地震作用下地鐵隧道與鄰近建筑相互影響研究

盧致強 曹 平 李冀偉 劉建偉

(中鐵隆工程集團有限公司,610045,成都//第一作者,高級工程師)

地震作用下地鐵隧道與鄰近建筑相互影響研究

盧致強 曹 平 李冀偉 劉建偉

(中鐵隆工程集團有限公司,610045,成都//第一作者,高級工程師)

以西安地鐵某區間隧道側穿學校公寓為研究對象,利用MIDAS GTS數值模擬軟件進行時程分析。重點研究了地震作用下地鐵隧道與鄰近建(構)筑物間的相互影響。研究結果表明,隧道結構剛度較周圍地層大,對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,隧道結構的修建不會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造成隧道結構所受的地震作用增大。根據研究結果,針對隧道鄰近建(構)筑物提出了抗震構造措施,為類似工程提供參考。

地鐵隧道; 鄰近建筑; 地震作用; 時程分析; 數值模擬

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

我國地處歐亞地震帶和環太平洋地震帶之間,地震活動頻繁,是世界上最大的大陸淺源強震活動區,而大量的隧道工程位于高地震烈度區[1]。地下結構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澆鋼筋混凝土結構及能夠適應地層變形的裝配式圓形結構,震害明顯低于地上結構[2]。但高烈度地震區內的地鐵大規模建設是在近些年才出現的,大多數還沒有經過大地震的檢驗,因此災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間隧道遭到嚴重破壞,引起了眾多地震工作者的高度重視。隨著城市地鐵建設的發展及某些地區地鐵震害的出現,我國于2014年12月1日開始實施GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》,規定抗震設防地區的城市軌道交通結構必須進行抗震設計[2]。城市軌道交通作為國家生命線工程之一,必須對其抗震計算給予高度重視。

在城市繁華地區或一些特定地段,由于受既有建(構)筑物、地質條件的限制及地下空間綜合開發、利用的需要,地鐵隧道與其它結構物間的距離變得越來越小。地震作用下,地鐵與鄰近建(構)筑物相互影響的研究成為一個不容忽視的課題。根據住房和城鄉建設部頒布的《市政公用設施抗震設防專項論證技術要點(地下工程篇)》,需要對地下結構沿線的地震風險源進行風險判定及評估。但國內外對于地震作用下地下結構與鄰近建(構)筑物相互影響的研究極少,亟待深入和完善指導實際工程的理論和技術。目前,巖土工程數值模擬技術已非常成熟,不僅可模擬地層及隧道襯砌結構,而且可輸入地震時程,較為真實地模擬地震作用。本文利用MIDAS GTS數值分析軟件,針對西安地鐵某區間隧道側穿學校公寓進行數值模擬,并結合既有工程經驗及相關規范,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 工程及地質概況

1.1 工程概況

鄰近建筑公寓為5層磚混結構,筏板基礎,基礎埋深約2 m。地鐵區間隧道自該建筑南側穿過。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。地鐵區間為左右分建的兩條單洞單線隧道,斷面為馬蹄形,內凈空為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。區間隧道與該公寓位置關系如圖1、2所示。

圖1 區間隧道與公寓水平位置關系圖

圖2 區間隧道與公寓豎向位置關系圖

1.2 地質概況

表1 土層和材料參數

模擬時所采用的動彈性模量可根據《巖土工程勘察規范》由剪切波速、壓縮波速及土的質量密度進行計算得到。本文模擬時采用的動彈性模量根據勘察報告,按西安地區經驗取彈性模量的10倍。

2 計算模型及輸入

2.1 模型的建立

計算采用地層-結構模型進行時程分析。該分析把地震運動視為一個隨時間變化的過程,并將地下結構物和周圍土體介質視為共同受力變形的整體,通過直接輸入地震時程,在滿足變形協調的前提下,分別計算結構物和土體介質在各個時刻的位移、速度、加速度、應變及內力等,以驗算場地的穩定性以及隧道結構和鄰近建筑的抗震性能。

模型計算采用MIDAS GTS軟件進行時程分析。動力有限元數值分析中,為保證計算精度及控制頻散、提高截止頻率,要求集中質量有限元單元尺寸與關注的最小波長之比不大于1/6。在模擬的波長內包含6～8個數目的單元長度,將有較高的精度。因此在對建立的有限元分析模型進行網格劃分時,所關心振動波的高頻(短波)成分決定網格單元尺寸,低頻(長波)成分決定模型邊界范圍的大小[3]。根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》,采用動力分析時,由于直接輸入地震波作用,限制土層單元尺寸時,通常豎向單元尺寸不大于1 m即可滿足要求;對于模型尺寸,計算模型的側面人工邊界距離地下結構的距離不小于3倍地下結構水平有效寬度,底面取至設計地震作用的基準面且距離結構不小于3倍地下結構豎向有效高度,上表面取至實際地表。

對于有限的計算區域,在地震激勵下,波動能量將在人工截取的邊界上發生反射,使波發生震蕩,導致模擬失真[4]。為解決有限模型邊界上波的反射問題,《城市軌道交通結構抗震設計規范》規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,而且能模擬遠場地球介質的彈性恢復性能,具有良好的低頻穩定性[5]。本文計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點的法向和切向分別設置并聯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及阻尼,實現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,地層采用平面單元,鄰近建筑按質量等效為平面單元。模型地表面為自由面,周邊采用粘彈性人工邊界。計算中土體采用摩爾-庫侖模型,初始應力場僅考慮土體自重應力場,不考慮地層的構造應力。

2.2 地震動時程

根據勘察報告,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防烈度8度區內,地震動峰值加速度值amax為0.20g,設計地震分組為第一組。場地類別為Ⅱ類的地震動反應譜特征周期為0.35 s。

本場地土類型為中硬土,場地類別為Ⅱ類場地。本區間計算采用50年超越概率為10%的基巖加速度反應譜和峰值加速度作為地震動時程合成的目標峰值和反應譜,采用三角級迭代法合成土層地震反應分析所需的基巖地震動時程。地震動時程數據如表2所示。地震動時程曲線如圖3所示。

表2 地震動時程數據

圖3 50年超越概率10%基巖水平地震動時程圖

2.3 計算工況

分別針對工況1、2、3進行模擬分析,通過三種工況對比,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 數值模擬結果及分析

3.1 數值模擬結果

工況1計算結果如圖7、8所示。由圖7、8可知,地震作用時,鄰近建筑頂部的最大位移為79.49 mm,發生于7.75 s;最大層間位移發生于建筑頂層,最大層間位移為3.185 mm,發生于7.45 s。

圖4 工況1

圖5 工況2

圖6 工況3

圖7 工況1時建筑頂部位移時程曲線

圖8 工況1時層間位移時程曲線

工況2計算結果如圖9～11所示。由圖9、10可知,地震作用時,鄰近建筑頂部的最大位移為73.51 mm,發生于7.75 s;最大層間位移發生于建筑頂層,最大層間位移為2.923 mm,發生于7.45 s。由圖11可知,地震作用時,隧道頂、底的最大相對位移為2.894 mm,發生于7.45 s。

圖9 工況2時建筑頂部位移時程曲線

圖10 工況2時層間位移時程曲線

圖11 工況2時隧道拱頂與拱底相對位移時程曲線

工況3計算結果如圖12所示。可見,地震作用時,隧道頂、底的最大相對位移為2.486 mm,發生于7.45 s。

圖12 工況3時隧道拱頂與拱底相對位移時程曲線

3.2 計算結果對比分析

將三種工況計算結果進行對比分析,結果如表3、4所示。

表3 工況1與工況2計算結果對比

表4 工況2與工況3計算結果對比

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位移略大于工況3。即當地面存在鄰近建筑時,在地震作用下,隧道拱頂與拱底最大相對位移有所增加(最大相對位移增加約16.41%)。

3.3 地震作用下地鐵隧道及鄰近建筑相互影響

(1) 根據表3的對比結果,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。其原因在于隧道結構斷面較小,其在橫向和縱向上的剛度較周邊地層要大,對地層的整體抗震性能有所提升,因此導致作用在臨近建筑物上的地震作用有所減小。

(2) 根據表4的對比結果,當存在鄰近建筑時,在地震作用下,隧道拱頂與拱底的最大相對位移有所增大,但影響程度較小。其原因在于地面建筑在時程計算過程中增加了作用在結構上的荷載(本文中地面建筑規模相對較小,其增加于結構上的荷載較小),因此導致作用在隧道結構上的地震作用有所增大。

4 結論及抗震措施

4.1 結論

(1) 綜合本文中三個分析工況并結合國內外既有工程經驗,隧道結構在滿足自身抗震性能要求的情況下(即地震作用時結構處于彈性工作階段或結構局部進入彈塑性工作階段,但結構不會產生較大破壞,不會出現局部或整體倒塌),隧道結構建成后,其結構剛度較周圍地層大,對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) 本文中隧道結構埋深較大,斷面較小,鄰近建筑荷載對其影響較小;且結構強度、變形及裂縫等計算時已考慮鄰近建筑位置及其荷載的影響,結構厚度及配筋滿足相關要求。考慮到周圍地層對隧道結構的約束作用,地震作用時,鄰近建筑的存在導致隧道結構所受地震作用增強。

(3) 地震作用下隧道結構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構尺寸及建(構)筑物的規模有關,同時與隧道結構和建(構)筑物之間的位置關系有關,隧道結構與鄰近建(構)筑物抗震的相互影響中隧道結構尺寸及斷面形式的優化分析是個值得進一步研究的問題。

4.2 隧道鄰近建(構)筑物段抗震措施

(1) 隧道結構強度、變形及裂縫寬度等計算應考慮鄰近建(構)筑物位置及荷載的影響,必要時對結構進行加強,以保證隧道結構修建后不會降低周圍地層的整體剛度。

(2) 嚴格控制施工質量,避免人為因素產生隧道結構的薄弱點。鋼筋的焊接、綁扎及錨固等應滿足抗震相關要求。

(3) 對盾構法和礦山法施工的隧道結構,應及時向襯砌背后壓注結硬性漿液,保證周圍圍巖和隧道結構的共同作用。

(4) 對于抗震薄弱部位必要時可以采取如下措施:①在適當距離設置減震縫,并充填軟質減震材料;②在隧道周圍一定范圍內對圍巖進行注漿加固;③在襯砌與圍巖間設置板式減震層或壓注減震材料;④襯砌結構采用鋼纖維混凝土(增加強度)或采用聚合物混凝土(增加阻尼)。

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

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通結構抗震設計規范:GB 50909—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014:28-39.

[3] 李金明.高速鐵路高架線路列車運行對既有地面線振動影響[D]. 北京:北京交通大學,2012.

[4] 陳萬祥,郭志坤,袁正如,等. 地震分析中的人工邊界及其在LS_DYNA中的實現[J]. 巖石力學與工程學報,2009,28(增2):3504-3515.

[5] 王祥秋,楊林德,周治國.列車振動荷載作用下隧道襯砌結構動力響應特性分析[J]. 巖石力學與工程學報,2006,25(7):1337-1342.

[6] 李彬.地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究[D].北京:清華大學,2005.

[7] 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]. 巖土木工程學報,2006,39(6):106-100.

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)