地震動水壓力下盾構隧道復合襯砌管片環縫防水性能研究

邵鈺淇 潘東 毛家驊

摘 要：為探明跨海盾構隧道復合襯砌結構在地震動作用下的結構反應及環縫防水性能，建立了考慮動孔隙水壓力的場地地震動模型及盾構隧道縱向梁彈簧模型，采用廣義反應位移法，研究了盾構隧道復合襯砌結構在地震動作用下的環縫張開量和防水性能。結果表明：復合襯砌結構具有較好的環縫防水性能，且減震層剛度越大，環縫防水性能越好。研究結果為跨海盾構隧道防水設計提供了借鑒。

關鍵詞：盾構隧道;抗震;雙層襯砌;高水壓;防水性能

中圖分類號：U452.2+8? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0155-02

1引言

盾構隧道結構存在接縫較多、剛度較小等特點，在強地震動作用下往往表現為結構變形過大，面臨嚴重滲漏水，甚至是突涌水的威脅，而雙層襯砌結構能夠大幅度提高盾構隧道縱向剛度，在強地震作用下有效減小盾構隧道的地震動響應[1]。因此，開展強地震動作用下水下盾構隧道雙層襯砌結構環縫防水特性研究很有必要。

目前，國內外雙層襯砌結構在以交通為目的的盾構隧道工程中應用并不多。但是，隨著國內盾構隧道建設向大斷面、深埋、高水壓和超長里程方向發展，單層預制混凝土管片襯砌將無法滿足大型盾構隧道對襯砌結構的耐久性、抗震性、穩定性和防水性等要求，國內部分在建水下盾構隧道已經開始嘗試使用管片+二次襯砌的復合襯砌結構。

鑒于此，本文以擬建瓊州海峽隧道工程為依托，采用廣義反應位移法[2-3]，建立高水壓砂土地層地震動分析模型及盾構隧道雙層襯砌結構縱向梁彈簧模型，分析強地震動作用下考慮動水壓力的盾構隧道雙層襯砌結構縱向環縫防水特性，并試圖探索盾構隧道雙層襯砌結構中減震層特性對結構縱向抗震性能的影響。研究結果為我國后續擬建越江跨海盾構隧道工程的抗震設計提供參考。

2模型建立

2.1自由場地震動模型

本次研究以瓊州海峽隧道工程為依托，隧道穿越地層以粉細砂和粉質粘土為主，為了簡化場地模型，將地層設置為上部粉細砂層，下部粉質粘土層，地層表面距離水面80m，具體場地模型如圖1所示，地層物理力學參數如表1所示。由于隧道所在地層存在較高水壓，為了探明地層在地震動作用下動孔隙水壓力的變化情況，采用改進的循環荷載體應變增量模型。

本次計算采用EI地震波作為輸入地震動從模型底部以速度形式輸入，隧址處抗震設防烈度為8度，設防地震峰值加速度0.2g，基巖面采取兩向輸入，水平向：豎向的地震波加速度幅值比例為1：0.65。

2.2隧道縱向梁彈簧模型

基于動水壓力的自由場地非線性地震位移反應分析結果，提取隧道位置處縱向各點位移時程響應，將一系列的位移時程響應輸入到土體彈簧固定端進行盾構隧道地震反應特性分析。

隧道雙層襯砌結構采用縱向梁彈簧模型，管片與二次襯砌相互作用采用豎向彈簧和切向彈簧來模擬。

本模型中的彈簧主要分為管片地層彈簧、管片環間彈簧以及二次襯砌與管片間彈簧。其中，管片環間彈簧采用文獻[4]提出的等效接頭剛度進行計算。

本文針對單層管片襯砌、減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa這三個工況，分析盾構隧道雙層襯砌結構的地震動響應以及環縫張開量變化情況，從而評估盾構隧道雙層襯砌結構的防水性能。

3反應特性及防水性能

對盾構隧道第25環～26環間環縫和第50環～51環間環縫張開量進行了監測，得到單層管片襯砌、復合管片襯砌（減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa）環縫張開量隨地震動時間變化的曲線，如圖2～3所示。

從圖2～3中可以看出，單層管片襯砌環縫張開量隨著地震動持時變化非常劇烈，而復合襯砌環縫張開量相對較為緩和。對比減震層彈性模量為12×106Pa和6×106Pa的復合襯砌結構環縫張開量，發現減震層彈性模量越大，環縫張開量越小，說明隧道縱向整體剛度越大，隧道變形越小，其相應的環縫張開量也越小。但是對于隧道橫向抗震性能來說，在一定范圍內減震層彈性模量越小，減震效果越好[5]，因此在考慮盾構隧道環縫張開量的情況下，減震層彈性模量的設置必定存在一個最優范圍。

將隧道所在位置地層隨地震動作用的動水壓力值與盾構隧道襯砌臨界防水壓力值作對比，得到圖4。

從圖4中可以看出，復合襯砌臨界防水壓力值基本上位于該處地層動孔隙水壓力值之上，表明復合襯砌結構在地震動作用下，防水性能基本能夠得到保證。而單層管片襯砌結構在地震動發生11s左右，動水壓力大大超過管片襯砌臨界防水壓力，存在海水大量涌入的風險。

4結論

本文以瓊州海峽隧道為工程背景，建立了考慮動孔隙水壓力的海底場地地震動響應模型，并基于廣義位移法對跨海盾構隧道縱向防水性能進行了分析，其主要結論如下：

（1）復合盾構隧道環縫張開量在地震動作用下相對單層管片襯砌小，且減震層彈性模量越大，環縫張開量越小，但是影響較小，說明隧道縱向整體剛度是影響環縫張開量大小的主要因素。

（2）盾構隧道單層襯砌結構在7級地震動作用下極有可能出現管片環縫張開量過大，海水涌入隧道的風險，進而導致隧道襯砌結構受力變化，并發生隧道結構垮塌等災害。

參考文獻：

[1] 小泉淳.盾構隧道的抗震研究及算例[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2] 劉晶波，王文暉，趙冬冬，等.地下結構抗震分析的整體式反應位移法[J].巖石力學與工程學報，2013， 32（8）：1618-1624.

[3] 晏啟祥，張煜，王春艷，等.剪切波作用下盾構隧道地震效應的擬靜力分析方法研究[J].工程力學， 2015（5）：184-191.

[4]小泉淳.盾構隧道管片設計： 從容許應力設計法到極限狀態設計法[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5] 王明年，林國進，于麗，等.隧道抗震與減震[M].科學出版社， 2012.

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金（No.2018YJS105）。