巖石場(chǎng)地群洞地鐵車站聯(lián)絡(luò)通道地震響應(yīng)分析*

袁 勇 李若舟 賀維國 李清菲

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 200092， 上海； 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 200092， 上海；3.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道設(shè)計(jì)分公司， 300308， 天津∥第一作者， 教授)

巖石場(chǎng)地地下工程在巖土體介質(zhì)的強(qiáng)約束作用下，其抗震性能明顯優(yōu)于地面建筑物[1-2]。然而，根據(jù)國內(nèi)外震害調(diào)查結(jié)果，地震作用依然會(huì)導(dǎo)致地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖的損傷、破壞乃至洞室的完全坍塌。例如，在2008年我國的汶川地震中，龍溪隧道距震中49 km，其洞口處混凝土嚴(yán)重開裂，襯砌發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，洞室襯砌開裂剝落，地板最大隆起達(dá)1.2 m[3]。地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)主要受周圍巖土體變形的控制，故在結(jié)構(gòu)截面突變部位(如地鐵車站與隧道的連接處)容易發(fā)生剛度突變，進(jìn)而形成較大變形差，破壞地下結(jié)構(gòu)的安全。在1995年日本阪神地震中，三宮盾構(gòu)隧道與豎井連接處發(fā)生接頭結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，造成了盾構(gòu)隧道管片接頭破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重漏水事故[4]。可見，需特別關(guān)注地下結(jié)構(gòu)截面剛度突變部位的抗震性能。文獻(xiàn)[5]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法研究了地鐵車站與隧道接頭的地震響應(yīng)，分析了車站結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位以及接頭對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[6]建立了彈性、剛性與柔性盾構(gòu)隧道接頭模型，分析了接頭類型、周圍土體加固情況及非線性接觸面等因素對(duì)隧道抗震的影響。文獻(xiàn)[7]研究了剛性接頭與鉸接接頭對(duì)盾構(gòu)隧道連接處的抗震影響。目前，相關(guān)研究主要關(guān)注盾構(gòu)隧道與工作井連接處的抗震特性，較少關(guān)注巖石場(chǎng)地地鐵車站與聯(lián)絡(luò)通道連接處的抗震特性。某交疊型群洞地鐵車站采用礦山法建造。本文以該站為案例車站，建立隧道群圍巖-結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析該站站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道、站廳層、站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道等薄弱部位，以及車站與區(qū)間隧道連接處附近的應(yīng)力分布特征及受力情況。

1 工程背景

案例車站采用站廳與站臺(tái)分離、且左右站臺(tái)分離的交疊型群洞結(jié)構(gòu)形式。站廳隧道長183.2 m，站臺(tái)隧道長169.1 m，站廳層雙層斷面拱頂埋深為15.2 m。站廳層與站臺(tái)層由多個(gè)斜通道及垂直通道連接，形成群洞空間結(jié)構(gòu)。這種車站結(jié)構(gòu)形式在全國尚屬首例。圖1為該站結(jié)構(gòu)示意圖。乘客通過站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道穿梭于站廳層和站臺(tái)層之間，并通過站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行左右線路的換乘。風(fēng)道連接站廳和站臺(tái)，并進(jìn)行車站內(nèi)換氣。站廳隧道采用雙層初支拱蓋法施工，即拱部采用環(huán)形導(dǎo)坑法開挖，下斷面采用臺(tái)階法開挖；站臺(tái)隧道均采用臺(tái)階法開挖。車站結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。為便于計(jì)算，本文將風(fēng)道簡化為站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道。簡化后的地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)視圖見圖2。站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道和站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的具體尺寸見圖3。

圖1 案例車站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of case station structure

尺寸單位：m圖2 簡化后的車站結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.2 Side view of simplified station structure

2 動(dòng)力分析模型

2.1 有限元模型

本文采用ABAQUS軟件建立三維車站-圍巖有限元模型來分析案例車站的地震響應(yīng)。參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及文獻(xiàn)[8]，本文所建模型尺寸為300 m (橫向方向)×400 m (沿車站縱向方向)×70 m (深度方向)，如圖4所示。模型尺寸滿足結(jié)構(gòu)與邊界距離>3倍結(jié)構(gòu)寬度的要求。模型中，圍巖采用實(shí)體單元C3D8R，襯砌采用殼單元S4R，網(wǎng)格數(shù)量約為10萬個(gè)，車站結(jié)構(gòu)附近網(wǎng)格最大尺寸為5 m，小于最大波動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)波長的1/8。模型側(cè)向邊界采用等位移邊界，即在地震動(dòng)輸入方向上綁定邊界上等高度對(duì)應(yīng)點(diǎn)的自由度，放松其余方向的自由度。

a) 站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)

b) 站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)尺寸單位：m圖3 聯(lián)絡(luò)通道尺寸示意圖Fig.3 Diagram of link passage size

圖4 三維有限元模型中剖面Fig.4 Section in 3D finite element model

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了簡化計(jì)算，將車站結(jié)構(gòu)視為均勻的、連續(xù)的混凝土材料，采用線彈性模型模擬。對(duì)于車站結(jié)構(gòu)，除中柱和中板用C45混凝土以外，其余部分均使用C30混凝土。相關(guān)材料參數(shù)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，具體如表1所示。隧道結(jié)構(gòu)與周圍地層采用TIE(綁定)連接。

表1 隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2.2 場(chǎng)地情況

案例車站大部分覆蓋層厚度小于3.0 m。場(chǎng)地類別為I1類，其余為基巖。在深度70 m范圍內(nèi)的基巖均為花崗巖及花崗斑巖等巖性較好的巖石。根據(jù)GB/T 5021—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，將微風(fēng)化花崗巖判定為Ⅲ級(jí)巖體，將中風(fēng)化花崗巖判定為Ⅳ級(jí)巖體。巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。表2為巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表。圍巖阻尼采用Rayleigh阻尼，并取模型前兩階的圓頻率來計(jì)算阻尼系數(shù)。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 輸入地震動(dòng)

采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，考慮設(shè)防地震作用，在模型底部橫向輸入青島波、集集波和汶川波。設(shè)計(jì)地震加速度峰值為0.1g(g為重力加速度)。調(diào)幅和基線校正后的地震波加速度時(shí)程曲線見圖5。在計(jì)算之前，需先對(duì)車站-圍巖體系進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，得到地層和車站結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 車站內(nèi)連通道連接處薄弱部位分析

交疊型群洞地鐵車站的空間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其站廳和站臺(tái)層的結(jié)構(gòu)剛度較大，站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道及站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道剛度較小，在連接部位存在截面形式突變和結(jié)構(gòu)剛度突變的問題。因此，需在分析地震響應(yīng)時(shí)特別關(guān)注各連接部位是否安全可靠。圖6為站廳層拱底和站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的最大主應(yīng)力分布。由圖6可見，站廳隧道與站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接處的拱肩部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道與站臺(tái)隧道連接處的拱底部位也出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。經(jīng)分析，由于車站與聯(lián)絡(luò)通道為剛性連接，因此，在地震動(dòng)作用下，車站與聯(lián)絡(luò)通道之間的相對(duì)位移會(huì)使其連接處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂，甚至破壞。

a) 青島波

b) 集集波

c) 汶川波圖5 地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.5 Seismic motion acceleration time-history curve

3.2 站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的動(dòng)力響應(yīng)

圖7為站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的平面分布示意圖。圖7中，斷面A和斷面B為聯(lián)絡(luò)通道與站臺(tái)隧道的連接面。站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的動(dòng)力響應(yīng)主要為連接部位的縱向彎矩、縱向軸力和環(huán)向剪力，彎矩與軸力對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的軸線方向，剪力對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的環(huán)向。與站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道類似，站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道上下斷面的動(dòng)力響應(yīng)主要研究內(nèi)容也為縱向彎矩、軸力及環(huán)向剪力。

a) 站廳層拱底最大主應(yīng)力分布

b) 站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道最大主應(yīng)力分布圖6 結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布云圖Fig.6 Nephogram of structure maximum principal stressdistribution

注:1#—4#通道為站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道;斜通道1及斜通道2為站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道。

在模型底部輸入青島波，站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的斷面A和B的內(nèi)力峰值變化見圖8。如圖8 a)所示：4#通道斷面A處的縱向彎矩峰值最大；斷面A處的4#通道縱向彎矩峰值比斷面B處的大35%，斷面A處的3#通道彎矩峰值比斷面B處的大198%；其他3個(gè)通道斷面A與斷面B的彎矩峰值較為接近。從圖8 b)可以看出：縱向軸力峰值最大值出現(xiàn)在4#通道的斷面A；4#通道的斷面A處軸力峰值比斷面B處軸力峰值大29%。從圖8 c)可以發(fā)現(xiàn)：3#通道斷面B處的環(huán)向剪力峰值最大；斷面B處的剪力峰值較斷面A處的大101%，而4#通道斷面A處彎矩峰值比斷面B處彎矩峰值大144%。綜上所述，對(duì)于同一地震波工況下的同一聯(lián)絡(luò)通道，斷面A處的內(nèi)力峰值基本大于斷面B處的內(nèi)力峰值；站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道4的斷面A處是結(jié)構(gòu)受力的最不利部位。

a) 縱向彎矩峰值

b) 縱向軸力峰值

c) 環(huán)向剪力峰值圖8 青島波對(duì)站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接處內(nèi)力峰值的影響

3.3 站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的動(dòng)力響應(yīng)

地震動(dòng)特性是影響土體地震反應(yīng)的重要因素。在不同振幅的地震動(dòng)作用下，地層會(huì)出現(xiàn)剪切應(yīng)變，并發(fā)生塑性區(qū)分布的變化，進(jìn)而影響地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；在不同地震動(dòng)頻譜作用下，場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)有不同的放大效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的作用也不同。

本文選取了3種主頻不同的地震動(dòng)輸入，分析地震動(dòng)特性對(duì)站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接處上下斷面(見圖3)的內(nèi)力影響。分析結(jié)果見圖9。經(jīng)分析，上斷面的內(nèi)力峰值均小于下斷面內(nèi)力峰值。這說明連接部位下斷面處是結(jié)構(gòu)受力的較不利位置。當(dāng)輸入不同特性的地震動(dòng)時(shí)，同一個(gè)斷面的內(nèi)力峰值分布具有一定的規(guī)律性。從圖9 a)中可以發(fā)現(xiàn)，就彎矩峰值而言，青島波的最大，比集集波的大了8%～16%，比汶川波的大了4%～28%。圖9 b)及圖9 c)中青島波造成的內(nèi)力峰值也具有類似的變化規(guī)律。這是因?yàn)榍鄭u波的主頻更接近于場(chǎng)地的基頻。

a) 縱向彎矩峰值

b) 縱向軸力峰值

c) 環(huán)向剪力峰值圖9 地震動(dòng)頻譜對(duì)站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接處內(nèi)力的影響

4 結(jié)論

1) 在地震動(dòng)作用下，站廳隧道與站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接處的拱肩部位會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道與站臺(tái)隧道連接處的拱底部位也會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。這些部位是連接處抗震的薄弱環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)關(guān)注。

2) 在同一地震動(dòng)作用下，站臺(tái)-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道的內(nèi)力峰值,斷面A處基本大于斷面B處。4#通道的斷面A處是結(jié)構(gòu)受力的較不利部位，易發(fā)生混凝土開裂，甚至進(jìn)一步破壞。

3) 當(dāng)輸入不同特性的地震動(dòng)時(shí)，站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道同一個(gè)斷面的內(nèi)力峰值具有一定的規(guī)律性。青島波造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大。站廳-站臺(tái)聯(lián)絡(luò)通道連接部位下斷面處是結(jié)構(gòu)受力的最不利位置。