近斷層地震動對跨活動斷層隧道動力響應研究

周宇鍇，張志強

(西南交通大學土木工程學院地下工程系，四川成都 610031)

活動斷層錯動不僅造成巨大的位錯量，同時釋放出的能量以地震波的形式通過周圍巖層介質向四周傳播，對于跨越活動的隧道無疑會造成破壞。2008年汶川8.0級地震后，多條隧道遭受嚴重損傷，且大部分靠近發震斷層，即受到近場地震波的作用，如都汶高速龍溪隧道、燒火坪隧道[1-2]。近斷層的嚴重震害引起了地震工程學家的廣泛重視，系統研究近斷層地震動依賴于觀測記錄的積累和理論分析方法的提高[3]。在對上述的特大地震記錄中發現，近場地震的特性有：上盤效應、近斷層破裂的方向性效應、滑沖效應、近斷層速度大脈沖和豎向效應，這些近場地震動效應與遠場地震動特性顯著不同。因此研究近場地震動效應具有重要的意義。

本文以烏魯木齊4號線跨越碗窯溝逆斷層為研究對象，碗窯溝斷層具備發生6.5～6.9級地震的構造條件，該地震震級對近斷層區域的隧道結構具有巨大的破壞性，因此研究隧道結構在近場地震動作用下動力響應分析具有一定的科學價值，為實際工程提供一定的參考。

1 有限元模型建立與參數設置

1.1 模型建立

采用有限差分軟件FLAC 3D建立三維動力計算有限元模型，模型的左右邊界取2～3倍洞徑，下邊界從仰拱往下取2～3倍洞徑，根據4號線地勘資料，隧址區埋深為15 m，斷層帶寬度取36 m，斷層傾角58 °，交角50 °。根據設計資料，初期支護采用厚度為300 mm的C25混凝土，二襯采用厚度為600 mm的C45混凝土。

采用實體單元來模擬圍巖、初支和二襯，采用interface單元來模擬活動斷層上下盤以及圍巖與襯砌之間的接觸關系，其法向剛度和切向剛度為10倍于周邊單元體最硬的等效剛度。模型的四周采用自由場邊界來模擬無限大的地質區域、底部采用粘性邊界來防止地震波的反射和折射。最終的模型尺寸為長×寬×高=135.0m×40.0m×43.6m，如圖1所示。

圖1 三維計算模型

1.2 阻尼設置

結構體系采用瑞麗阻尼，即結構阻尼矩陣C可由結構質量矩陣M和剛度矩陣K線性組合而得，如下式所示：

[C]=a0[M]+a1[K]

其中：a0為與質量成比例的系數；a1為與剛度成比例的系數。

1.3 監測點布置

選取二襯斷面的拱頂、左拱腰、左拱腳、左墻腳和仰拱等關鍵點進行監測，其橫斷面監測示意圖如圖2所示。此外，在斷層面處、上盤和下盤正常帶地表各設置了一個監測點。

圖2 橫斷面監測點

2 地震波選取分析

本文是研究近斷層地震動對隧道結構動力響應影響，故選取了2條近斷層地震動，再選取2條非近斷層地震動作為對比分析。近斷層地震動均選自1999年臺灣Chi-Chi地震動，屬于向前方向性地震動[4]，記錄臺站分別是TCU049和TCU116，普通地震動選自EI-Centro地震波和Taft地震波。計算中，4條地震動峰值加速度均調整為0.3g。為節約計算成本，截取TCU049地震動包含峰值加速度在內的10～24 s段形成對應的計算用地震波，截取TCU116地震動16～36 s段形成對應的計算用地震波，截取EI-Centro地震波0～15 s段形成對應的計算用地震波，截取Taft地震波0.5～15.5 s段形成對應的計算用地震波。

地震波截取之后，并把地震動峰值加速度調到0.3g，然后進行濾波和基線矯正處理，使處理后的地震波能為計算所用。對4條地震波進行傅里葉變換得到其傅里葉譜值，其中傅里葉幅值譜表征地震動能量在各頻率范圍的分布[5]。近斷層地震動卓越頻率主要分布在低頻段0～1 Hz范圍內，普通地震波的卓越頻率分布在高頻段2～10 Hz，可見近斷層地震波屬于長周期地震波，其低頻帶能量豐富，普通地震波高頻帶能量豐富。

4條地震動速度時，經濾波和基線處理后，發現最終的速度為零，可見，截取的地震波時程曲線可以用于動力計算。近斷層地震動有高速脈沖的特性，主要指的有較長的周期、速度峰值與加速度峰值比(PGV/PVA)較大[6]。其中TCU116地震動和TCU049地震動的峰值加速度均較大，也具有近斷層速度大脈沖的特性，特別是TCU116地震動。其PGV/PGA的比值自然也較大，TCU116地震動PGV/PGA比值為0.20。

3 計算結果分析

3.1 地表加速度響應

4條地震波施加方向為襯砌結構的橫斷面，即以剪切波的形式進行加載。加速度響應的波形與輸入地震波波形基本一致，說明計算結果是可靠的。各地表節點的加速度響應均有不同程度的放大，各節點呈現的規律為破碎帶>下盤≈上盤，即圍巖級別相差越大，加速度響應放大效應越明顯。

從加速度響應峰值來看，4種工況下最大值是Taft地震作用下產生的，值為0.805 g；其次是EI-Centro地震波作用下的0.752g，最小的加速度響應是TCU049地震波下的0.714g，可見，加速度放大效應中最大值為2.68倍，最小也有2.38倍。說明相同峰值加速度情況下，近斷層地震動作用下的地表加速度放大效應并沒有比普通地震波作用下的地表加速度放大效應大。

3.2 襯砌結構加速度響應

將各個監測點加速度響應在4條地震動作用下的峰值提取出來，繪制圖3和圖4所示的圖形，由圖可知，在相同峰值加速度地震作用下，襯砌結構的加速度響應具有不同程度的放大效應，放大效應最大的是TCU116地震波作用下的2.083倍，最小的是Taft地震波作用下的1.170倍。在同一監測斷面下，地震波產生的襯砌結構加速度響應由大到小依次是TCU116波、EI-Centro波、TCU049波和Taft波，這也說明近斷層地震動作用下襯砌結構的峰值加速度響應并沒有比普通地震動作用下的顯著。

圖3 S5斷面峰值加速度響應

圖4 F0斷面峰值加速度響應

3.3 襯砌結構速度響應

圖5和圖6分別為S5斷面和X5斷面的峰值速度響應，由圖5、圖6知，在同一工況下，各監測點的速度響應基本相同，且有不同程度的放大，從與斷層面距離來說，S5斷層的各監測點的峰值速度響應略低于F0斷層的速度響應，但是值相差并不明顯，說明在圍巖與襯砌結構的互相作用下，圍巖級別對襯砌結構的速度響應有一定的影響。

圖5 S5斷面峰值速度響應

圖6 F0斷面峰值速度響應

F0斷面下，4條地震動作用下峰值速度放大倍數分別為2.32倍、2.08倍、1.82倍和1.72倍，這也體現近斷層地震動具有高速脈沖、較大的PGV/PGA值。

3.4 襯砌結構應力響應

襯砌結構最大主應力響應如圖7和圖8所示，S5斷面各節點應力響應規律為拱頂>左拱腰>左拱腳≈左墻腳≈仰拱，F0斷面的應力響應規律為拱頂<左拱腰<左拱腳<左墻腳<仰拱。

圖7 S5斷面最大主應力響應

圖8 F0斷面最大主應力響應

相同斷面下，4條地震波作用下應力響應呈現的規律為：TCU116>TCU049>EI-Centro>Taft，近斷層地震動的應力響應比非斷層地震動大很多。以F0斷面為例，TCU116地震波下的仰拱最大主應力是EI-Centro波和Taft波的3.81倍、6.37倍，左墻腳最大主應力是EI-Centro波和Taft波的4.05倍、6.87倍。TCU049地震波下的仰拱最大主應力是EI Centro波和Taft波的1.96倍、3.28倍，左墻腳最大主應力是EI-Centro波和Taft波的1.70倍、2.88倍。

4 結論

本文以烏魯木齊軌道交通4號線跨越碗窯溝逆斷層為研究背景，利用數值軟件建立三維有限差分模型，對比分析近斷層地震動與普通地震動對跨活動斷層隧道動力響應的差異，主要有以下結論：

(1)近斷層地震動屬于長周期地震動，其低頻帶能量豐富，普通地震動高頻帶能量豐富；近斷層地震動具有高速脈沖特點，具有較高的PGV/PGA值。

(2)地表加速度響應和襯砌結構加速度響應均有不同程度放大，即圍巖級別相差越大，加速度響應放大效應越明顯。近斷層地震動作用下加速度響應放大效應并沒有比普通地震動顯著。

(3)近斷層地震動作用下的襯砌結構速度響應和應力響應都比普通地震動大，且圍巖級別越差，應力響應越大，因此，需采取措施提高跨活動斷層隧道在近斷層區域的抗震性能。