超大直徑過江盾構隧道口字件不同連接型式地震響應特征研究

羅馳恒

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，湖北 武漢 430063)

0 引言

水下公路隧道指的是在河流、湖泊、海灣和海峽等水域底下修建的公路隧道，是克服自然障礙、與自然和諧共處的重大技術發明[1]。修建方法主要有盾構法、沉管法、鉆爆法、圍堰明挖法，由于盾構法自動化程度高、掘進速度快，地層適應性強，有利于環保等突出優點，現階段在土質地層修建水下隧道絕大部分采用此工法。隨著公路隧道抗震設計理念的發展和設計經驗的豐富，相關抗震設計規范也日趨完善，其中于2020年3月1日開始實施《公路隧道抗震設計規范》(JTG 2232—2019)[2]，反映了我國公路隧道抗震設計領域的最新進展，對于減輕公路隧道震害將發揮積極的作用。該規范中針對相關的抗震計算方法，主要推薦了反應位移法和時程分析法。

對水下盾構隧道的地震響應研究近年來主要采用數值計算方法。鄧爽[3]采用ANSYS對水下隧道在地震荷載作用下襯砌結構不同材料的動力響應規律進行研究；耿萍[4]等人對大斷面、高水頭，結構復雜的水下隧道結構特點進行分析，提出了合理的抗震設計方法；劉繼國[5]等通過FLAC3D采用動力有限元法對高烈度下超大直徑水下隧道地震響應影響因素進行了分析，得出水下隧道埋深、管片厚度、管片剛度等因素對隧道抗震性能的不同影響；李洪煊、蔡新[6]等利用大型有限差分軟件FLAC3D 對軟土地基上的水下公路隧道進行抗震計算，采用時程分析法，得出了隧道結構產生剪切破壞、拉伸破壞的概率較低，隧道性能符合安全要求的結論。但是其假定作用于隧道周邊的水壓力為靜水壓力，未考慮地震時的動水壓力；陳向紅、張鴻儒等[7]利用ANSYS 大型有限元軟件，建立了基于Newmark隱式算法的水-土體-結構模型，研究了地震發生時，動水壓力對隧道的影響。沙明元[8]等選取典型砂土液化斷面，用有限差分軟件模擬了地震作用下管片及土體地震響應；史世波、陳必光[9]等人利用三維有限差分程序FLAC3D，對水下盾構隧道地震液化進行數值分析，提出來合理的地震液化判別方法；李亮，杜修力[10]等基于ABAQUS有限元軟件平臺，應用流固耦合兩相介質動力模型孔壓單元模擬場地飽和土體，進行了水下飽和土體場地上隧道結構地震反應的計算研究；張偉[11]使用ADINA軟件，分析了水深、埋深以及土層參數對隧道關鍵點處的應力、位移等動力響應的影響。陳國興[12]考慮海床土體的空間不均勻性，動力非線性特性和海底盾構隧道管環間縱向螺栓連接等因素，提出了基于子模型技術的長大隧道縱向地震反應廣義反應位移法，研究了不同地震動作用下隧道管環間的張開量和地震應力分布特征。丁祖德[13]基于有效應力動力分析法，建立廣深港客運專線獅子洋水下盾構隧道主隧道，聯絡橫通道及地層相互作用的三維模型，采用Byrne模型描述地層的動力特性，對模型分別輸入橫向和縱向地震波，研究主隧道結構及主隧道與聯絡橫通道交叉部位的動力響應特征，重點分析了兩種地震波對地層孔隙水壓力以及隧道交叉結構受力變形的不同影響。袁大軍[14]建立南京長江盾構隧道主隧道，橫向疏散通道及地層相互作用的三維模型，采用Byrne模型模擬地層的循環液化，對模型分別輸入橫向和縱向地震波，研究結構一般部位及主隧道-橫向疏散通道交叉接口部位的動力力學(應力和位移)響應特征，并分析了橫向和縱向地震波對地層孔隙水壓及有效應力的不同影響。王少鋒[15]依托廈門地鐵2號線過海段工程，對荷載和侵蝕共同作用下的隧道結構進行了抗震性能分析，提出適用于圓形盾構隧道的性能水平量化指標，并根據已有管片鋼筋銹蝕率計算公式，建立管片不同鋼筋銹蝕率區間與其抗震性能的對應關系。蘭雯竣[16]基于沉管隧道和盾構隧道兩種不同的水域隧道,分析國內外水域長大隧道抗震研究現狀，闡述目前水域環境下長大隧道的分析計算方法及地震響應分析、影響水域環境下長大隧道地震反應的因素和水域環境下長大隧道的減震理論新進展。朱彤[17]建立了一種精細化裝配式管片結構計算模型，并基于砂土液化大變形統一本構模型，采用彈塑性有限元動力時程分析，分析了盾構隧道在可液化場地中的地震響應特征及規律。溫竹茵[18]針對上海諸光路隧道結構全預制裝配式框架結構體系，對內部預制結構的上、下層車道板、縱梁、立柱等主要受力構件與管片連接方式，通過試驗研究分析了節點的受力性能和地震時受力響應，為在盾構隧道內實現全預制化雙層車道結構提供技術支撐。口字件在新型的大直徑公路盾構隧道斷面結構中經常采用，其具有施工速度快、充分利用斷面空間資源等優點。口字件一般情況下采用預制裝配式結構，與盾構隧道施工同步進行，其與隧道管片的連接一般采用鉸接或者剛接方式，地震荷載下，不同的口字件連接方式對隧道斷面結構的地震內力響應有什么影響尚未見文獻研究。本研究以江陰長江隧道為典型案例，采用動力時程分析有限元方法，對不同結構形式下的地震響應特征進行研究，以期對類似工程的設計提供有益的參考。

1 工程概況

江陰靖江長江隧道位于江陰大橋和泰州大橋之間，分別距下游江陰大橋約5 km，距上游在建常泰過江通道約27 km，距泰州大橋約54 km。該工程所在場地水域鉆孔揭示河床表層20 m以上以可塑狀粉質黏土為主，間夾粉細砂或粉土，工程性質一般；以下以中密-密實狀粉細砂、中粗砂、礫砂為主，局部夾粉質黏土薄層，該砂層埋藏深、厚度大，工程性質較好；覆蓋層底部夾圓礫土薄層，最大層厚5.5 m。

本工程過江隧道段采用盾構法施工，盾構內直徑為14.2 m，外徑15.5 m，管片厚度0.65 m。工程施工時，盾構機從江北靖江側始發向江南江陰側掘進。盾構隧道橫斷面布置見圖1。

圖1 盾構隧道橫斷面布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of cross-section of shield tunnel(unit:m)

口字件部位剖面圖見圖2。混凝土采用C40，中間箱涵之間采用螺栓連接，底板與管片之間存在80 mm 的空隙，在管片結構變形穩定后，弧形板澆注前，采用灌注M10水泥砂漿進行密實填充。

圖2 口字件部位剖面圖(單位：mm)Fig.2 Profile of hinged joint(unit:mm)

該工程場地50 a超越概率10%的地表地震動水平向峰值加速度為0.094g，對應的設計基本地震動加速度為0.10g，抗震設防烈度為Ⅶ度。考慮到本項目的重要性，進一步考慮50 a超越概率2%的地震動作用下的結果，其對應的地震作用為Ⅶ度(0.15g)。按《地下結構抗震設計標準》，本工程抗震設防分類為乙類，需滿足性能要求III的要求，即“大震可修”。

2 口字件計算模型及參數選取

2.1 計算方法

根據《地下結構抗震設計標準》(GB/T51336—2018)與《公路隧道抗震設計規范》(JTG/T 2232-01—2019)的規定，在本研究中選用時程分析法進行口字件部位的地震響應特征分析。

時程分析法是根據材料及構件的彈性(或非彈性)性能對結構動力方程做積分求解的方法。也就是說，由初始狀態開始一步步積分直到地震作用結束，求出結構在地震作用下從靜止到振動以致到達最終狀態的全過程。

理論上來說，時程分析法考慮了地震動的振幅、頻譜和持時3個要素，同時也考慮了地震環境和場地條件的影響，能夠對結構進行非線性分析，還可以計算能量耗損和損傷等。它通過動力分析的方法，可以準確得到在時程波作用下各個時刻各個質點的位移、速度、加速度以及各個構件的內力，反映地面運動的方向、特性及持續作用的影響。

3 計算對象選取及模型建立

根據規范要求，對隧道橫向進行抗震計算，應根據地層條件和結構特征選取有代表性的隧道橫斷面。隧道路線縱斷面設計圖見圖3。經比較，具有代表性的計算斷面見表1。

圖3 隧道路線縱斷面設計圖Fig.3 Design drawing of longitudinal section of tunnel route

表1 計算斷面選擇及依據Tab.1 Selection and basis of calculation section

圖4 口字件部位橫斷面示意圖Fig.4 Schematic diagram of cross-section of hinged joint position

口字件部位橫斷面見圖4。在ABAQUS中建立分析計算模型，土層采用實體單元進行模擬，盾構段隧道及其口字件部位采用梁單元進行模擬。在采用時程分析法進行計算時，一共設置2個分析步，第1個分析步進行地應力的平衡，第2個分析步進行地震波的輸入。分析計算中土體-隧道模型寬度取值為400 m，高度根據所選取斷面的土層信息確定。

圖5 盾構隧道模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of shield tunnel model

盾構段隧道及口字件部位模型見圖5。在ABAQUS中，隧道與口字件部位連接部分的鉸接通過釋放單元節點的彎矩自由度實現。口字件部位模型單元示意圖見圖6。

圖6 口字件部位模型單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of model unit at hinged joint position

對模型關鍵字進行編輯，在鉸接的情況下輸入“*release 66，s2”，使口字件右側連接部位由剛接變為鉸接。

4 計算參數

隧道模型參數取值見表2。材料參數的取值來自《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)。以斷面1為例，土層信息見表3。

5 地震波輸入

地震動輸入采用江蘇省地震工程研究院提供的基巖輸入時程，并同時采用江蘇省地震工程研究院《江陰第二過江通道工程設計地震動參數研究》報告中提供的土層動力參數，計算結果能夠考慮基巖上覆土層對地震波的放大效應。在本研究中，地震動輸入沿水平方向，作用于模型底部。模型底部與隧道底板距離不小于隧道豎向高度的3倍；當隧道埋深較深時，模型底部取至基巖面。地震波加速度時程曲線見圖7。

表2 隧道模型參數取值Tab.2 Parameters of tunnel model

表3 斷面1土層信息Tab.3 Soil layer information of Section 1

6 剛接與鉸接下地震響應對比

圖8 斷面1剛接計算結果Fig.8 Calculation result of rigid connection at Section 1

以斷面1為例，口字件部位剛接的情況下，計算結果見圖8。由圖8可知，在剛接的情況下，口字件部位軸力最大值位于頂板的中間位置；剪力最大值位于口字件左右兩側；彎矩最大值位于口字件頂板兩側；變形最大值位于頂板左右兩端。

圖9 斷面1鉸接計算結果Fig.9 Calculation result of hinge connection at Section 1

斷面1口字件部位鉸接的情況下，計算結果見圖9。由圖9可知，在鉸接的情況下，口字件部位軸力最大值位于頂板的中間向左(非鉸接側)偏移的位置；剪力最大值位于口字件左右兩側；彎矩最大值位于底板與口字件左右兩梁的連接處，同時在鉸接部位的彎矩有顯著減小；變形最大值位于底板右側。總體看來，與剛接的情況相比，口字件部位軸力最大值向非鉸接側偏移，彎矩與變形的最大值向底板部位偏移。其余斷面計算結果見表4。

由計算結果可以看出，除斷面1以外，其余斷面隧道口字件部位在剛接與鉸接的情況下，內力與變形的峰值變化較小，這是由于斷面1隧道埋深較淺，隧道下土層對地震波的放大效應更為明顯，同時這也與隧道結構所處的地層條件有關。

對比同一斷面中口字件部位剛接與鉸接的情況可以發現，在鉸接的情況下，口字件部位截面的最大軸力有所減小或保持不變；當埋深較淺時，最大剪力略有減小，當埋深較深的情況下，口字件部位最大剪力有所增大；采用鉸接的情況下，最大彎矩均有所減小或保持不變，同時鉸接部位的彎矩有顯著減小，在采用鉸接的情況下，口字件部位最大變形有所減小或保持不變。從隧道抗震的角度來講，口字件部位采用鉸接的方式要優于剛接。

7 結論

本研究通過盾構段隧道口字件部位的動力計算分析，對江陰靖江長江隧道口字件部位在剛接與鉸接的地震響應特征進行了計算，可以得出以下結論：

(1)通過對同一斷面中口字件部位剛接與鉸接的情況下地震響應進行分析對比可以得知，從隧道抗震的角度講，口字件部位采用鉸接的方式要優于剛接，這對大直徑過江隧道的抗震設計具有一定的參考意義。

(2)在鉸接的情況下，口字件部位軸力最大值向非鉸接側偏移，彎矩與變形的最大值向底板部位偏移，在隧道設計中應對以上部位進行關注。

表4 口字件部位計算結果Tab.4 Calculation result of hinged joint position