沉管隧道抗震研究綜述

楊萬理，寧杰鈞，楊 通，秦軍武

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

沉管隧道即為用沉管法修建的水底隧道，自1910年世界上首座沉管隧道——美國底特律水底鐵路隧道修成以來，沉管隧道已有百余年的發(fā)展歷史。與橋梁結(jié)構(gòu)相比，沉管隧道以其不影響水面船只正常航行、受氣候因素影響較小、抗震性能較好等特點(diǎn)，在大型越江、跨海工程中得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代前，日本學(xué)者認(rèn)為地震引起隧道的振動(dòng)是和大地同步的，因此隧道能承受地震引起的振動(dòng)，能保證隧道交通的安全。但在1995年日本阪神大地震發(fā)生之后，當(dāng)?shù)氐牡罔F隧道發(fā)生嚴(yán)重的破壞，這種嚴(yán)重的破壞當(dāng)時(shí)在日本屬于首次，推翻了日本專家認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)抗震能力強(qiáng)、安全的定論[1]。我國地屬地震高發(fā)區(qū)，地震的頻發(fā)同樣從不同程度上造成了隧道結(jié)構(gòu)的損壞，沉管隧道的抗震研究越來越引起重視。本文總結(jié)了大量國內(nèi)關(guān)于沉管隧道抗震研究的文獻(xiàn)資料，并通過這些文獻(xiàn)研究的成果對(duì)下一步的研究進(jìn)行展望。

1 研究方法進(jìn)展

針對(duì)沉管隧道所開展的抗震研究一般可分為兩類——模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，模型試驗(yàn)往往需要投入大量人力物力，試驗(yàn)進(jìn)行的周期較長，且在地震波輸入方式、相似理論設(shè)計(jì)、模型箱設(shè)計(jì)等存在的問題還未能找到有效的解決方法[2]。關(guān)于數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)的研究已比較透徹，能夠有效地模擬沉管隧道在各種工況下受到地震波的作用，操作簡(jiǎn)便，結(jié)果也較為接近實(shí)際的數(shù)據(jù)。

1.1 數(shù)值分析方法的研究進(jìn)展

目前，常見的用于沉管隧道抗震分析的計(jì)算方法主要有：反應(yīng)位移法、BART法、質(zhì)點(diǎn)-彈簧法、動(dòng)力有限元法等。反應(yīng)位移法是由日本學(xué)者于20世紀(jì)70年代提出的，較早應(yīng)用于日本規(guī)范中，該方法首先需要計(jì)算地震作用下地基土體的位移，并將此位移作為地震荷載作用到采用地基梁來模擬隧道結(jié)構(gòu)上，充分考慮了地下結(jié)構(gòu)地震作用的反應(yīng)特點(diǎn)，能較為真實(shí)反映其受力特性。BART法是用于美國舊金山市海灣快速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)(BRAT)的抗震設(shè)計(jì)方法，該方法主要是以已知的地震波動(dòng)為基礎(chǔ)求出其地震參數(shù)，并根據(jù)地基土參數(shù)和隧道結(jié)構(gòu)自身的剛度，求出其地震作用下的振幅與波長，從而求出隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[3]，但該方法只能求出某種特定的地震波作用下的地震響應(yīng)，局限性較大。日本學(xué)者對(duì)其缺點(diǎn)作出改進(jìn)，提出了質(zhì)點(diǎn)-彈簧法，充分考慮了軸向地基不均勻性而導(dǎo)致地震波特性發(fā)生改變的情況，將土體-隧道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一系列沿縱向劃分的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)求解其地震作用下的響應(yīng)，該方法的計(jì)算精度較高，直到近代以來仍有許多沉管隧道工程是以這種方法來進(jìn)行計(jì)算的，但此方法無法真實(shí)模擬管節(jié)及節(jié)段接頭動(dòng)力特性。動(dòng)力有限元法則是將整體的隧道結(jié)構(gòu)劃分成有限元單元網(wǎng)格，合理考慮邊界條件后，輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析[4]，精度較高，能較好模擬實(shí)際的工程情況，但往往計(jì)算量比較大，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和有限元軟件功能的日益強(qiáng)大，此方法已逐漸成為沉管隧道抗震分析的主流方法。

國內(nèi)許多學(xué)者同樣對(duì)抗震分析方法研究的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。韓大建等[5-6]基于質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型提出了時(shí)程響應(yīng)法與行波法的抗震分析方法，并分別對(duì)廣州珠江水下隧道進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。嚴(yán)松宏[7]在日本學(xué)者所提出的沉管隧道數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出隧道整體地震反應(yīng)的離散化分析方法，并以此為基礎(chǔ)建立了南京長江沉管隧道的離散化分析模型，針對(duì)沉管隧道接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了分析[8]。高峰等[9]采用三維有限元模型分析南京長江沉管隧道管段和接頭處的應(yīng)力響應(yīng)，以粘-彈性人工邊界來模擬地基的無限性，運(yùn)用Newmark隱式時(shí)間積分方法計(jì)算了各個(gè)工況下沉管隧道的地震反應(yīng)。劉晶波等[10]針對(duì)工程中運(yùn)用反應(yīng)位移法的一些問題，提出了采用土-結(jié)構(gòu)相互作用模型進(jìn)行分析的整體式反應(yīng)位移法，采用此方法對(duì)阪神地震中遭到嚴(yán)重破壞的大開地鐵車站為背景進(jìn)行抗震計(jì)算分析，并與動(dòng)力時(shí)程法、傳統(tǒng)反應(yīng)位移法所求得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了其可行性。

1.2 模型試驗(yàn)的研究進(jìn)展

國內(nèi)針對(duì)沉管隧道抗震開展的模型試驗(yàn)研究起步較晚，一是花費(fèi)巨大，二是尚存在許多理論問題有待解決。數(shù)值模擬只是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來求得相應(yīng)結(jié)果，往往不具有說服力；模型試驗(yàn)相比于數(shù)值模擬來說更能反映實(shí)際工程情況，更能直觀地分析工程問題，因此，對(duì)沉管隧道抗震研究來說，模型試驗(yàn)也是十分重要的。

袁勇等[15]以港珠澳大橋沉管隧道為工程背景，基于由4臺(tái)面振動(dòng)臺(tái)組成的線狀多功能試驗(yàn)系統(tǒng)，考慮沉管隧道非一致地震激勵(lì)，開展了超長沉管隧道的多點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作了由4個(gè)主動(dòng)箱和8個(gè)隨動(dòng)箱組成、長達(dá)40 m的節(jié)段式模型箱，用于振動(dòng)臺(tái)多點(diǎn)輸入，試驗(yàn)最終獲得了隧道管節(jié)振動(dòng)特征、特定部位的加速度、管節(jié)接頭最大張開量等數(shù)據(jù)。閆維明等[16]進(jìn)行了關(guān)于沉管隧道減震方面的研究，基于調(diào)諧液體阻尼器TLD理論，設(shè)計(jì)出了一種阻尼器腔體與受控結(jié)構(gòu)剛性連接的顆粒阻尼器-隔艙式顆粒阻尼器，并在1/60的沉管隧道縮尺模型上進(jìn)行了有、無阻尼器兩種情況下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得，隔艙式顆粒阻尼器能夠有效地降低主體結(jié)構(gòu)縱向的響應(yīng)峰值、縱向基頻等，減震效果較為顯著。程新俊等[17]以港珠澳大橋沉管隧道為工程背景，進(jìn)行了幾何相似比為1/30的沉管隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，考慮了管節(jié)接頭、地基土以及上覆水的影響，設(shè)計(jì)了干砂場(chǎng)地、飽和砂土場(chǎng)地、飽和砂土場(chǎng)地包含上覆水3個(gè)試驗(yàn)，分別研究了其對(duì)沉管隧道地震作用的影響。并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析與比較。張學(xué)明等[18]為了研究沉管隧道結(jié)構(gòu)及其接頭的抗震性能，以廣州洲頭咀沉管隧道為工程背景，進(jìn)行了幾何相似比為1/60的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)相鄰振動(dòng)臺(tái)作動(dòng)器的啟動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間差來模擬行波效應(yīng)，研究其對(duì)沉管隧道整體及其接頭的地震響應(yīng)。

2 沉管隧道抗震研究進(jìn)展

2.1 沉管隧道地震響應(yīng)研究

沉管管節(jié)通常是由工廠預(yù)制而成的，剛度較大，整體性較好，在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞的可能性較小，管節(jié)接頭是連接各個(gè)節(jié)段的重要結(jié)構(gòu)，在水下的受力情況復(fù)雜，對(duì)密封防漏性能有著極高的要求，其中又含有GINA止水帶、OMEGA止水帶、剪力鍵等關(guān)鍵部件，因此對(duì)接頭處的地震響應(yīng)問題尤為值得關(guān)注。其中，文獻(xiàn)[8、11-13、19-27]等都對(duì)沉管隧道接頭處的地震響應(yīng)做出了深入研究，其相對(duì)位移、止水帶張開量、荷載等物理量是衡量沉管隧道整體抗震性能的重要指標(biāo)。

2.2 水對(duì)地震響應(yīng)的影響

在以往的沉管隧道抗震研究中，將沉管隧道簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)-彈簧體系模型來進(jìn)行計(jì)算，通常都是不考慮水的作用，在有些研究中則是以附加質(zhì)量來代替水的影響[19]，這都與實(shí)際工程的情況有所出入，無法很好地模擬水與固體-土體的耦合作用。彭海闊等[20]運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立了以上海外環(huán)線沉管隧道為工程背景的沉管隧道-土壤-流體相互作用的有限元模型，采用Newmark積分方法研究了不同水深條件下動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響，分析結(jié)果得出了在水平地震作用下動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小，在豎向地震作用下動(dòng)水壓力影響則較大等結(jié)論，并指出在結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向振動(dòng)時(shí)流-固耦合作用不能忽略。程新俊等[17]在其模型試驗(yàn)中考慮了地基土中的水以及上覆水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主要考察了模型土層的加速度、結(jié)構(gòu)的加速度、結(jié)構(gòu)應(yīng)變以及土層孔壓等物理量，得出了在有上覆水的飽和砂土中，地震模型結(jié)構(gòu)的上述物理量無顯著影響的結(jié)論，而干砂地基與飽和砂土地基的條件下，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)存在較大的差異，同樣印證了水對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大影響。

2.3 地震波入射角度對(duì)地震響應(yīng)的影響

地震波入射角度在沉管隧道的抗震研究中經(jīng)常被忽視，在過往許多學(xué)者的研究中，地震波入射往往都是采取與結(jié)構(gòu)垂直的入射方式，然而在實(shí)際工程中，地震發(fā)生的方位難以進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，空間關(guān)系較為復(fù)雜，因此在地震波斜入射情況下的地震響應(yīng)問題也應(yīng)該予以重點(diǎn)考慮。張旭等[12]在研究天津海河沉管隧道接頭抗震問題時(shí)，考慮了地震波入射角度的問題，在建立三維有限元模型后，對(duì)地震波入射的角度進(jìn)行了調(diào)整，得出了當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣嵌葹?0°時(shí)引起的管節(jié)接頭相對(duì)位移最大的結(jié)論。周鵬等[22]利用有限元分析軟件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整體三維有限元模型，采用粘-彈性人工邊界，考慮了海水與海床土的耦合效應(yīng)，將地震作用轉(zhuǎn)化為人工邊界上的等效荷載，分析地震P波從不同的角度入射對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，在其研究中指出了沉管隧道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)會(huì)隨著地震動(dòng)入射角度不同發(fā)生很大變化，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

2.4 非一致激勵(lì)對(duì)地震響應(yīng)的影響

沉管隧道一般都為長線型結(jié)構(gòu)，地震波沿軸向傳播過程中往往會(huì)存在相位差，因此在不同邊界點(diǎn)上產(chǎn)生的地震響應(yīng)存在差異。周云東等[26]人工合成考慮了地震動(dòng)隨機(jī)性和傳播特性的多點(diǎn)地震動(dòng)，在場(chǎng)地土基巖層底部分別施加一致輸入、行波效應(yīng)、相干波及行波加相干波的地震激勵(lì)對(duì)有限元模型進(jìn)行抗震研究，計(jì)算結(jié)果表明，非一致激勵(lì)會(huì)顯著增加隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。張學(xué)明等[18]進(jìn)行了考慮行波效應(yīng)的沉管隧道模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了裝配式模型箱來模擬非一致地震激勵(lì)的工況，得到了各個(gè)工況下土與隧道的加速度響應(yīng)、接頭加速度響應(yīng)、接頭軸力、接頭彎矩與變形等數(shù)據(jù)，分析并指出地震一致激勵(lì)下，隧道結(jié)構(gòu)與周圍土體的運(yùn)動(dòng)情況較為一致，這與其他學(xué)者在數(shù)值模擬中得到的結(jié)論相似；在地震行波激勵(lì)下，隧道結(jié)構(gòu)與周圍土體會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，且地震響應(yīng)比一致激勵(lì)的情況下大。

2.5 溫度變化對(duì)地震響應(yīng)的影響

與一般的地下結(jié)構(gòu)不同，沉管隧道結(jié)構(gòu)長期在水下工作，且埋設(shè)深度一般較淺。由于水的比熱容較大，在白天受到陽光直射，溫度上升較快，夜晚溫度則迅速降低，會(huì)產(chǎn)生一定的溫度差，溫度的變化在季節(jié)的更替中更為明顯。沉管隧道管節(jié)接頭中含有GINA止水帶等橡膠制成的重要部件，溫度變化會(huì)對(duì)其工作性能產(chǎn)生一定的影響，因此溫度變化對(duì)沉管隧道接頭處地震響應(yīng)產(chǎn)生的影響問題同樣值得去深入研究。李貞新等[14]采用其提出的超長沉管隧道地震響應(yīng)快速分析方法，對(duì)港珠澳大橋沉管隧道分別在升溫及降溫工況下進(jìn)行了抗震分析，指出季節(jié)變化導(dǎo)致的溫度變化會(huì)對(duì)節(jié)段式沉管隧道地震響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，尤其是對(duì)沉管的管節(jié)接頭變形量、豎向剪力鍵剪力、水平剪力鍵剪力等。李萬里等[27]基于反應(yīng)位移法的基本原理建立了考慮接頭彈簧剛度和土彈簧剛度影響的縱向梁-彈簧有限元模型，并采用地震波非一致激勵(lì)的輸入方式，研究升降溫工況下沉管隧道接頭的地震響應(yīng)，研究得出升溫工況下管節(jié)接頭的剛度提升、張開量減小，對(duì)抗震是有利的；降溫工況下管節(jié)接頭的剛度降低、張開量增大，對(duì)抗震是不利的，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)以降溫工況作為控制工況。

3 研究展望

我國關(guān)于沉管隧道的研究起步較晚，但隨著港珠澳大橋沉管隧道工程的順利建成通車，標(biāo)志著我國沉管隧道建造技術(shù)已經(jīng)步入世界前列。由于地震產(chǎn)生的巨大破壞性以及發(fā)生的不可預(yù)知性，抗震研究應(yīng)始終著重關(guān)注，要深入了解沉管隧道在地震作用下的受力作用，才能有效提高沉管隧道結(jié)構(gòu)的安全性。沉管隧道的抗震研究今后還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入探索。

3.1 數(shù)值模擬方面

(1)在考慮沉管隧道有限元模型“邊界效應(yīng)”時(shí)，往往采用的是粘-彈性人工邊界消除邊界對(duì)地震波的反射作用，精度較低，以后可考慮用更高精度的人工邊界來代替。

(2)在建立地基土的有限元模型時(shí)，往往認(rèn)為土層是水平均勻分布的，這與實(shí)際場(chǎng)地中土層的分布顯然不符，需要對(duì)更能真實(shí)反映實(shí)際工程場(chǎng)地情況的建模方法開展深入研究。

3.2 模型試驗(yàn)方面

(1)針對(duì)沉管隧道接頭模型可以進(jìn)行更精細(xì)化的處理，對(duì)接頭處的地震響應(yīng)進(jìn)行著重研究。

(2)結(jié)合工程實(shí)際，考慮更多復(fù)雜場(chǎng)地的參數(shù)。

(3)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溟_展更深入的研究，找出能更好能消除“邊界效應(yīng)”的模型箱，以準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程的邊界條件。

(4)小尺寸的模型試驗(yàn)的精度、合理性需要開展更多研究。