水下長大沉管隧道抗震性能及減震措施研究進展

甘長江，趙 杰

（大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

自1910 年美國開始興建沉管隧道以來，日本、荷蘭和中國等也開始對沉管隧道進行了大量的研究并取得了不錯的成果，根據已有統計數據顯示，目前世界上已建成的大型沉管隧道已有130 多座，我國也相繼建成了港珠澳大橋（東部橋梁，西部沉管隧道）、上海外環越江隧道、大連灣海底隧道等超大型沉管隧道[1]。截至目前，沉管隧道已經有了一百多年的發展歷史，與橋梁比起來，它的優勢在于不影響海面及江面的通航，受氣候、溫度影響較小，同時占海面積小，環保經濟，建造速度快等。在我國沉管隧道已廣泛地運用于核電廠取排水、交通、油氣管道輸送等各個領域。沉管隧道技術快速發展的同時也帶來了一些問題，地震災害的防治是我們不得不面對的現實問題，如何進行合理的抗震分析、進行怎樣的抗震措施才能保證隧道足夠的安全。本文簡要的介紹了一些隧道震害特點，對沉管隧道震害特點、地震響應計算方法、沉管隧道縱向抗震計算簡化方法做了系統地總結，對提高沉管隧道抗震技術有益，并通過總結對比下一步研究展望。

1971 年，在美國的圣菲爾南6.4 級的大地震中，一些排水管道、煤氣輸送管道出現了裂縫，防水能力下降，VanNor-mannorth 隧道、Balboa 隧道等襯砌出現了裂縫，部分結構出現錯位，消防設施被破壞[2]。2008 年，中國汶川發生了8.0 級的特大地震，在對震后的51 座隧道進行的檢測中，發現有29 座發生了不同程度的損壞，其中有18 座出現了拱頂塌落、襯砌開裂，其中破壞比較嚴重的有龍溪隧道、龍洞子隧道等[3]。地震災害對我國的經濟發展、人民生命安全、重要設施安全等，也是潛在的危險。因此隧道的抗震減震問題，關系到我國人民財產安全、國家重要設施安全、國計民生等。隧道的抗震減震也是隧道設計者和地震工作者所面臨的巨大挑戰，盡管在這方面已經取得了一些成果，積累了寶貴的經驗，但未能系統地運用到實際工程中。

1 沉管隧道抗震研究方法

1.1 原型觀測

原型觀測是通過進行實地測量隧道地震后的位移變形等情況，總結規律、震害機理。原型觀測在沉管隧道抗震研究中也發揮著重要的作用，地震前在隧道中安裝測量儀器，遇到地震時，可以得到地震記錄，獲得真實的地震反應數據，驗證抗震方法的可行性以及地震響應計算方法的合理性[4]。人類對于地震的認識都是源自于對地震災害長期的觀察和經驗的積累，一些抗震方法，都是經過長期對地震的觀測總結出的規律，再根據規律提煉出來的。雖然原型觀測方法受觀測手段、時間和其他條件的限制，但是所測得的數據及特點卻能夠真實的反映出隧道的地震響應特點[5]。在1970 年的時候，日本學者對松化群發地震中的沉管隧道做了動態應變監測，監測結果表明管線與地基是同時震動的，自身沒有發生震動。在此之后，經過對一些隧道的地震觀測，認識到地基變形會影響隧道地震響應而不是慣性力[6]。1975 年，美國學者對Humboldt 核電廠進行了地震觀測，并將觀測的結果和計算的結果做了比較[7]。自此以后，有關地震觀測的資料開始不斷的積累，尤其是在1995 年，日本發生了阪神大地震，學者專家進行了廣泛的地震災害調研，并收集了大量的震害資料。

目前的地震觀測是對震后的結果進行的觀測記錄，難以實時監測地震時隧道的變形、應力變化、破壞情況，因此更無法知道地震波的輸入機制、承受荷載大小以及地基變形等情況，也無法通過控制其他因素，來觀察單一因素對地震響應的影響，但是模型試驗卻可以彌補這些缺點，同時模型試驗可以模擬地震波的輸入機制以及地震時間等，因此模型實驗的研究也越來越多。

1.2 模型試驗

為了驗證一些理論和計算模型的合理性以及地震作用下沉管隧道的破壞機制，模型實驗也逐漸成為一種不可或缺的研究方法。模型試驗主要通過激震試驗來研究隧道的地震響應規律，有兩種方式，一種是振動臺試驗，另一種是人工震源試驗，由于人工震源試驗比較難以控制影響因素且操作比較麻煩，所以目前用的很少，而振動臺試驗能夠處理這些方面的問題，可以直觀的反映地震破壞過程以及破壞機理，因此被廣泛的使用，通過實驗能夠更好的掌握沉管隧道地震反應特性，進而為沉管隧道的抗震設計提供了理論依據。

閆維明等[8]在振動臺試驗中加入了新型阻尼器，并通過振動臺試驗來測試阻尼器的減震效果。程新俊等[9]根據港珠澳大橋沉管隧道的尺寸，按1∶30 比例的沉管隧道模型進行了振動臺試驗，同時考慮了接頭、不同砂土地基基礎的影響等。張學明等[10]根據廣州洲頭咀沉管隧道的尺寸建造了1/60 比例的沉管隧道模型，同時考慮了接頭對沉管隧道剛度的影響，通過控制相鄰振動臺的啟動時間來模擬行波效應，進行了大型振動臺試驗，研究了隧道的整體以及接頭的地震響應規律。袁勇等[11]以港珠澳大橋的沉管隧道為工程背景，進行了模型試驗，研究了非一致激勵下沉管隧道的地震響應規律，并測得了地震作用下接頭的最大張開量。OKAMOTO 等[12]將沉管隧道模型簡化成了多質點體系模型，并在水下進行了振動臺試驗，對隧道進行了地震響應分析，這是第一次對沉管隧道做的振動臺試驗。蕭文浩等[13]為了研究壓彎荷載對隧道接頭剛度度的影響，采用1∶10 比例的沉管接頭模型進行了試驗。胡指南等[14]利用大型的堆載試驗系統研究地基的不均勻沉降對沉管隧道接頭受力的影響，并將受力模式分為三個階段：初步壓縮、充分受力、屈服破壞。陳紅娟等[15]利用北京工業大學的振動臺，進行了沉管隧道地震響應的研究，并且試驗中模擬非飽和土地基對沉管隧道地震響應的影響。YANG 等[16]把喬治馬西亞沉管隧道作為實際工程背景，研究了沉管隧道在受地震荷載過程中的位移規律，為抗震設計提供了有力的依據。

1.3 理論分析

沉管隧道抗震的理論分析方法主要有解析法和有限元法，使用最多的是有限元法，包括反應位移法、時程分析法、動力有限元法等[17]。魏綱等[18]把港珠澳大橋工程作為工程背景，通過有限元軟件ABAQUS 建立了三維有限元沉管隧道模型進行計算分析，同時考慮地基無限域輻射阻尼效應以及初始應力平衡，得出了沉管接頭附近容易發生應力集中的結論。嚴松宏[19]改進了日本學者提出的數學模型，提出了一種新的沉管隧道整體在地震響應中離散化的分析方法，對沉管隧道接頭部位的力學性能進行了研究分析。高峰等[20]以南京長江沉管隧道為實際工程背景，模擬沉管管節及接頭部位并建立了三維精細的有限元模型，人工邊界采用了粘彈性邊界，運用Newmark 積分方法分析計算不同工況下的地震響應。劉晶波等[21]對反應位移法中的計算模型進行了改進，加入了樁-土相互作用的模型，以日本大開地鐵車站為實例，分析了地震響應規律，與傳統反應位移法、時程分析法的計算結果進行了比較，驗證了其合理性。劉正根等[22]通過建立三維有限元沉管隧道模型，考慮了止水帶與管節混凝土的非線性接觸，通過分析計算得出了接頭處的應力分布規律。陳貴紅等[23]以上海的某個越江隧道為工程背景，建立了沉管隧道-柔性接頭-地基土的三維有限元分析模型，考慮了地基土與隧道的相互作用、接頭非線性接觸等因素，計算分析了隧道整體在地震作用下的變形。

2 沉管隧道縱向地震響應的簡化分析方法

目前國內外在沉管隧道抗震設計方面已經提出了很多簡化計算方法，但是這些方法一般都是建立在一些假設或者簡化的基礎之上，因此它的計算精度沒有有限元分析方法的高。但是由于實際工程案例比較復雜，做到精確準確難度比較大，且經濟成本比較高，所以采用簡化的方法進行抗震計算驗證又是非常有必要的，簡化模型的分析方法具備了涉及的參數少、工作計算量低、分析計算時間少等優勢，也逐漸備受設計人員青睞。本文介紹了質點-彈簧模型、梁-彈簧模型、多體動力學模型三種常見的簡化分析方法。

2.1 質點-彈簧模型

長大海域沉管隧道縱向抗震分析中運用比較多的簡化模型是質點-彈簧模型，該模型也可以運用于其它地下結構抗震分析[24]。一般沉管隧道的縱向長度比較大，縱向地基土層的分布也是不均勻的，導致經驗假設計算得出的位移和地震荷載作用下地基土層的實際位移差別比較大，而質點-彈簧模型可以彌補這一缺點。質點-彈簧模型假設了隧道和地基土層一起振動，基巖的表層土的自震不受隧道的影響，且只考慮一階剪切振動。該模型是將沉管隧道縱向的地基土層根據地質情況剖分成一系列的切片，每個切片簡化成土質點，土質點之間用土彈簧連接，土質點與基巖也用土彈簧連接，因此這些質點和彈簧系統構成了質點-彈簧模型。而將沉管隧道簡化成一條無限長、有彈性的地基梁，與質點之間用彈簧連接，如圖1 所示[25]。質點-彈簧模型的最大優勢就是計算簡單，但實際工程情況比較復雜，比如沉管隧道自身復雜的結構，接頭部位的止水帶、剪力鍵、預應力剛束，構件之間的相互作用，會導致計算結果誤差增大，若遇到地基不是基巖的情況，則不再適用于質點-彈簧模型。

圖1 質點- 彈簧模型Fig.1 Mass spring model

圖1 中，me為對應的土層切片質量；k1為土質點與隧道間的彈簧剛度；k2為相鄰土質點之間的彈簧剛度；k3為土質點與基巖之間的彈簧剛度。

韓大建等[26]以珠江沉管隧道工程為背景，在質點-彈簧模型的基礎上做了進一步改進，由于珠江隧道的地基多是強風化巖，土層部分比較少，把沉管隧道看作是支撐在彈性地基梁上的梁，再將彈性地基梁簡化成質點-彈簧模型，地震波作用于基巖表面。該簡化方式還能研究隧道接頭剛度對隧道地震響應的影響，接頭采用剛性接頭時，沉管隧道的內力最大部位為管段自身，當接頭為柔性接頭時，沉管隧道接頭部位的位移比較大，因此在計算實際地震響應要根據接頭的情況，合理的確定接頭的彈性系數。Li 等[27]在模態等效方法的基礎上提出了一種適用于一維粘彈性場地的等效自由度模型，即進一步把土切片等效成更多質點，然后進行一維模態的疊加，再分析計算一維粘彈性場地下的地震動力響應。研究證明，這種自由度體系可以精確地體現地基土的固有頻率、滯回阻尼，通過更少自由度計算取得更加精確的地震響應數據。在這基礎上將這種方法從一維推廣到二維，提出了一種適用于一維粘彈性場地的等效自由度模型，很大程度上改善了質點-彈簧模型的缺點，最后可以用二維的波動理論對結果進行驗證[28]。

2.2 梁-彈簧模型

梁-彈簧模型是將實際工程中長隧道簡化成了均質且無限長的彈性梁，地基與隧道之間添加地基彈簧和阻尼來模擬兩者之間的相互作用力，然后合理地確定彈簧系數和阻尼系數（圖2）。目前縱向反應位移法等擬靜力法和動力時程分析法較多的運用梁-彈簧模型來簡化實體隧道模型[29]。兩種方法目前可以通過解析法和數值法來計算分析該彈性地基梁的地震響應，有限元數值方法使用的比較多，尤其比較適合分析更加復雜的結構體系，但在分析復雜結構的同時，計算量和模型處理的難度增大，因此解析法更適合于隧道抗震[30]。

禹海濤等[31]推導了在動荷載作用下隧道縱向動力響應的解析式，從解析式可以看出動荷載作用下隧道的結構穩態與瞬態響應的理論關系，這種分析理論也可以運用其它長大隧道的分析中。該計算中可以將地基簡化成Winkler雙參數地基模型[32]，即只有阻尼系數和地基彈簧系數兩種系數，也可以將其簡化成Pasternak 三參數地基模型[33]，即包括阻尼系數、地基彈簧系數、地層剪切剛度三種系數。根據積分變換的原理，將粘彈性地基梁的動力方程進行時間上的拉普拉斯變換和空間上的傅里葉變換，由此高階偏微分控制方程轉化為代數方程，利用卷積定理推導出隧道在地震動力的響應下剪力、位移、彎矩、速度、加速度的表達式。再將解析表達式統一起來，可以獲得動荷載作用下隧道縱向地震響應的退化解，總結出型波波速、波長、頻率以及地基剛度等參數的取值對于沉管隧道地震動力響應的影響[34]。

2.3 多體動力學模型

多體動力學模型是將建筑物簡化成了由基本元件組成的多體模型，元件有質點、彈性體、剛體等，元件之間的相互作用用阻尼鉸或者彈性阻尼鉸模擬[35]。沉管隧道可以看成是由沉管管節、GINA 柔性接頭、地基組成的多體系統，由于管節的剛度要比接頭部位的大，同時考慮地基土與沉管結構的相互作用進行簡化，管節簡化成剛體，接頭部位的受力作用用彈性阻尼鉸來模擬，地基簡化成剛體，地基-沉管隧道相互作用用阻尼鉸模擬如圖3 所示[36]。根據沉管隧道在地震作用下的受力特點，分別對多體系統接頭鉸及地基阻尼鉸賦予相應的力學特性，由于多數沉管隧道接頭采用柔性接頭或者半柔性接頭，剛體間接頭鉸的剛度變化是非線性的，根據接頭的剪切動力響應規律，將剪切鉸的剛度主要分為兩個階段[11]。

圖3 沉管隧道多體動力學模型Fig.3 Multi body dynamics model of immersed tunnel

袁勇等[37]將沉管隧道簡化成了多剛體—彈性阻尼鉸—阻尼鉸模型，依據多體動力學理論中的MS-DT-TMM 原理（離散時間傳遞矩陣法） 推導出與之相對應的表達式，通過工程實例驗證了縱向地震響應時程分析計算的有效性，結果與傳統有限元數值模擬分析結果相吻合，證明MS-DT-TMM 法的合理性、有效性，為沉管隧道縱向地震響應分析提供了一種新的研究手段。

3 沉管隧道抗震措施

地下結構的震害主要是由于周圍地質巖土介質的相對變形而引起建筑物的相對破壞。對于隧道及地下結構抗震研究的起步還是比較晚，在二十世紀六七十年代，地下建筑物的抗震方法大多數都是采用了地上建筑物抗震減隔震的設計方法，直到20 世紀70 年代以后，地下建筑物的抗震方法逐漸才開始進行了深入的研究，在日本開始有了廣泛的運用，涉及油氣輸送管道、重要廠取水隧道等[38-39]。近年來，隨著我國地震災害的頻發和沉管隧道的數量增多，抗震減震問題已經迫在眉睫。

目前國內有關沉管隧道抗震的規范比較少，尚未有系統的抗震措施，但近些年已有很多專家做了研究，并提出了一些抗震、減震措施。采用比較合理的隧道簡化模型和計算方法來計算隧道在地震作用下的結構內力，根據內力分布特點，設計出具有柔性的結構以及能夠吸收地震能量的裝置，同時又不損壞其自身承載力。Yu 等[40]從能量消散以及地震損傷積累的角度考慮，提出了沉管隧道在強震作用下耗散能量的措施，由于沉管接頭是減震的關鍵部位，在地震作用下接頭部位通常不能進入塑性工作，地震作用的能量不能得到消耗或者吸收?？梢栽诮宇^部位加入減震耗能裝置來消耗吸收能量，應對塑性變形等，減少接頭的變形量，達到減震的效果，從而降低地震作用對隧道結構的影響。禹海濤等[35]也開發出了一種新的減震裝置，這些裝置包含了剪力連接鍵、可以更換的屈曲構件等，安裝在接頭部位以達到減震效果，并且通過試驗結果證明，該裝置具有很好的減震效果。地震時由斷層活動造成的隧道錯動破壞，不能從力學角度考慮，而應對實際工程的地質進行專門的研究，主要通過研究預測斷層的活動方式、活動量以及工程運行期間的活動情況，在隧道設計時盡量繞開該斷層，如若不能繞開，需要采取特殊措施，比如適當加大隧道的斷面并布置相應的隧道變形監測系統，在地震時對隧道的管理采取一定的措施來減少損失。

4 結語

本文在總結了隧道震害特點的基礎上，全面系統地闡述了原型觀測、模型試驗、理論分析三種沉管隧道地震響應計算方法及最新研究進展，基于這些方法，介紹了三種沉管隧道縱向抗震簡化分析方法，分別為質點-彈簧模型、梁-彈簧模型、多體動力學模型，并簡要總結了沉管隧道的一些減震措施，一定程度上可以反映出國內外沉管隧道地震響應分析以及減震控制研究目前的發展階段。雖然長大沉管隧道地震響應計算分析的研究取得了不錯的進展，但是要做好沉管隧道的抗震性能以及減震措施的研究工作，以及能夠達到實際工程的抗震要求，以下幾個方面需要進一步優化和改進：

（1） 對于模型試驗方法，運用最多的是振動臺試驗，在接頭、地基基巖、隧道環境等方面的模擬時，需要進一步提高模擬精度以降低試驗誤差；對于理論分析方法，運用最多是有限元數值模擬，盡管已經有很多人做了大量的研究，但在建模分析時，考慮的因素不夠全面，比如一些研究模型無法體現出接頭部位的相互作用，需要進一步優化有限元模型才能更加貼近實際工程；很少有人將數值模擬的結果將與地震后檢測的結果進行比較，驗證數值模擬分析結果的合理性。

（2） 水下長大沉管隧道縱向抗震分析運用最多的簡化模型就是質點-彈簧模型、梁-彈簧模型以及多體動力學模型，這些簡化模型雖然減少了工作量，降低了經濟成本，但在簡化的同時也增大了地震響應分析計算的誤差，簡化模型都是基于相對應的假設，但是由于實際工程中沉管隧道構造以及周圍的環境都比較復雜，比如沉管隧道接頭部位有止水帶、剪力鍵、預應力鋼索等，都會影響隧道整體的剛度，導致簡化模型誤差增大甚至失效。

（3） 對于沉管隧道抗震及減震方面，目前還未有系統全面的方法，需要加強對沉管抗震技術及減震方面的深入研究；對已有的一些減震構件，需要進一步優化，以便適應更復雜的地基環境，在實際工程運用中達到更好的減震效果。