明挖隧道預制結(jié)構(gòu)三維地震響應分析

薛 源 張銀屏 劉 濤 袁 勇

1. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 201103；

2. 上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 上海 200123；

3. 上海黃浦江越江設施投資建設發(fā)展有限公司 上海 200335；

4. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室 上海 200092

明挖隧道主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土工藝，施工技術(shù)簡單，是城市隧道首選的施工方法之一。然而，明挖法施工時會阻斷既有道路交通，澆筑混凝土會產(chǎn)生噪聲，且清洗泵車時將產(chǎn)生污水。明挖工法采用預制混凝土拼裝隧道箱涵結(jié)構(gòu)，不僅可以消除現(xiàn)澆混凝土的缺陷，還有利于節(jié)省施工工期，從而減小對交通和環(huán)境的影響。但預制拼裝結(jié)構(gòu)的拼接方式和接縫會影響其結(jié)構(gòu)行為，包括地震作用下的性能。

隧道結(jié)構(gòu)抗震研究的文獻很多，張旭等[1]運用非線性彈簧元簡化模型模擬沉管隧道接頭，通過三維有限元分析研究沉管隧道在地震作用下的變形和內(nèi)力響應。劉鵬等[2]模擬分析了地震作用時沉管隧道接頭處的相對位移和止水帶的變形情況。Ding等[3]在考慮材料非線性和接觸非線性的條件下模擬了沉管隧道的整體抗震性能，并揭示了結(jié)構(gòu)薄弱部位。禹海濤等[4]通過三維精細化模型研究了變形縫對盾構(gòu)隧道縱向抗震性能的影響規(guī)律。王程等[5]對比三維與二維數(shù)值模型的計算結(jié)果，分析了錯縫拼裝對大直徑盾構(gòu)隧道抗震性能的影響。董飛等[6]比較了不同分塊形式下大直徑盾構(gòu)隧道的地震響應，分析了管片接頭對隧道抗震性能的影響。顯然，對隧道抗震性能的數(shù)值分析研究主要集中于沉管隧道和盾構(gòu)隧道，而現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范[7-8]尚無針對預制拼裝式箱涵結(jié)構(gòu)的規(guī)定，對淺埋矩形隧道抗震的研究則側(cè)重于對比分析墊層厚度的影響[9]。由此可見，明挖法施工的預制拼裝式箱涵隧道結(jié)構(gòu)抗震性能研究仍比較欠缺。

本文以上海武寧路快速通道改造工程為背景，結(jié)合該明挖隧道工程預制箱涵結(jié)構(gòu)的特點，建立考慮預制件間接縫的三維數(shù)值模型，采用在底部黏彈性邊界上施加等效節(jié)點力方法輸入設防地震上海人工波，分析了靜力作用和疊加地震波作用下箱涵隧道預制結(jié)構(gòu)內(nèi)力和層間位移以及各接縫的動力響應特征。

1 工程概況

武寧路快速通道改造工程位于上海市普陀區(qū)，西起大渡河路西側(cè)，線路沿現(xiàn)狀武寧路布置，過大渡河路、蘭溪路、曹楊路、中山北路等交叉口，東至東新路，主線全長2 490 m。隧道主體結(jié)構(gòu)大部分采用明挖法配合現(xiàn)澆混凝土施工，但在隧道西側(cè)靠近敞開段處的K0＋755～K0＋800區(qū)段采用預制裝配式混凝土箱涵結(jié)構(gòu)體系，預制區(qū)段位置如圖1所示。

圖1 隧道預制區(qū)段所處位置

預制區(qū)段長度45 m，隧道結(jié)構(gòu)主要由21節(jié)寬度2 m的預制拼裝節(jié)段錯縫拼裝組成，每一節(jié)段由上蓋拼裝塊與下部拼裝塊構(gòu)成，根據(jù)橫斷面錯縫所處位置，可將隧道縱縫區(qū)分為高拼縱縫和低拼縱縫。相鄰2個拼裝節(jié)段的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 預制拼裝節(jié)段的構(gòu)成

2 三維有限元模型

2.1 隧道和土體模型

根據(jù)預制區(qū)段隧道的實際尺寸建立隧道結(jié)構(gòu)有限元模型，依據(jù)地質(zhì)勘察報告建立隧道周圍的土體模型。為了減小人工邊界的影響，模型底部取至地表以下70 m，隧道兩側(cè)土體各取3倍隧道寬度。為考慮實際工程中相鄰整澆節(jié)段對預制區(qū)段的約束作用，在隧道縱向前后各建立與預制區(qū)段隧道等長的約束段隧道模型。整體模型大小為135 m×141.4 m×70 m，節(jié)點總數(shù)為183 762，單元總數(shù)為150 867。其中，隧道預制混凝土結(jié)構(gòu)和土體均采用8節(jié)點六面體實體單元，縱向前后兩個約束段隧道結(jié)構(gòu)采用考慮厚度的8節(jié)點連續(xù)殼單元。預制區(qū)段隧道拼裝節(jié)段縱縫采用不考慮側(cè)向滑動的粗糙接觸rough進行模擬，節(jié)段間接縫通過Hussein等[10]推薦的黏結(jié)滑移接觸traction-separation來模擬。隧道模型和土體模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)模型

圖4 土體模型

2.2 邊界條件

地震波將從覆蓋層－70 m處垂直入射，土體模型四周施加等位移邊界條件。

針對土體底部的約束條件，如果施加常規(guī)的豎向約束而讓水平方向自由，當?shù)卣鸩▊鞯竭吔鐣r將會發(fā)生反射作用，從而對模型的動力響應造成額外的附加影響。為了消除這種效應，參考王振宇等[11]的研究，在土體底部施加黏彈性邊界，并將地震波動轉(zhuǎn)化為作用于人工邊界上的等效荷載以實現(xiàn)地震波輸入。

2.3 計算參數(shù)

輸入地震波采用設防上海人工波。本工程隧道結(jié)構(gòu)混凝土等級采用C35，具體參數(shù)如表1所示，分析中采用線彈性材料模型來模擬該種材料。

表1 混凝土C35性能參數(shù)

工程場地屬濱海平原地貌類型，工程沿線地勢較平坦，地面標高3.22～6.58 m。地表以下70 m深度范圍內(nèi)主要有8個沉積時代的地層，依據(jù)成因類型及土性變化進一步劃分為11個亞層。隧道周圍土體視作考慮瑞利阻尼的線彈性材料[12]。根據(jù)巖土工程詳勘報告選取各層土體參數(shù)，物理力學性能如表2所示，泊松比均取0.3。

表2 地基土物理力學性能參數(shù)

2.4 計算工況

研究過程中對不同縱縫位置的預制節(jié)段展開分析，根據(jù)荷載和作用的種類以及地震波輸入方向，細分為6種工況進行計算，工況內(nèi)容及編號如表3所示。

表3 計算工況

3 計算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

為考察隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力分布情況，讀出各工況下單個拼裝節(jié)段繞隧道縱向y軸的彎矩分布，如表4所示。

表4 預制拼裝節(jié)段彎矩分布單位：kN·m

從表4可以看出，所有工況中，2種預制拼裝節(jié)段最大正負彎矩均出現(xiàn)在相同的位置。對工況1b和工況2b進行分析后可知，在橫向地震動作用下，最大負彎矩出現(xiàn)在橫梁與中隔墻相交的位置，高拼縱縫節(jié)段為－1 340.2 kN·m，低拼縱縫節(jié)段為－1 566.0 kN·m；最大正彎矩出現(xiàn)在底板跨中位置，高拼縱縫節(jié)段為658.7 kN·m，低拼縱縫節(jié)段為632.1 kN·m。

為進一步考察動力作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，將扣除靜力部分后單純由地震作用引起的彎矩值與靜力工況彎矩值的比值以百分數(shù)形式列于表5，以此顯示動力作用對結(jié)構(gòu)彎矩的影響程度。

表5 動力作用對結(jié)構(gòu)彎矩的影響單位：%

從表5可以看到，在工況1b和工況2b中，橫向地震動作用對結(jié)構(gòu)彎矩影響最顯著的位置位于側(cè)墻上部，影響程度均超過200%，其中高拼縱縫節(jié)段為225.9%，低拼縱縫節(jié)段為243.7%。對工況1c和工況2c進行分析后可知，縱向地震動作用對結(jié)構(gòu)彎矩值的影響較小，影響最顯著的位置位于預制節(jié)段的低拼縱縫處，影響大小為2.2%。

3.2 層間位移角

考察層間位移隨動力作用時間的變化，得到2種預制節(jié)段的層間位移時程曲線，如圖5所示。

圖5 層間位移時程曲線

隧道結(jié)構(gòu)層高5.85 m，可通過層間位移換算得到層間位移角。由圖5可知，工況1a和工況2a中靜力荷載引起的初始層間位移值為0.1 mm，對應初始層間位移角1/58 500。工況1b和工況2b中，層間位移值在橫向地震動作用下發(fā)生明顯波動，高拼縱縫節(jié)段最大層間位移達到1.4 mm，低拼縱縫節(jié)段達到1.3 mm，對應層間位移角分別為1/4 179和1/4 500。工況1c和工況2c中，縱向地震動作用下，層間位移大小幾乎不發(fā)生變化，縱向動力作用對層間位移角的影響很小。可見，所有工況均滿足抗震規(guī)范對層間位移角不大于1/550的限值要求。

3.3 接縫張開量

在研究預制拼裝隧道的抗震性能時，除了需要關(guān)注結(jié)構(gòu)內(nèi)力和層間位移以外，還要關(guān)注預制件間接縫的張開量大小，以下考察模型預制拼裝節(jié)段縱縫以及相鄰節(jié)段間接縫的張開量。

在地震動作用的全過程中，高拼縱縫始終保持閉合，低拼縱縫和節(jié)段間接縫則隨動力作用發(fā)生張開，張開量時程曲線如圖6和圖7所示。

圖6 低拼縱縫張開量時程曲線

圖7 節(jié)段間接縫張開量時程曲線

靜力荷載作用下，節(jié)段低拼縱縫的初始張開量為0.032 mm。在橫向地震動作用下，低拼縱縫張開量達到0.061 mm，橫向動力作用對張開量的影響為90.6%。在縱向地震動作用下，低拼縱縫最大張開量為0.034 mm，縱向動力作用對張開量的影響為6.2%。

靜力工況中，節(jié)段間接縫的初始張開量為0.029 mm。在橫向地震動作用下，節(jié)段間接縫張開量達到0.041 mm，橫向動力作用對張開量的影響為41.4%。在縱向地震動作用下，節(jié)段間接縫最大張開量為0.034 mm，縱向動力作用對張開量的影響為17.2%。

4 結(jié)語

相較于整體現(xiàn)澆工法，在明挖隧道施工中應用預制拼裝工法可以節(jié)省工期并提高混凝土構(gòu)件質(zhì)量，對城市中心區(qū)域施作的明挖工程具有一定推廣價值，但在結(jié)構(gòu)抗震設計時必須考慮接縫存在造成的影響。

本文選取上海市武寧路快速通道工程改造工程西側(cè)預制混凝土區(qū)段箱涵隧道作為分析對象，通過三維有限元模擬開展了設防地震波作用下的結(jié)構(gòu)抗震分析，得到了以下4條主要結(jié)論：

1）地震動作用下，最大負彎矩出現(xiàn)在橫梁上靠近中隔墻的位置，最大正彎矩出現(xiàn)在底板跨中。

2）橫向地震動作用下，動力影響最顯著的位置位于側(cè)墻上部，影響程度達到200%以上；縱向地震動作用下，動力作用對彎矩值的影響較小，最大僅為2.2%。

3）結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范限值要求。橫向地震動作用下，結(jié)構(gòu)層間位移隨時間發(fā)生波動，最大層間位移角達到1/4 179；縱向地震動作用下，層間位移幾乎不發(fā)生變化，地震動作用對層間位移角的影響較小。

4）地震動作用過程中，節(jié)段高拼縱縫始終未發(fā)生張開；橫向地震動作用下，低拼縱縫張開量達到0.061 mm，節(jié)段間接縫張開量達到0.041 mm，動力影響分別為90.6%和41.4%；縱向地震動作用下，低拼縱縫和節(jié)段間接縫最大張開量均為0.034 mm，動力影響分別為6.2%和17.2%。