洞體間距對隧道地震響應的影響分析

張 鴻 張向榮

地鐵是重要的生命線工程,由于我國不少大中城市都位于高烈度設防區,因此地鐵結構的抗震分析與研究具有重要的理論與工程意義。在實際工程中,地鐵線路通常由往返程兩條隧道構成。本文結合具體工程實例,以非線性分析理論[1]為基礎采用動力有限元法對雙洞口隧道體系中相鄰隧道間距對隧道地震響應的影響進行了對比分析,得出了一些有益的規律和結論。

1 工程概況和有限元模型的建立

本算例的相關地質與工程資料取自天津地鐵1號線和2號線工程。1號線新建區段及2號線多數區段均采用盾構法施工,區間隧道的斷面形狀為圓形,隧道采用預制混凝土管片拼裝而成的環形襯砌結構。該地區抗震設防烈度為7度。多數地區為Ⅲ類場地。

混凝土環形襯砌的厚度為0.35 m,其外徑為6.2 m,內徑為5.5 m,隧道頂距地表10 m。土—隧道體系的有限元計算區域取為60 m×40 m。計算區域內的土體和土體中的襯砌均采用平面四結點等參元來劃分;土體與襯砌之間設置面—面接觸摩擦單元。根據地鐵1號線某區段的地質勘察報告,地基的分層及各層物理力學參數見表1;襯砌混凝土力學參數見表2。將計算區域底部邊界假定為基巖面,側向邊界上取為水平向自由而豎向約束。

表1 土層物理力學參數

表2 襯砌混凝土物理力學參數

本文采用寧河天津波的南北向地震記錄,該地震波的峰值加速度為145.80 Gal(1 Gal=1 cm/s2=0.01 m/s2),采樣頻率為0.01 s,持續時間為19.19 s。本文由基巖處輸入水平方向的地震波,為節約計算時間,截取 6 s～16 s時間段的加速度曲線。根據GB 50011-2001建筑抗震設計規范的規定,本算例需按7度設防烈度、Ⅲ類場地、發生罕遇地震的標準,將加速度最大值調至310 Gal(3.10 m/s2)。

為了充分考慮土體材料的非線性動力特性以及土與結構接觸面上的非線性特征,本文分別采用多線性隨動強化模型[3]和面—面接觸摩擦單元加以模擬,由于混凝土襯砌的強度、剛度相對較大,本文將其近似視為線彈性體計算。

2 不同洞體間距的地震響應對比分析

為了研究雙洞口隧道體系中洞體間距對隧道地震響應的影響,本文將6 m間距雙洞口隧道計算模型進行調整,分別將兩襯砌凈間距取為1 m,3 m,6 m,10 m以及單洞口(以單洞口來說明間距無限遠情況)五種情況,通過計算分別得到各模型的動力反應時程。根據已有的實算規律,即水平地震作用下襯砌及其周圍土體的應力集中區呈“X”形分布,選取襯砌X形對角線位置內側結點782,759,767,775以及對應位置洞周土體結點193,537,546,176為研究對象,將各模型的動力反應時程進行對比,如圖 1,圖2所示(由于篇幅原因,這里僅列出結點782,759,193和537的對比情況),進而得到以下規律和結論:

1)由圖1可見,從總體上看,各種間距情況下襯砌對應結點的應力、應變時程曲線的走向基本一致,且數值相差不大,說明水平地震荷載作用下兩洞口間距大小對襯砌高應力區的動力響應影響并不大。

2)由圖2可見,各種間距情況下襯砌周圍土體的應力、應變時程曲線的走向基本一致,但曲線峰值都有不同程度的差異,主要表現為:當間距分別為6 m,10 m乃至單洞口(代表間距無限大情況)時,峰值相差很小;而當間距小于3 m時,動力反應差值逐漸明顯,間距達到1 m時峰值差異也達到最大。以上現象說明間距不同時襯砌周圍土體的動力響應也有不同程度的變化,間距大于6 m時動力反應情況較接近,間距小于6 m時變化逐漸明顯,間距越小變化越強烈。這一點也從抗震角度證實了規范將洞口間距限于6 m以上的合理性。

為了進一步比較不同間距情況下體系的應變特點和相鄰洞口間的相互作用情況,本文以t=2.9 s(應變較大時刻)為例分別對各模型的塑性應變進行對比分析,如圖3所示,得到如下規律和結論:

各間距情況下模型的塑性應變的整體分布形態比較相似,即土體塑性應變區集中分布在兩洞口周圍,并穩定地呈現出“X”形分布特征。但同時我們亦可發現,當間距為6 m以至10 m時,兩洞口塑性區趨向分離和彼此獨立;而當間距小于3 m乃至1 m時,左右洞口塑性區相互靠近以致相互交匯,此時洞口之間土體幾乎完全處于塑性區域,該受力狀態對隧道結構體系極為不利,是抗震設計中應予避免的。由此也再次證實規范中將洞口間距下限值取為6 m的合理性。

3 結語

本文結合具體工程實例,以非線性分析理論為基礎,采用動力有限元法對雙洞口隧道體系中相鄰隧道間距對隧道地震響應的影響進行了對比分析,得到以下規律和結論:水平地震荷載作用下相鄰隧道間距大小對襯砌結構動力響應影響不大;但對襯砌周圍土體動力響應有一定影響,當間距小于6 m時該影響逐漸明顯,同時洞口間的土體塑性區相互交匯,這對隧道抗震極為不利。由此也證實規范中將洞口間距下限值取為6 m的合理性。

[2]柴穎鵬.淺談隧道施工中的關鍵要素[J].山西建筑,2008,34(12):321-322.

[3]Besseling J.F..A theory of elastic,plastic,and creep deformations of an initially isotropic materialshowing anisotropic strainhardening,creep recovery,and secondary creep[J].Journal of Applied Mechanics,1958(6):529-536.