地震作用下地鐵隧道與鄰近建筑相互影響研究

盧致強(qiáng) 曹 平 李冀偉 劉建偉

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司,610045,成都//第一作者,高級(jí)工程師)

地震作用下地鐵隧道與鄰近建筑相互影響研究

盧致強(qiáng) 曹 平 李冀偉 劉建偉

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司,610045,成都//第一作者,高級(jí)工程師)

以西安地鐵某區(qū)間隧道側(cè)穿學(xué)校公寓為研究對(duì)象,利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行時(shí)程分析。重點(diǎn)研究了地震作用下地鐵隧道與鄰近建(構(gòu))筑物間的相互影響。研究結(jié)果表明,隧道結(jié)構(gòu)剛度較周圍地層大,對(duì)周圍地層變形存在約束性,使隧道周圍地層的整體剛度有所提高,隧道結(jié)構(gòu)的修建不會(huì)造成周圍地層及鄰近建筑所受地震作用增大,而鄰近建筑的存在會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)所受的地震作用增大。根據(jù)研究結(jié)果,針對(duì)隧道鄰近建(構(gòu))筑物提出了抗震構(gòu)造措施,為類似工程提供參考。

地鐵隧道; 鄰近建筑; 地震作用; 時(shí)程分析; 數(shù)值模擬

Author′s address Ranken Railway Construction Group Co.,Ltd.,610045,Chengdu,China

我國地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間,地震活動(dòng)頻繁,是世界上最大的大陸淺源強(qiáng)震活動(dòng)區(qū),而大量的隧道工程位于高地震烈度區(qū)[1]。地下結(jié)構(gòu)由于受到地層的約束,加之城市隧道大多采用抗震性能較好的整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及能夠適應(yīng)地層變形的裝配式圓形結(jié)構(gòu),震害明顯低于地上結(jié)構(gòu)[2]。但高烈度地震區(qū)內(nèi)的地鐵大規(guī)模建設(shè)是在近些年才出現(xiàn)的,大多數(shù)還沒有經(jīng)過大地震的檢驗(yàn),因此災(zāi)難性的震害記錄不多。1995年日本阪神大地震中,神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴(yán)重破壞,引起了眾多地震工作者的高度重視。隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展及某些地區(qū)地鐵震害的出現(xiàn),我國于2014年12月1日開始實(shí)施GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,規(guī)定抗震設(shè)防地區(qū)的城市軌道交通結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[2]。城市軌道交通作為國家生命線工程之一,必須對(duì)其抗震計(jì)算給予高度重視。

在城市繁華地區(qū)或一些特定地段,由于受既有建(構(gòu))筑物、地質(zhì)條件的限制及地下空間綜合開發(fā)、利用的需要,地鐵隧道與其它結(jié)構(gòu)物間的距離變得越來越小。地震作用下,地鐵與鄰近建(構(gòu))筑物相互影響的研究成為一個(gè)不容忽視的課題。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)(地下工程篇)》,需要對(duì)地下結(jié)構(gòu)沿線的地震風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判定及評(píng)估。但國內(nèi)外對(duì)于地震作用下地下結(jié)構(gòu)與鄰近建(構(gòu))筑物相互影響的研究極少,亟待深入和完善指導(dǎo)實(shí)際工程的理論和技術(shù)。目前,巖土工程數(shù)值模擬技術(shù)已非常成熟,不僅可模擬地層及隧道襯砌結(jié)構(gòu),而且可輸入地震時(shí)程,較為真實(shí)地模擬地震作用。本文利用MIDAS GTS數(shù)值分析軟件,針對(duì)西安地鐵某區(qū)間隧道側(cè)穿學(xué)校公寓進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范,分析地震作用下地鐵隧道與鄰近建筑的相互影響,提出有效的抗震措施。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

鄰近建筑公寓為5層磚混結(jié)構(gòu),筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深約2 m。地鐵區(qū)間隧道自該建筑南側(cè)穿過。隧道與該樓最小水平距離約4.1 m,最小豎向距離約8.5 m。地鐵區(qū)間為左右分建的兩條單洞單線隧道,斷面為馬蹄形,內(nèi)凈空為8.3 m (寬)×8.45 m (高);二襯采用C35混凝土,厚度0.5 m;左右線線間距約為15 m;隧道埋深約10.5 m。區(qū)間隧道與該公寓位置關(guān)系如圖1、2所示。

圖1 區(qū)間隧道與公寓水平位置關(guān)系圖

圖2 區(qū)間隧道與公寓豎向位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)概況

表1 土層和材料參數(shù)

模擬時(shí)所采用的動(dòng)彈性模量可根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》由剪切波速、壓縮波速及土的質(zhì)量密度進(jìn)行計(jì)算得到。本文模擬時(shí)采用的動(dòng)彈性模量根據(jù)勘察報(bào)告,按西安地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取彈性模量的10倍。

2 計(jì)算模型及輸入

2.1 模型的建立

計(jì)算采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行時(shí)程分析。該分析把地震運(yùn)動(dòng)視為一個(gè)隨時(shí)間變化的過程,并將地下結(jié)構(gòu)物和周圍土體介質(zhì)視為共同受力變形的整體,通過直接輸入地震時(shí)程,在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)物和土體介質(zhì)在各個(gè)時(shí)刻的位移、速度、加速度、應(yīng)變及內(nèi)力等,以驗(yàn)算場地的穩(wěn)定性以及隧道結(jié)構(gòu)和鄰近建筑的抗震性能。

模型計(jì)算采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行時(shí)程分析。動(dòng)力有限元數(shù)值分析中,為保證計(jì)算精度及控制頻散、提高截止頻率,要求集中質(zhì)量有限元單元尺寸與關(guān)注的最小波長之比不大于1/6。在模擬的波長內(nèi)包含6～8個(gè)數(shù)目的單元長度,將有較高的精度。因此在對(duì)建立的有限元分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),所關(guān)心振動(dòng)波的高頻(短波)成分決定網(wǎng)格單元尺寸,低頻(長波)成分決定模型邊界范圍的大小[3]。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用動(dòng)力分析時(shí),由于直接輸入地震波作用,限制土層單元尺寸時(shí),通常豎向單元尺寸不大于1 m即可滿足要求;對(duì)于模型尺寸,計(jì)算模型的側(cè)面人工邊界距離地下結(jié)構(gòu)的距離不小于3倍地下結(jié)構(gòu)水平有效寬度,底面取至設(shè)計(jì)地震作用的基準(zhǔn)面且距離結(jié)構(gòu)不小于3倍地下結(jié)構(gòu)豎向有效高度,上表面取至實(shí)際地表。

對(duì)于有限的計(jì)算區(qū)域,在地震激勵(lì)下,波動(dòng)能量將在人工截取的邊界上發(fā)生反射,使波發(fā)生震蕩,導(dǎo)致模擬失真[4]。為解決有限模型邊界上波的反射問題,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定模型邊界一般采用粘性或粘彈性人工邊界。粘彈性邊界不僅可較好地模擬地基的輻射阻尼,而且能模擬遠(yuǎn)場地球介質(zhì)的彈性恢復(fù)性能,具有良好的低頻穩(wěn)定性[5]。本文計(jì)算模型采用集中粘彈性人工邊界,即在有限元模型中任一人工邊界節(jié)點(diǎn)的法向和切向分別設(shè)置并聯(lián)的彈簧單元和阻尼器單元[6-7]。在MIDAS GTS中通過輸入基床系數(shù)及阻尼,實(shí)現(xiàn)粘彈性人工邊界的加載。

綜上,所建立模型尺寸長133.4 m,高76.2 m。模擬時(shí),地層采用平面單元,鄰近建筑按質(zhì)量等效為平面單元。模型地表面為自由面,周邊采用粘彈性人工邊界。計(jì)算中土體采用摩爾-庫侖模型,初始應(yīng)力場僅考慮土體自重應(yīng)力場,不考慮地層的構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 地震動(dòng)時(shí)程

根據(jù)勘察報(bào)告,本場地類別為Ⅱ類。場地土類型為中軟～中硬土。擬建場地位于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)內(nèi),地震動(dòng)峰值加速度值amax為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場地類別為Ⅱ類的地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

本場地土類型為中硬土,場地類別為Ⅱ類場地。本區(qū)間計(jì)算采用50年超越概率為10%的基巖加速度反應(yīng)譜和峰值加速度作為地震動(dòng)時(shí)程合成的目標(biāo)峰值和反應(yīng)譜,采用三角級(jí)迭代法合成土層地震反應(yīng)分析所需的基巖地震動(dòng)時(shí)程。地震動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)如表2所示。地震動(dòng)時(shí)程曲線如圖3所示。

表2 地震動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)

圖3 50年超越概率10%基巖水平地震動(dòng)時(shí)程圖

2.3 計(jì)算工況

分別針對(duì)工況1、2、3進(jìn)行模擬分析,通過三種工況對(duì)比,分析地鐵隧道與鄰近建筑抗震性能的相互影響。

工況1:未修建地鐵隧道,存在鄰近建筑(見圖4);

工況2:修建地鐵隧道,存在鄰近建筑(見圖5);

工況3:修建地鐵隧道,無鄰近建筑(見圖6)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

工況1計(jì)算結(jié)果如圖7、8所示。由圖7、8可知,地震作用時(shí),鄰近建筑頂部的最大位移為79.49 mm,發(fā)生于7.75 s;最大層間位移發(fā)生于建筑頂層,最大層間位移為3.185 mm,發(fā)生于7.45 s。

圖4 工況1

圖5 工況2

圖6 工況3

圖7 工況1時(shí)建筑頂部位移時(shí)程曲線

圖8 工況1時(shí)層間位移時(shí)程曲線

工況2計(jì)算結(jié)果如圖9～11所示。由圖9、10可知,地震作用時(shí),鄰近建筑頂部的最大位移為73.51 mm,發(fā)生于7.75 s;最大層間位移發(fā)生于建筑頂層,最大層間位移為2.923 mm,發(fā)生于7.45 s。由圖11可知,地震作用時(shí),隧道頂、底的最大相對(duì)位移為2.894 mm,發(fā)生于7.45 s。

圖9 工況2時(shí)建筑頂部位移時(shí)程曲線

圖10 工況2時(shí)層間位移時(shí)程曲線

圖11 工況2時(shí)隧道拱頂與拱底相對(duì)位移時(shí)程曲線

工況3計(jì)算結(jié)果如圖12所示?？梢?地震作用時(shí),隧道頂、底的最大相對(duì)位移為2.486 mm,發(fā)生于7.45 s。

圖12 工況3時(shí)隧道拱頂與拱底相對(duì)位移時(shí)程曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將三種工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表3、4所示。

表3 工況1與工況2計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表4 工況2與工況3計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可知,工況1中鄰近建筑頂部最大位移及最大層間位移均略大于工況2。即隧道修建后,在地震作用下,鄰近建筑頂部的最大位移及最大層間位移均有所減小(鄰近建筑頂部位移減小約7.52%,最大層間位移減小約8.23%)。

由表4可知,工況2中隧道拱頂與拱底的最大相對(duì)位移略大于工況3。即當(dāng)?shù)孛娲嬖卩徑ㄖr(shí),在地震作用下,隧道拱頂與拱底最大相對(duì)位移有所增加(最大相對(duì)位移增加約16.41%)。

3.3 地震作用下地鐵隧道及鄰近建筑相互影響

(1) 根據(jù)表3的對(duì)比結(jié)果,修建地鐵隧道后,地震作用下鄰近建筑的位移有所減小,但影響程度較小。其原因在于隧道結(jié)構(gòu)斷面較小,其在橫向和縱向上的剛度較周邊地層要大,對(duì)地層的整體抗震性能有所提升,因此導(dǎo)致作用在臨近建筑物上的地震作用有所減小。

(2) 根據(jù)表4的對(duì)比結(jié)果,當(dāng)存在鄰近建筑時(shí),在地震作用下,隧道拱頂與拱底的最大相對(duì)位移有所增大,但影響程度較小。其原因在于地面建筑在時(shí)程計(jì)算過程中增加了作用在結(jié)構(gòu)上的荷載(本文中地面建筑規(guī)模相對(duì)較小,其增加于結(jié)構(gòu)上的荷載較小),因此導(dǎo)致作用在隧道結(jié)構(gòu)上的地震作用有所增大。

4 結(jié)論及抗震措施

4.1 結(jié)論

(1) 綜合本文中三個(gè)分析工況并結(jié)合國內(nèi)外既有工程經(jīng)驗(yàn),隧道結(jié)構(gòu)在滿足自身抗震性能要求的情況下(即地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段或結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作階段,但結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生較大破壞,不會(huì)出現(xiàn)局部或整體倒塌),隧道結(jié)構(gòu)建成后,其結(jié)構(gòu)剛度較周圍地層大,對(duì)周圍地層變形存在約束性,使隧道周圍地層的整體剛度有所提高,整體抗震性能提高,從而使鄰近建筑所受地震作用有所降低。

(2) 本文中隧道結(jié)構(gòu)埋深較大,斷面較小,鄰近建筑荷載對(duì)其影響較小;且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形及裂縫等計(jì)算時(shí)已考慮鄰近建筑位置及其荷載的影響,結(jié)構(gòu)厚度及配筋滿足相關(guān)要求。考慮到周圍地層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的約束作用,地震作用時(shí),鄰近建筑的存在導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)所受地震作用增強(qiáng)。

(3) 地震作用下隧道結(jié)構(gòu)與鄰近建筑的相互影響較小。地震作用下隧道與鄰近建筑之間的相互影響與隧道結(jié)構(gòu)尺寸及建(構(gòu))筑物的規(guī)模有關(guān),同時(shí)與隧道結(jié)構(gòu)和建(構(gòu))筑物之間的位置關(guān)系有關(guān),隧道結(jié)構(gòu)與鄰近建(構(gòu))筑物抗震的相互影響中隧道結(jié)構(gòu)尺寸及斷面形式的優(yōu)化分析是個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。

4.2 隧道鄰近建(構(gòu))筑物段抗震措施

(1) 隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形及裂縫寬度等計(jì)算應(yīng)考慮鄰近建(構(gòu))筑物位置及荷載的影響,必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),以保證隧道結(jié)構(gòu)修建后不會(huì)降低周圍地層的整體剛度。

(2) 嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,避免人為因素產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。鋼筋的焊接、綁扎及錨固等應(yīng)滿足抗震相關(guān)要求。

(3) 對(duì)盾構(gòu)法和礦山法施工的隧道結(jié)構(gòu),應(yīng)及時(shí)向襯砌背后壓注結(jié)硬性漿液,保證周圍圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的共同作用。

(4) 對(duì)于抗震薄弱部位必要時(shí)可以采取如下措施:①在適當(dāng)距離設(shè)置減震縫,并充填軟質(zhì)減震材料;②在隧道周圍一定范圍內(nèi)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固;③在襯砌與圍巖間設(shè)置板式減震層或壓注減震材料;④襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼纖維混凝土(增加強(qiáng)度)或采用聚合物混凝土(增加阻尼)。

[1] 耿萍,張景,何川,等. 隧道橫斷面反應(yīng)位移法基本原理及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(增2):3478-3485.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50909—2014[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2014:28-39.

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On the Mutual Effects of Earthquake Action on Subway Tunnels and the Adjacent Buildings

LU Zhiqiang, CAO Ping, LI Jiwei, LIU Jianwei

Taking a section tunnel crossing alongside the university apartment as the case,MIDAS GTS numerical simulation software is used to take a time-history analysis,the mutual effects of subway tunnels and the adjacent buildings under earthquake action are mainly studied.The result of this research shows that tunnel structure is characterized by greater stiffness than that of the surrounding strata,which exerts certain binding force on the stratum deformation.At the same time,the tunnel will strengthen the stiffness of the surrounding strata,but not increase the earthquake action on the surrounding strata and the surrounding buildings.To the contrary,the surrounding buildings will increase the earthquake action on tunnel structure.Based on this study,the seismic structural measures of the buildings adjacent to tunnels are proposed,so as to provide a reference for similar projects.

subway tunnel; adjacent building; earthquake action; time-history analysis; numerical simulation

U452.2+8:U231

10.16037/j.1007-869x.2017.04.010

2015-07-15)