盾構(gòu)隧道橫向地震反應(yīng)影響因素分析

周敏

【摘要】我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科技的水平逐漸提高，為盾構(gòu)隧道行業(yè)提供了良好的技術(shù)發(fā)展平臺(tái)，地鐵交通發(fā)展是城市進(jìn)步的重要推動(dòng)力之一，地鐵已經(jīng)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(yīng)的理論分析方法，然后隧道和土體在地震動(dòng)下的動(dòng)力特性進(jìn)行了深入分析，進(jìn)而提出隧道地震反應(yīng)的影響因素希望通過(guò)本文的分析和探究，更好的促進(jìn)盾構(gòu)隧道的構(gòu)建和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道；橫向；地震反應(yīng)

前 言：

傳統(tǒng)的分析方法己難于對(duì)這樣的復(fù)雜體系的抗震問(wèn)題給出滿意的解答，只有根據(jù)土與結(jié)構(gòu)物共同作用的原理，把土和結(jié)構(gòu)作為相互作用又相互制約的整體進(jìn)行分析，才能得到比較合理的結(jié)果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體性和考慮地基環(huán)境的作用，因此，在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，有必要將土—地下結(jié)構(gòu)體系作為相互作用的整體來(lái)研究。將動(dòng)力有限元理論與考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的整體分析方法相結(jié)合，在目前的結(jié)構(gòu)—地基體系的地震反應(yīng)分析中已得到廣泛的應(yīng)用。

1.隧道橫向地震響應(yīng)的理論分析方法

（1）地震系數(shù)法：

又稱(chēng)靜力法或慣性力法，最初是針對(duì)地面結(jié)構(gòu)提出的。它假設(shè)結(jié)構(gòu)物的各部分與地面有相同的振動(dòng)，將結(jié)構(gòu)的質(zhì)量乘上其加速度得到的慣性力視為靜力施加于結(jié)構(gòu)。

（2）反應(yīng)位移法：

擬靜力法以反應(yīng)位移法為代表，是一種簡(jiǎn)化的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法。目前在地下結(jié)構(gòu)抗震中的得到廣泛的應(yīng)用。地震觀測(cè)及模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)均證實(shí)了地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)隨周?chē)貙右黄鹫駝?dòng)這一規(guī)律。在地震作用下，不同位置和深度處的地層動(dòng)力響應(yīng)有所不同，在其約束作用下，地下結(jié)構(gòu)物不同部位就會(huì)存在位移差，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的產(chǎn)生

（3）動(dòng)力有限元法：動(dòng)力有限元法是Zienkiewicz等人為了求解體系瞬態(tài)問(wèn)題而提出的，之后Newmark、Wilson等人分別提出逐步積分方法，為動(dòng)力有限元的應(yīng)用和發(fā)展提供了動(dòng)力。動(dòng)力有限元法的基本原理是：假定在結(jié)構(gòu)下方存在一個(gè)基準(zhǔn)面，地震加速度沿基準(zhǔn)面激震。

2.隧道和土體在地震動(dòng)下的動(dòng)力特性

基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)的動(dòng)力分析，所得到的隧道和土體在地震動(dòng)下的動(dòng)力特性土體加速度共振曲線和土體相對(duì)位移諧振曲線。在正弦波激振下的土體加速度和相對(duì)位移的振動(dòng)。從這些數(shù)字中可以得出：土體加速度共振曲線和土體相對(duì)位移諧振曲線和振動(dòng)模型變化很少或根本不變，即使是土體中修建了一個(gè)盾構(gòu)隧道。而且，隧道變形和軸向應(yīng)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(duì)位移諧振曲線相同?？梢源_認(rèn)，在地震動(dòng)下并不發(fā)生盾構(gòu)隧道的自振，盾構(gòu)隧道在動(dòng)力特性上完全遵循周邊土體。隧道彎曲應(yīng)變波形和地面加速度波形之間的比較；隧道彎曲應(yīng)變波形和土體相對(duì)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(yīng)變波形同土體相對(duì)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(rèn)，盾構(gòu)隧道的變形性質(zhì)由其周?chē)馏w控制。

3.隧道地震反應(yīng)的影響因素分析

3.1不同地震動(dòng)輸入的影響

采用不同的地震波輸入，經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)程分析過(guò)程，所得到的地震響應(yīng)可能相差甚遠(yuǎn)。為驗(yàn)算不同地震動(dòng)條件下，結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)規(guī)律是否一致，另選 Taft 波和寧河波作為地震動(dòng)輸入。給出三種地震波作用下隧道結(jié)構(gòu)拱頂與拱底的相對(duì)位移時(shí)程曲線，Taft波的相對(duì)位移峰值為 5.11mm ，發(fā)生在 6.9s；天津波的相對(duì)位移峰值為 4.49 mm，發(fā)生在 7.82s。可以看出 Taft 波與天津波輸入下的變形反應(yīng)較為接近，而 El-Centro 波輸入下的變形反應(yīng)最大。El-Centro 波的相對(duì)位移峰值是天津波的 2.7 倍，而 Taft 波是天津波的 1.1 倍?？梢?jiàn)彈性計(jì)算范圍內(nèi)，地震波強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)的變形也越大。

3.2不同截面類(lèi)型的影響

在地鐵施工中，盾構(gòu)隧道施工方法可以根據(jù)地鐵建設(shè)的需要，把隧道斷面做成所需要的形式。除圓形盾構(gòu)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(jié)就以單軌矩形隧道為研究對(duì)象，用以說(shuō)明不同截面類(lèi)型的隧道結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征。根據(jù)地鐵區(qū)間隧道的建筑設(shè)計(jì)限界和地鐵車(chē)輛的限界，將矩形隧道的寬取6m，高取 5m，襯砌厚度取 0.5m，結(jié)構(gòu)頂面距地表 8m。隧道周?chē)膱?chǎng)地與單軌圓形隧道的情況相同，用 El-Centro 波作為地震動(dòng)輸入，分析隧道結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)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(shù)之一，因此，確定埋深條件不同對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響也十分必要。這里的分析采用4.2小節(jié)的計(jì)算模型，分別取埋深為5m、8m、10m和20m，其他的參數(shù)不變。以El-Centro波作為地震動(dòng)輸入，采用動(dòng)力有限元方法對(duì)區(qū)間隧道的動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行分析，得出埋深條件對(duì)隧道的地震反應(yīng)的影響。 如前所述，在地震動(dòng)作用下，隧道的最大動(dòng)內(nèi)力發(fā)生的位置基本一致：最大動(dòng)軸力和動(dòng)彎矩成“X”型，最大動(dòng)剪力成“十”型；表一出了不同埋深條件下的隧道結(jié)構(gòu)特征截面處的內(nèi)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(jì)算結(jié)果顯示： 隨著埋深的加大，隧道的動(dòng)內(nèi)力也增大；且埋深對(duì)動(dòng)軸力的影響比對(duì)動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩影響大。 表二隧道不同埋深時(shí)隧道的水平位移最大值及洞頂與洞底的相對(duì)位移最大值。從表中的數(shù)據(jù)可以看出：隧道洞頂?shù)乃轿灰凭人淼蓝吹椎乃轿灰拼?；拱腰處的值介于兩者之間。但隨著埋深增加，結(jié)構(gòu)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(duì)水平位移小于埋深大的情況

表一：同埋深時(shí)隧道的內(nèi)力峰值比較

表二： 不同埋深的隧道水平位移及相對(duì)位移比較

總 結(jié)：

本文是在橫斷面方向進(jìn)行對(duì)盾構(gòu)隧道的動(dòng)力反應(yīng)的深入分析，沒(méi)有考慮地震傳播的“行波效應(yīng)”，即忽略的地震波的傳播方向及基巖變形的影響。進(jìn)一步研究可對(duì)隧道的縱向的力學(xué)特性進(jìn)行分析，盾構(gòu)隧道的抗震性論證才會(huì)更全面。當(dāng)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(shí)代的發(fā)展，不斷探索新的技術(shù)和方法，更好地促進(jìn)盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉晶波，李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009，39（6）：106-110

[2]劉晶波，李彬，谷音，杜義欣.地鐵盾構(gòu)隧道地震反應(yīng)特性研究.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010年增刊：251-257

[3]孔戈.盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)分析及抗減震措施研究：[博士學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2013