高烈度地區海底大直徑盾構隧道縱向抗震性能研究

華 針

(中國鐵路設計集團有限公司 城軌事業部，天津 300100)

0 引 言

盾構隧道為縱向延伸的線性結構物。因此,隧道地基的力學性質和地層情況差異性較大。不同土層條件,隧道縱向會受不同地震動的影響。由于隧道縱向靠螺栓連接,環向接頭剛度小,抗縱向變形能力弱,在隧道縱向變形達到一定的量值后,可能出現由于管片環縫張開量過大而隧道漏水或管片縱向受拉破壞,從而影響隧道的安全及可靠性,因此地震時隧道縱向行為的研究是相當重要的課題[1-3]。

盾構隧道在結構上多采用螺栓連接的預制管片,由管片主體、橫向連接同一圓環內各襯砌塊的管片接頭和縱向連接隧道各圓環的環向接頭構成。接頭的剛性比預制管片本身的剛性小,與其他方法建設的隧道相比,盾構隧道的一次襯砌,無論在橫斷面還是縱斷面都是剛性較小的預制結構。因此在進行盾構隧道的抗震研究時,需充分考慮盾構隧道是存在大量接頭的柔性結構[4,5]。

本文主要采用隧道縱向地震反應計算的反應位移法進行了抗震分析,通過大型有限元軟件ABAQUS計算地震作用一致激勵下隧道環間接頭的張開量,分析了不同抗震設防烈度下隧道整體縱向的抗震性能。

1 隧道縱向梁彈簧分析

隧道縱向分析方法可以分為基于梁彈簧模型的反應位移法和土、隧道結構皆為實體單元(或結構為殼單元)表達的三維有限元方法。前者較為簡單,并可以描述隧道整體的宏觀特性,但地基彈簧剛度的取值存在不確定性;后者雖然可以精確表現結構部件的細觀反應,但建模復雜且計算量大。反應位移法應用比較廣泛,從最初用于埋管等線狀地下結構縱向的地震響應分析中,逐漸應用于大斷面隧道的計算分析。在應用反應位移法時,正確地評價地震時地層的震動性態及地層彈簧的剛度非常重要。大量實踐證明:如果對上述兩種因素的評價正確,其計算結果與采用其他復雜的動力分析結果幾乎一致。

本模型采用廣義反應位移法對隧道縱向進行整體抗震分析,求出隧道中心處的位移時程響應,將一系列的位移時程響應輸入到響應的地基彈簧固定端。

隧道每段管環長度為2 m,每段中間設置地基彈簧,有限元模型取1 m一個單元,同時通過附加共有節點的梁單元考慮隧道內車道的影響。在ABAQUS中盾構隧道用梁單元模擬,選用中空的三維線性B31梁單元類型,構成梁單元的兩節點都有6個自由度,其中包括3個平動自由度和3個轉動自由度。

考慮隧道管環縱縫的影響,各個梁單元之間斷開,通過一個旋轉彈簧和拉壓異性彈簧連接,由于隧道周圍土體屬性有差別,對于每段管環通過4個土彈簧分別考慮隧道上、下、左、右4個方向的土體剛度屬性,其中每個土彈簧只考慮受壓剛度,有限元模型如圖1所示。

圖1 梁彈簧有限元模型

本隧道取彈簧參數如見表1。

表1 接頭軸向彈簧參數

隧道接頭轉動彈簧參數見表2。

表2 接頭轉動彈簧參數

隧道周圍的土體屬性差別較大,故在地基床系數選取時上下左右各自取值。公式如下:

Kt=3G

K1=βKt

式中:Kt、K1為橫向和軸向單位長度上地基土的彈簧系數(MPa/m);G為與地震震動最大應變幅值相應的地基土的剪切模量(MPa);β為換算系數,其值可取為1/3。

2 自由場二維地震效應數值分析

建立自由場地二維有限元模型,縱向取2 700 m,深100 m,場地非線性地震效應分析采用的Davidenkov模型;根據地勘報告的土層分布情況,采用實體單元模擬土體;模型頂部為自由邊界。場地分析過程中,地震加速度為一致輸入,并且采取兩向方向輸入,橫向:豎向的地震波加速度幅值比例為1∶0.65。輸入地震動為日本Iwate波,相關參數見表3。分別計算峰值加速為0.2g、0.3g、0.4g三個工況的自由場地震響應，結果如圖2、圖3所示。

圖2 自由場中隧道底部位置豎向相對位移極值

圖3 自由場中隧道底部位置橫向相對位移極值

表3 輸入地震動信息

3 計算結果

縱向梁彈簧模型中地震動以位移的形式輸入到土彈簧固定端,位移時程通過自由場的有限元分析得到。不同工況下盾構隧道環間接頭張開量包絡曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下盾構隧道環間接頭張開量包絡曲線

由不同工況下盾構隧道環間接頭張開量包絡曲線可知:

(1)硬巖凸起處接收井處和多地層交互處環縫張開量顯著大于其他部位且量值遠大于非震區隧道。

(2)隨著峰值加速度的增加隧道環間接頭張開量幅值也隨之增加。

(3)離北隧道口600 m、1 200 m、2 100 m、2 600 m附近,隧道環間張開量有較大的突變;工況3情況下,離北隧道口600 m附近接頭張開量超過1.5 cm,其他工況下環間接頭張開量均小于1.5 cm。

4 結 論

對地震作用下高烈度區大斷面海底盾構隧道在硬巖凸起處、接收井處和多地層交互處環縫張開量顯著大于其他區域,且量值遠大于非震區隧道。建議在隧道抗震薄弱部位采取相應抗震措施并根據張開量情況適當調整標準震時抗水壓。