暗挖隧道施工對(duì)地表建筑結(jié)構(gòu)的影響研究

許本東 陳昱成

摘要：依托南部縣黑臭水體及內(nèi)澇綜合治理項(xiàng)目為研究背景，使用有限元模擬軟件，研究了暗挖隧道施工對(duì)地表建筑結(jié)構(gòu)的影響，得到了距隧道不同水平距離時(shí)，兩種地震波Kobe波與EL centro-NS波對(duì)層間位移角的影響，并研究了短周期（T=0.6 s）與長(zhǎng)周期（T=2.0 s）兩種地震波對(duì)層間位移分布的影響，結(jié)果表明：在隧道距結(jié)構(gòu)水平距離為0時(shí)，有、無隧道的層間位移角變化趨勢(shì)基本相同，有隧道時(shí)層間位移角較大；隧道存在會(huì)增大建筑結(jié)構(gòu)層間位移角，且在短周期時(shí)更為明顯；在短周期（T=0.6 s）與長(zhǎng)周期（T=2.0 s）情況下，層間位移分布趨勢(shì)基本相同，短周期在z/H=0.15、長(zhǎng)周期在z/H=0.15和z/H=0.7時(shí)層間位移顯著增大。

關(guān)鍵詞：暗挖隧道； 有限元模擬； 層間位移角； 地震波

中圖分類號(hào)：U452.2+6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

我國(guó)近年來地下交通發(fā)展迅速，但許多建筑物在進(jìn)行基礎(chǔ)處理措施和抗震設(shè)計(jì)時(shí)，并未考慮隧道對(duì)其影響。隧道存在會(huì)影響著建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性，如果考慮不全可能會(huì)引發(fā)一系列工程問題，造成人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

目前我國(guó)已有許多學(xué)者研究了隧道對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，楊志剛等人［1］通過結(jié)構(gòu)-荷載模型，研究了襯砌結(jié)構(gòu)與隧道裂縫寬度、裂縫深度以及裂縫位置的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)隧道襯砌會(huì)讓建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力重新分布。曾艷［2］依托合肥鐵路盾構(gòu)隧道為研究背景，使用Midas數(shù)值模擬軟件建模，研究了隧道對(duì)既有隧道管片變形和內(nèi)力以及地表沉降的影響。黃訓(xùn)洪［3］對(duì)黃土隧道地基出現(xiàn)的局部濕陷從而導(dǎo)致襯砌開裂問題進(jìn)行了研究，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法，得到了黃土隧道地基局部濕陷對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。李延濤等［4］使用有限元軟件對(duì)交叉隧道對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，得到了交叉隧道垂直距離、截面形狀、角度等不同因素在地震作用下穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)。鄭永勝等［5］研究了河流、湖泊下穿隧道的覆土層厚度對(duì)底層位移與襯砌結(jié)構(gòu)的影響。蔡唐濤［6］通過數(shù)值模擬軟件，研究了下穿隧道對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力的影響。

由上述內(nèi)容可知，目前我國(guó)已有大量學(xué)者研究了隧道對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)靜態(tài)指標(biāo)的影響，但對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響研究較少，故本文使用數(shù)值模擬軟件，研究暗挖隧道對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角與層間位移分布進(jìn)行研究，為鄰近隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考價(jià)值。

1工程概況

本文依托四川省南部縣黑臭水體及內(nèi)澇綜合治理項(xiàng)目為研究背景，河道治理全長(zhǎng)540.127 m，整個(gè)河道需穿過較多的建筑物，其中暗挖隧道260 m，其余段采用明挖箱涵，全長(zhǎng)280.127 m。該地區(qū)河床寬度較大，呈對(duì)稱的“U”型河谷，工區(qū)位于川中紅層構(gòu)造剝蝕淺丘地貌和河床沖積地貌單元，地面高程為336.30～356.50 m，最大相對(duì)高差20.2 m。擬建工程在地質(zhì)構(gòu)造上位于新華夏構(gòu)造體系四川沉降帶川中褶皺帶中臺(tái)山半環(huán)狀構(gòu)造之碑院向斜的南西翼近軸部，巖層產(chǎn)狀為N45°W /NE∠0.5～1°。無發(fā)震斷裂構(gòu)造，晚近期構(gòu)造活動(dòng)微弱，工區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為6度，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

2數(shù)值模擬

層間位移角為臨近隧道建筑相鄰兩層位移之差和層高比值，用來控制建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，是國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性的重要參考指標(biāo)。層間位移譜為建筑結(jié)構(gòu)周期和最大層間位移角的關(guān)系，可計(jì)算出建筑結(jié)構(gòu)最大層間位移角。

2.1分析方法

本文使用有限元軟件建立無隧道與有隧道的相同參數(shù)模型，并且在該模型底部輸入水平方向的地震波，隧道的直徑為d，共在模型上設(shè)置5個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為L(zhǎng)=0（隧道正上方節(jié)點(diǎn)）、L=0.5d（緊靠隧道側(cè)節(jié)點(diǎn)）、以及距隧道中心線水平距離L=1d、L=2d、L=3d節(jié)點(diǎn)，隧道模型加速度為5個(gè)節(jié)點(diǎn)處水平加速度，以此代表結(jié)構(gòu)處于隧道所對(duì)應(yīng)地表不同位置的算例，如圖1所示。無隧道模型水平加速度沒有變化，但本文為了使得計(jì)算誤差較小，故在無隧道工況中，取所選節(jié)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程，輸入加速度ug（t）。

由相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，彎剪梁選擇剛度比α=20，其結(jié)構(gòu)形式為彎剪框架結(jié)構(gòu)，并提取前6階的振型，阻尼比ζ設(shè)置為0.05。地震波選擇EL centro波與Kobe波，地震波位置處于模型底部水平方向，地震波加速度峰值為0.2g。

2.2有限元模型

該隧道為圓形斷面，其中隧道外徑為6 m，埋深為9 m，襯砌混凝土為C30，襯砌厚0.4 m。模型的豎向?yàn)?2 m，水平方向?yàn)?20 m。假設(shè)模型為彈塑性模型，土體遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，土體參數(shù)見表1。混凝土視為線彈性模型，不考慮隧道動(dòng)力響應(yīng)，故不考慮隧道與土體間接觸。

將模型的底部設(shè)置為固定邊界，在模型兩側(cè)邊界處設(shè)置粘彈性人工邊界，在法向與切向方向上設(shè)置彈簧與阻尼器，以減小模型的截?cái)噙吔缥恢貌ǚ瓷溆绊懀?jì)算公式為式（1）、式（2）。

KN=11+α·λ+2G2r·A，CN=β·ρvP·A（1）

KT=11+α·2G2r·A，CT=β·ρvS·A（2）

式中：A代表邊界節(jié)點(diǎn)面積；ρ為介質(zhì)密度；vp、vs分別為P波與S波的波速，其中vP=（λ+2G）/p，vS=G/p；α代表散射波和平面波幅值含量比，取值為0.8；β代表視波速與物理波速的關(guān)系，取值為1.1；r為模擬地表中心到人工邊界最遠(yuǎn)點(diǎn)與最近點(diǎn)平均值。

無隧道模型與有隧道模型參數(shù)與上述一致，將隧道部分替換為土層計(jì)算，并將模型對(duì)稱分布，且僅取右側(cè)節(jié)點(diǎn)分析。

3計(jì)算結(jié)果分析

圖2為處于隧道上方L=0處，有隧道與無隧道情況下Kobe波與EL centro波層間位移角變化曲線。由圖2可知，有隧道和無隧道的廣義層間位移角變化趨勢(shì)相似，有隧道時(shí)層間位移角較大于無隧道，在1.0～2.0 s周期與特征周期時(shí)增漲幅度最大。

巖土工程與地下工程許本東， 陳昱成： 暗挖隧道施工對(duì)地表建筑結(jié)構(gòu)的影響研究

圖3為在不同距離L時(shí)，有隧道與無隧道廣義層間位移變化曲線。從圖中可以看出，與無隧道情況相比，在有隧道的情況下，隧道鄰近建筑物的層間位移角會(huì)有所增加，不利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。當(dāng)特性周期為1.0～2.0 s范圍內(nèi)時(shí)層間位移角增加最為顯著。當(dāng)周期大于3.0 s時(shí)，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)與短周期結(jié)構(gòu)相差較小。

隨著建筑物離隧道長(zhǎng)度L逐漸增加，隧道引起的層間位移角增大幅度逐漸變小，這表明隧道對(duì)建筑物的影響逐漸變小。從圖3（c）和圖3（d）中可以看出，當(dāng)建筑物離隧道長(zhǎng)度L為隧道直徑d的2倍時(shí)，有隧道與無隧道條件下層間位移角基本重合，這說明有、無隧道對(duì)建筑物的抗震性能基本無影響。將隧道存在對(duì)層間位移角的影響進(jìn)一步量化分析，表2為有、無隧道情況下建筑物離隧道長(zhǎng)度L處層間位移角峰值結(jié)果。

從表2可以看出，與無隧道工況相比，在有隧道工況下建筑的層間位移角較大，且當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L為0～1d時(shí)，層間位移角最大，EL波層間位移角大于8%。當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L大于1d時(shí)，層間位移角增幅逐漸減小。當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L為2d時(shí)，EL波與Kobe波層間位移角均小于1，說明此時(shí)隧道對(duì)地表結(jié)構(gòu)抗震性能影響較小，可忽略不計(jì)。

4隧道對(duì)層間位移分布影響

由圖2與圖3可知，當(dāng)T為0.6 s和2.0 s時(shí)隧道對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，為了進(jìn)一步分析層間位移分布情況，故選取建筑物距離隧道長(zhǎng)度L=0時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

圖4為當(dāng)T=0.6 s和T=2.0 s時(shí)，層間位移角分布情況。當(dāng)T=0.6 s時(shí)，層間位移分布呈現(xiàn)為D字型，最大層間位移角在z/H=0.15附近，隧道存在會(huì)使此部位附近高度層間位移角顯著增大，使得建筑結(jié)構(gòu)安全性下降。從圖4（c）與圖4（d）可知，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)最大層間位移在z/H=0.7處，隧道會(huì)使得z/H=0.7以及z/H=0.15處層間位移顯著增大。如對(duì)隧道相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估與分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮上述兩處位置。隧道存在不會(huì)影響層間位移分布趨勢(shì)，但會(huì)明顯增大抗震性較差部位層間位移。

5結(jié)論

為了研究隧道低鄰近建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文通過有限元軟件進(jìn)行分析模擬，得到了有、無隧道對(duì)層間位移角的影響規(guī)律以及層間位移分布情況，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)位于隧道上方L=0處，有隧道和無隧道的廣義層間位移角變化趨勢(shì)相似，有隧道時(shí)層間位移角較大于無隧道，在1.0～2.0 s周期與特征周期時(shí)增漲幅度最大。

（2）與無隧道情況相比，在有隧道的情況下，隧道鄰近建筑物的層間位移角會(huì)有所增加，不利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。當(dāng)特性周期為1.0～2.0 s范圍內(nèi)時(shí)層間位移角增加最為顯著。當(dāng)周期大于3.0 s時(shí)，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)與短周期結(jié)構(gòu)相差較小。

（3）隨著建筑物離隧道長(zhǎng)度L逐漸增加，隧道引起的層間位移角增大幅度逐漸變小，當(dāng)建筑物離隧道長(zhǎng)度L為隧道直徑d的2倍時(shí)，有隧道與無隧道條件下層間位移角基本重合。

（4）與無隧道工況相比，在有隧道工況下建筑的層間位移角較大，且當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L為0～1d時(shí)，層間位移角最大，EL波層間位移角大于8%。當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L大于1d時(shí)，層間位移角增幅逐漸減小。當(dāng)建筑物距離隧道長(zhǎng)度L為2d時(shí)，EL波與Kobe波層間位移角均小于1，說明此時(shí)隧道對(duì)地表結(jié)構(gòu)抗震性能影響較小，可忽略不計(jì)。

（5）當(dāng)T=0.6 s時(shí)，層間位移分布呈現(xiàn)為D字型，最大層間位移角在z/H=0.15附近，隧道存在會(huì)使此部位附近高度層間位移角顯著增大，使得建筑結(jié)構(gòu)安全性下降。當(dāng)T=2.0時(shí)最大層間位移在z/H=0.7處，隧道會(huì)使得z/H=0.7以及z/H=0.15處層間位移顯著增大。

參考文獻(xiàn)

［1］楊志剛，周智輝，凌同華，等.隧道襯砌裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律研究［J］.交通科學(xué)與工程，2020，36（4）：43-53.

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［作者簡(jiǎn)介］許本東（1973—），男，本科，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ┕ぁ㈣b定加固與改造；陳昱成（1988—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地基基礎(chǔ)與礎(chǔ)土工程領(lǐng)域研究工作。