明挖隧道地震響應(yīng)計算及關(guān)鍵性問題淺析

華中良 刁慶樂

摘要 目前地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和抗震設(shè)計越來越受到重視。文章采用時程分析法對某明挖隧道工程中標準段及橋隧共建節(jié)點、頂板開孔節(jié)點進行了地震響應(yīng)計算，并對計算結(jié)果進行了比較和分析，對類似工程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 明挖隧道；橋隧共建；頂板開孔；地震響應(yīng)計算；時程分析法

中圖分類號 U231.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0023-04

0 引言

在1995年日本阪神大地震中，共有5座地鐵車站及區(qū)間隧道遭受了不同程度的損壞，顛覆了此前對地下結(jié)構(gòu)抗震性能良好的認知，從而引起了業(yè)內(nèi)對地下結(jié)構(gòu)抗震的重新思考，開啟了新一輪研究熱潮。

隨著對地下結(jié)構(gòu)抗震研究的不斷深入，我國的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準體系逐漸完善，國家和地方頒發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計標準[1-2]。但地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展速度很快，建設(shè)規(guī)模日益增大，新的結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，抗震研究方面仍然相對滯后。該文以某明挖隧道工程為例，采用時程分析法對其標準段和特殊節(jié)點進行了詳細的地震響應(yīng)計算和分析，對于類似工程具有一定的參考意義。

1 依托項目概況

某明挖隧道工程總長度約3 km，結(jié)構(gòu)形式包括敞開段、單層兩孔箱涵和四孔箱涵等。單層四孔箱涵及橋隧共建節(jié)點（橋梁為雙向兩車道規(guī)模，因隧道較寬，橋墩立于隧道中隔墻上）和頂板開孔特殊節(jié)點（考慮通風要求）分別如圖1～4所示。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

（1）工程地質(zhì)。根據(jù)勘察報告，擬建場地主要為正常沉積區(qū)，局部涉及古河道沉積區(qū)。擬建場地在勘察深度范圍內(nèi)，按其沉積年代、成因類型及物理力學性質(zhì)的差異，可劃分為7個大層、若干亞層，各土層的一般物理力學參數(shù)見表1。

（2）場地類別劃分。根據(jù)勘察報告，擬建場地的地貌單元為濱海平原類型，覆蓋層厚度大于80 m，淺部場地土的類型屬軟弱土，場地類別為Ⅳ類。

3 抗震設(shè)防目標

該工程結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計工作年限為100年，抗震等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度。根據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》[1]，抗震設(shè)防分類為重點設(shè)防分類（乙類）。

4 地震響應(yīng)計算及分析

4.1 標準段地震響應(yīng)計算及分析

下面以單層四孔箱涵為例進行分析。結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C35，采用動力時程法分析。采用殼-彈簧三維模型計算，其中殼單元模擬地下結(jié)構(gòu)，彈簧單元模擬結(jié)構(gòu)和地基土之間的相互作用，法向彈簧為單向受壓彈簧，切向彈簧為雙向彈簧。地震波在模型底部輸入，采用上海人工波、EI-Centro波和Kobe波。考慮設(shè)防烈度地震、罕遇地震兩個水準的工況，其地震波峰值加速度分別為100 cm/s2和220 cm/s2。地震波加速度時程曲線如圖5～7所示，計算模型如圖8所示：

從表2～3可以得出以下結(jié)論：

（1）明挖隧道由于在使用階段需要抵抗較大的水土壓力、覆土荷載等，其結(jié)構(gòu)尺寸、配筋一般較大，地震工況一般不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》[1]考慮地下結(jié)構(gòu)受損后影響面大且修復困難，且很多也是抗震救災(zāi)的基礎(chǔ)設(shè)施，對于乙類地下結(jié)構(gòu)提高為“中震不壞，大震可修”，但是因為地震工況不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種“提高”對于提高明挖隧道的抗震性能沒有意義。

（2）中隔墻為明挖隧道的主要豎向受力構(gòu)件，靜力工況下在結(jié)構(gòu)對稱時一般尺寸相對較小，且僅按構(gòu)造配筋。但在地震工況下，其承載力安全度最小，因此中隔墻是抗震薄弱部位，特別是抗震設(shè)防烈度較高時應(yīng)予以重視。

4.2 橋隧共建節(jié)點地震響應(yīng)計算及分析

4.2.1 計算模型

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[1-2]、地勘資料及前人研究成果[3-5]，計算模型高度取為70 m，寬度取為500 m。計算模型底部邊界為豎向固定，側(cè)向邊界采用自由場邊界，頂部邊界自由。隧道結(jié)構(gòu)用殼單元模擬，橋梁墩柱采用桿單元模擬，場地土體采用三維實體單元模擬。為了與實際情況一致，設(shè)定隧道與周圍土體變形協(xié)調(diào)。計算模型見圖9所示。

地震波及其加速度時程曲線同標準段。考慮設(shè)防烈度地震和罕遇地震兩個水準的工況。

4.2.2 計算結(jié)果分析

地震對地上結(jié)構(gòu)影響最大的是慣性力，而地下結(jié)構(gòu)主要受周圍巖土的影響。對于橋隧共建節(jié)點，上部高架橋的慣性力必然給下部隧道的地震響應(yīng)帶來影響，下面分別統(tǒng)計了橋隧共建和不共建時的隧道頂板加速度峰值值、內(nèi)力和層間位移角（圖10為僅地震作用下的彎矩標準值）。

從圖11及表4～6可以看出，橋隧共建改變了明挖隧道以往地震工況下的受力模式，由于高架橋慣性力的影響，橋隧共建節(jié)點處的隧道頂板加速度峰值、內(nèi)力及層間位移角明顯較標準段大。前述標準段分析表明，地震工況一般不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是橋隧共建節(jié)點內(nèi)力和變形均明顯大于標準段，抗震分析時應(yīng)重點研究，保證地震工況下的結(jié)構(gòu)安全。

4.3 頂板開孔節(jié)點地震響應(yīng)計算及分析

樓板開孔對于地上結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有一定影響。為研究樓板開孔對地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，下面對結(jié)構(gòu)頂板開孔段進行了地震響應(yīng)的計算及分析。

4.3.1 計算模型

計算模型尺寸、邊界條件等同橋隧共建節(jié)點，頂板開孔及結(jié)構(gòu)尺寸詳見圖3～4。地震波在模型底部輸入，地震波及其加速度時程曲線同標準段。同樣考慮設(shè)防烈度地震和罕遇地震兩個水準的工況。

4.3.2 計算結(jié)果分析

表7～8分別為頂板開孔段結(jié)構(gòu)內(nèi)力（彎矩）最大值和層間位移角：

從表7～8與表2～3對比看，頂板開孔對于隧道頂板的內(nèi)力和層間位移角基本沒有影響，開孔兩側(cè)的橫梁和縱梁基本可以保證隧道結(jié)構(gòu)在抗震工況下的整體性。

5 結(jié)語

該文對某明挖隧道的單層四孔箱涵標準段以及橋隧共建、頂板開孔等特殊節(jié)點進行了地震響應(yīng)計算及分析，結(jié)論如下：

（1）明挖隧道由于在使用階段需要抵抗較大的水土壓力、覆土荷載等，其結(jié)構(gòu)尺寸、配筋一般較大，地震工況一般不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）由于高架橋慣性力的作用，橋隧共建節(jié)點處的隧道頂板加速度峰值、內(nèi)力及層間位移角明顯較標準段大，抗震分析時應(yīng)重點研究，保證地震工況下的結(jié)構(gòu)安全。

（3）對于頂板開孔段，開孔兩側(cè)的橫梁和縱梁基本可以保證隧道結(jié)構(gòu)在抗震工況下的整體性，頂板開孔對于隧道頂板內(nèi)力和層間位移角基本沒有影響。

參考文獻

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