張菁莉

（浙江科技學(xué)院巖土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

深厚軟弱場(chǎng)地上地鐵區(qū)間隧道地震反應(yīng)分析

張菁莉

（浙江科技學(xué)院巖土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)軟土場(chǎng)地上的雙洞隧道進(jìn)行了水平地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析，結(jié)果表明，深軟場(chǎng)地條件下圓形隧道洞頂和洞底之間的相對(duì)位移較大，區(qū)間隧道周圍的軟土層對(duì)隧道水平位移反應(yīng)有顯著影響。此外，結(jié)果還顯示基巖輸入地震動(dòng)特性也會(huì)明顯影響地鐵區(qū)間隧道的位移反應(yīng)。

地鐵隧道；軟弱場(chǎng)地；地震反應(yīng)；時(shí)程曲線

1 問題的提出

地震作為一種危及社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的隨機(jī)性自然災(zāi)害，對(duì)地面建筑及構(gòu)筑物所造成的巨大破壞人所共知，相對(duì)而言，地下結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為具有良好的抗震性能。1995年發(fā)生的阪神地震[1-2]對(duì)神戶市的地下結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞并首次出現(xiàn)地鐵主體結(jié)構(gòu)的震害。阪神地震震害現(xiàn)象向現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法提出了新的挑戰(zhàn)。工程界認(rèn)識(shí)到需要進(jìn)一步對(duì)軟土場(chǎng)地上地下結(jié)構(gòu)抗震的理論、數(shù)值分析方法以及模型實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行研究。

本文選取一典型成層軟土場(chǎng)地上的某雙洞地鐵隧道作為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ABAQUS，分析了3種不同埋深工況所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地土—雙洞地鐵區(qū)間隧道水平地震動(dòng)作用下的位移反應(yīng)。并據(jù)此對(duì)此類地下結(jié)構(gòu)抗震性能的認(rèn)識(shí)提供參考。

2 計(jì)算模型和參數(shù)確定

2.1 計(jì)算模型選取

本文的研究對(duì)象為軟土場(chǎng)地上的某城市地鐵線路雙洞隧道，該雙洞地鐵隧道內(nèi)外徑尺寸分別為5.50，6.20 m，2隧洞間距為20.00 m。地鐵區(qū)間的上覆土層厚度為9.00 ～14.00 m，地鐵軌道由地下轉(zhuǎn)換為地上時(shí)，上覆土層厚度較小?？紤]場(chǎng)地土層分布情況、土的性質(zhì)及該地鐵線路的實(shí)際建設(shè)情況，選取3.00，9.00，14.00 m三種不同埋深情況下的地鐵隧道進(jìn)行地震反應(yīng)分析。

已有研究結(jié)果表明[3-4]，地基的側(cè)向邊界對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響與有限元模型尺寸有關(guān)，當(dāng)整個(gè)場(chǎng)地有限元模型尺寸與結(jié)構(gòu)尺寸之比大于5時(shí)，地基側(cè)向邊界對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響可以忽略，因此本計(jì)算模型的計(jì)算寬度取為200 m。

2.2 地震動(dòng)的選取與輸入

本文選取適合于II、III類場(chǎng)地的2條典型地震動(dòng)EL -Centro波和TAFT波作為輸入地震動(dòng)，2地震波的加速度過程見圖1。在計(jì)算時(shí)，根據(jù)該地區(qū)已有設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的研究結(jié)果[5]，按照100 a超越概率水平63%（小震）、10%（中震）、3%（大震）將基巖輸入地震動(dòng)的峰值加速度調(diào)整為0.053 g，0.116 g，0.154 g，從基巖面輸入地震動(dòng)。

圖1 EL-Centro波和TAFT波的加速度過程曲線圖

2.3 場(chǎng)地土及結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

本文選取的場(chǎng)地為一較典型的深厚軟弱場(chǎng)地，場(chǎng)地土層分布和模型參數(shù)見表1[6]。

表1 深厚軟弱場(chǎng)地土層分布及本構(gòu)模型參數(shù)表

在場(chǎng)地土—區(qū)間隧道動(dòng)力反應(yīng)有限元模型中，隧道結(jié)構(gòu)使用四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬，圓形隧道周圍土體采用三結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬，其余部分土體仍使用四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬。不考慮結(jié)構(gòu)與土體之間的脫開、滑移等情形。建模時(shí)，基巖面采用固定約束，場(chǎng)地兩側(cè)的豎向邊界采用自由邊界。地鐵隧道結(jié)構(gòu)所用C50混凝土的彈性模量E = 3.45×104MPa，泊松比v = 0.18，γ = 25 kN/m3混凝土重度γ = 25 kN/m3，阻尼比為5%。整個(gè)有限元分析體系網(wǎng)格劃分見圖2：

圖2 場(chǎng)地土—地鐵區(qū)間隧道動(dòng)力相互作用有限元分析網(wǎng)格圖

3 有限元結(jié)果分析

已有研究結(jié)果表明，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)而言，水平位移是衡量其地震反應(yīng)程度的重要因素。本次分析分別給出了基巖輸入EL - Centro和TAFT波時(shí)不同埋深隧道洞頂和洞底相對(duì)水平位移反應(yīng)過程曲線（見圖3 ～ 5）。

表2給出了不同工況下隧道洞頂、底最大相對(duì)水平位移絕對(duì)值ΔS，定義地震動(dòng)影響系數(shù)ζ為同等工況下Taft波輸入時(shí)相對(duì)水平位移絕對(duì)值與El - centro輸入時(shí)相對(duì)水平位移絕對(duì)值之比。

從表2上隧道洞頂、底相對(duì)位移反應(yīng)的時(shí)程曲線及最大相對(duì)水平位移對(duì)比分析，可得如下規(guī)律：

（1）對(duì)比隧洞頂?shù)自?種不同埋深條件下的相對(duì)水平位移反應(yīng)可知，埋深為3.00 m時(shí)的相對(duì)水位移反應(yīng)最大，其次是埋深9.00 m時(shí)的相對(duì)位移反應(yīng)，埋深14.00 m時(shí)相對(duì)位移反應(yīng)最小，表明隧道結(jié)構(gòu)周圍土層的性質(zhì)對(duì)隧道位移反應(yīng)具有較大影響，埋深3.00 m時(shí)，隧道周圍場(chǎng)地中有剪切波速較小的軟弱土層，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)有顯著的增大。

圖3 隧道洞頂、洞底相對(duì)水平位移過程圖（埋深3.0 0 m）

圖4 隧道洞頂、洞底相對(duì)水平位移過程圖（埋深9.0 0 m）

圖5 隧道洞頂、洞底相對(duì)水平位移過程圖（埋深1 4.0 0 m）

表2 不同工況下隧道洞頂、洞底最大相對(duì)水平位移值表

（2）同一埋深下，隨著基巖輸入地震動(dòng)加速度峰值的增強(qiáng)，區(qū)間隧道洞頂、底之間的水平位移反應(yīng)也隨之變大；基巖面輸入EL - Centro波時(shí)，洞頂和洞底的相對(duì)位移最大值出現(xiàn)在12 ～ 15 s范圍內(nèi)；基巖面輸入TAFT波時(shí)，洞頂和洞底的相對(duì)位移最大值出現(xiàn)的時(shí)間范圍為在6 ～ 8 s。

（3）由表1可得，在基巖面輸入TAFT波時(shí)，隧道洞頂及洞底間相對(duì)位移反應(yīng)較輸入 EL - Centro波時(shí)明顯增大。前者為后者的1.5 ～ 2.3倍，此現(xiàn)象表明地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)與輸入的地震動(dòng)特性密切相關(guān)。

4 結(jié) 語

本文基于某地鐵站的工程建設(shè)情況為背景，分析了3種不同埋深條件下地鐵區(qū)間隧道的地震反應(yīng)特性，給出了區(qū)間隧道的相對(duì)水平位移反應(yīng)規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：區(qū)間隧道周圍的軟土層對(duì)隧道水平位移反應(yīng)有較大影響，對(duì)于穿越軟土層的隧道求解其動(dòng)力反應(yīng)時(shí)需充分考慮SSI效應(yīng)的影響；輸入地震動(dòng)特性對(duì)隧道的動(dòng)力相應(yīng)也有較大影響。

[1] 馬險(xiǎn)峰，望月秋得，楊林德．神戶市地鐵車站的震害及修復(fù)[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，1998(增刊)：46 - 452．

[2] 莊海洋，程紹革，陳國(guó)興．阪神地震中大開間地鐵車站震害機(jī)制數(shù)值仿真分析[J]．巖土力學(xué)，2008，41(1)：245 - 250．

[3] 樓夢(mèng)麟，王文劍，朱彤．土—結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中土層邊界影響問題[J]．地震工程與工程震動(dòng)2000，41(1)：245 - 250．

[4] 樓夢(mèng)麟，陳清軍．側(cè)向邊界對(duì)樁基地震反應(yīng)影響的研究[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999．

[5] 陳國(guó)興，楊偉林，嚴(yán)新育．南京河西地區(qū)軟土場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)研究[J]．南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(1)：35 - 40．

[6] 陳繼華． 新近沉積土動(dòng)力性能及深軟場(chǎng)地地震效應(yīng)[D]．南京：南京工業(yè)大學(xué)，2004．

（責(zé)任編輯 姚小槐）

Seismic response of metro tunnel built in deep - soft soil

ZHANG Jing - li
(Institute of Geotechnical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310012，Zhejiang，China)

Using fi nite-element software of ABAQUS，a fi nite element model of a soil - double tunnel system buried in three different depth is built.The numerical analysis of displacement response under two different horizontal earthquake waves is done.The results show that the relative displacement between the top and bottom of tunnels in soft soils is large. And SSI also has great effect on the displacement.

metro tunnel；soft site；seismic response；time motion

U45

A

1008 - 701X(2017)04 - 0047 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.014

2017-04-13

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201223017 )。

張菁莉(1978 - )，女，講師，博士研究生，主要從事土 — 結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究工作。

E - mail：zhjingli@zust.edu.cn