滿足規(guī)范要求。

對于馬蹄形隧道，其墻腳的安全系數(shù)最小，為抗震的薄弱部位；而箱型曲拱結(jié)構(gòu)則是拱肩和墻腳部位抗震最為不利，應(yīng)在設(shè)計(jì)和施工過程中對薄弱部位進(jìn)行針對性的加強(qiáng)。

5 襯砌選型

通過對單線馬蹄形及箱型曲拱襯砌結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析，綜合考量襯砌結(jié)構(gòu)位移、速度、應(yīng)力響應(yīng)及安全性，得到如下結(jié)論。

(1)對于馬蹄形襯砌，其斷面尺寸較小，地震作用下的速度響應(yīng)略小于箱型曲拱斷面，但其位移響應(yīng)較大，拱頂位置尤為明顯，地震結(jié)束后，出現(xiàn)了一定程度的永久位移。

(2)對于箱型曲拱襯砌，其斷面尺寸較馬蹄形襯砌更大，在地震過程中速度響應(yīng)略大，對地震作用適應(yīng)性良好。

(3)對于兩種結(jié)構(gòu)形式的安全性，馬蹄形結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)大于箱型曲拱結(jié)構(gòu)，在均能滿足規(guī)范要求的前提下具有更加充分的安全儲(chǔ)備。實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工條件及線路要求等因素綜合考慮，確定結(jié)構(gòu)形式。

6 結(jié)論

近斷層地震的發(fā)生與斷層活動(dòng)及其破碎程度密切相關(guān)，易導(dǎo)致穿越近斷層的城市隧道結(jié)構(gòu)受到震害程度更為嚴(yán)重。基于三維動(dòng)力仿真模型分析，獲得以下主要結(jié)論。

(1)兩種襯砌結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下均基本保持完整，但速度及位移響應(yīng)存在差異，箱型曲拱結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)峰值及位移幅值略大于馬蹄形結(jié)構(gòu)。

(2)對馬蹄形或箱型曲拱襯砌，地震作用下其各部位速度響應(yīng)基本一致，且響應(yīng)特性主要取決于地震動(dòng)特性，與襯砌部位關(guān)系不大。

(3)對于穿越斷層破碎帶的襯砌結(jié)構(gòu)，其地震作用下的應(yīng)力響應(yīng)明顯增加，破碎圍巖對地震作用有放大作用，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以充分考慮。

(4)兩種襯砌形式在地震作用下的安全性能均能滿足要求，其中，馬蹄形襯砌具有更加充分的安全儲(chǔ)備，實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合具體條件合理選用。