盾構隧道橫向地震反應影響因素分析

周敏

【摘要】我國的經濟和科技的水平逐漸提高，為盾構隧道行業提供了良好的技術發展平臺，地鐵交通發展是城市進步的重要推動力之一，地鐵已經成為解決城市交通擁擠的重要途徑。本文基于地震影響因素，研究了隧道橫向地震響應的理論分析方法，然后隧道和土體在地震動下的動力特性進行了深入分析，進而提出隧道地震反應的影響因素希望通過本文的分析和探究，更好的促進盾構隧道的構建和發展。

【關鍵詞】盾構隧道；橫向；地震反應

前 言：

傳統的分析方法己難于對這樣的復雜體系的抗震問題給出滿意的解答，只有根據土與結構物共同作用的原理，把土和結構作為相互作用又相互制約的整體進行分析，才能得到比較合理的結果。結構設計的一個重要發展趨勢是更強調系統的整體性和考慮地基環境的作用，因此，在進行地下結構地震反應分析時，有必要將土—地下結構體系作為相互作用的整體來研究。將動力有限元理論與考慮土—結構相互作用的整體分析方法相結合，在目前的結構—地基體系的地震反應分析中已得到廣泛的應用。

1.隧道橫向地震響應的理論分析方法

（1）地震系數法：

又稱靜力法或慣性力法，最初是針對地面結構提出的。它假設結構物的各部分與地面有相同的振動，將結構的質量乘上其加速度得到的慣性力視為靜力施加于結構。

（2）反應位移法：

擬靜力法以反應位移法為代表，是一種簡化的地下結構抗震分析方法。目前在地下結構抗震中的得到廣泛的應用。地震觀測及模型試驗數據均證實了地震時地下結構隨周圍地層一起振動這一規律。在地震作用下，不同位置和深度處的地層動力響應有所不同，在其約束作用下，地下結構物不同部位就會存在位移差，從而導致了結構變形和內力的產生

（3）動力有限元法：動力有限元法是Zienkiewicz等人為了求解體系瞬態問題而提出的，之后Newmark、Wilson等人分別提出逐步積分方法，為動力有限元的應用和發展提供了動力。動力有限元法的基本原理是：假定在結構下方存在一個基準面，地震加速度沿基準面激震。

2.隧道和土體在地震動下的動力特性

基于振動臺試驗結果和試驗的動力分析，所得到的隧道和土體在地震動下的動力特性土體加速度共振曲線和土體相對位移諧振曲線。在正弦波激振下的土體加速度和相對位移的振動。從這些數字中可以得出：土體加速度共振曲線和土體相對位移諧振曲線和振動模型變化很少或根本不變，即使是土體中修建了一個盾構隧道。而且，隧道變形和軸向應變的諧振曲線中可以看出，隧道的諧振頻率與土體的加速度和相對位移諧振曲線相同。可以確認，在地震動下并不發生盾構隧道的自振，盾構隧道在動力特性上完全遵循周邊土體。隧道彎曲應變波形和地面加速度波形之間的比較；隧道彎曲應變波形和土體相對位移波形之間的比較（僅以tokach-oki地震波激振、隧道二截面為例）可以看出，隧道彎曲應變波形同土體相對位移波形相比，比土體加速度波形要相似得多。因此，可以確認，盾構隧道的變形性質由其周圍土體控制。

3.隧道地震反應的影響因素分析

3.1不同地震動輸入的影響

采用不同的地震波輸入，經過同樣的時程分析過程，所得到的地震響應可能相差甚遠。為驗算不同地震動條件下，結構體系的地震響應規律是否一致，另選 Taft 波和寧河波作為地震動輸入。給出三種地震波作用下隧道結構拱頂與拱底的相對位移時程曲線，Taft波的相對位移峰值為 5.11mm ，發生在 6.9s；天津波的相對位移峰值為 4.49 mm，發生在 7.82s。可以看出 Taft 波與天津波輸入下的變形反應較為接近，而 El-Centro 波輸入下的變形反應最大。El-Centro 波的相對位移峰值是天津波的 2.7 倍，而 Taft 波是天津波的 1.1 倍。可見彈性計算范圍內，地震波強度越大，結構的變形也越大。

3.2不同截面類型的影響

在地鐵施工中，盾構隧道施工方法可以根據地鐵建設的需要，把隧道斷面做成所需要的形式。除圓形盾構隧道之外，單軌矩形隧道也是目前較為普遍的隧道形式之一。本小節就以單軌矩形隧道為研究對象，用以說明不同截面類型的隧道結構的地震反應特征。根據地鐵區間隧道的建筑設計限界和地鐵車輛的限界，將矩形隧道的寬取6m，高取 5m，襯砌厚度取 0.5m，結構頂面距地表 8m。隧道周圍的場地與單軌圓形隧道的情況相同，用 El-Centro 波作為地震動輸入，分析隧道結構的地震反應特性。

3.3不同埋深的影響

埋深條件也是土層剛度的重要影響因數之一，因此，確定埋深條件不同對隧道結構的地震反應影響也十分必要。這里的分析采用4.2小節的計算模型，分別取埋深為5m、8m、10m和20m，其他的參數不變。以El-Centro波作為地震動輸入，采用動力有限元方法對區間隧道的動反應進行分析，得出埋深條件對隧道的地震反應的影響。 如前所述，在地震動作用下，隧道的最大動內力發生的位置基本一致：最大動軸力和動彎矩成“X”型，最大動剪力成“十”型；表一出了不同埋深條件下的隧道結構特征截面處的內力峰值，包括“X”截面處的彎矩和軸力、“十”截面處的剪力（右半拱）。計算結果顯示： 隨著埋深的加大，隧道的動內力也增大；且埋深對動軸力的影響比對動剪力和動彎矩影響大。 表二隧道不同埋深時隧道的水平位移最大值及洞頂與洞底的相對位移最大值。從表中的數據可以看出：隧道洞頂的水平位移均比隧道洞底的水平位移大；拱腰處的值介于兩者之間。但隨著埋深增加，結構的水平位移的差異并不明顯。而埋深小的情況下隧道洞頂與洞底間的相對水平位移小于埋深大的情況

表一：同埋深時隧道的內力峰值比較

表二： 不同埋深的隧道水平位移及相對位移比較

總 結：

本文是在橫斷面方向進行對盾構隧道的動力反應的深入分析，沒有考慮地震傳播的“行波效應”，即忽略的地震波的傳播方向及基巖變形的影響。進一步研究可對隧道的縱向的力學特性進行分析，盾構隧道的抗震性論證才會更全面。當然本文的分析和研究中仍存在著很多的不足之處，需要我們跟隨時代的發展，不斷探索新的技術和方法，更好地促進盾構隧道技術的發展。

參考文獻：

[1]劉晶波，李彬.地鐵地下結構抗震分析及設計中的幾個關鍵問題[J].土木工程學報，2009，39（6）：106-110

[2]劉晶波，李彬，谷音，杜義欣.地鐵盾構隧道地震反應特性研究.現代隧道技術，2010年增刊：251-257

[3]孔戈.盾構隧道地震響應分析及抗減震措施研究：[博士學位論文].上海：同濟大學土木工程學院，2013