天津軟土地區盾構隧道地震響應分析及影響因素研究

李向輝，李永波，王志宇

（1.天津軌道交通集團有限公司，天津 300392；2.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；3.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；4.北京財貿職業學院，北京 101101）

強地震嚴重威脅著地下工程的結構安全，如1976年唐山大地震，天津地鐵1號線在沉降縫處出現面層局部脫落和開裂的現象；1995年日本阪神地震[1～2]，造成大開地鐵車站嚴重破壞；因此，隨著大規模地鐵工程的建設，學者對地下結構抗震安全性的重視提升到一個新高度。郜新軍[3]建立三維區間隧道模型，研究了SV波斜入射下軟硬土體相間場地中隧道結構的動力響應規律；梁建文等[4]研究了隧道間距對襯砌地震應力的影響；王國波等[5]建立了軟土車站結構和相鄰隧道的三維計算模型，分析了隧道對車站結構內力的影響。以上研究均取得了一些有益經驗和結果。

本文以天津軟土地區的地鐵盾構隧道為研究對象，利用大型有限元軟件ANSYS 19.0建立雙隧道結構二維分析模型，研究土-盾構結構共同作用下的地震反應規律及結構抗震薄弱環節，為類似工程抗震分析及設計提供借鑒。

1 工程概況

天津地區為海積～沖積濱海平原地貌單元，地形總體較平坦。某地鐵盾構區內場地土為中～軟土，以新近淤積層淤泥、全新統新近沖積層粉質黏土層和其他淤泥質土為主；同時存在多條區域性斷裂，如海河斷裂、大寺斷裂、天津北斷裂等，這些斷裂往往是地震易發場所。盾構管片覆土厚度一般在10～16 m。管片由C50混凝土預制而成，內徑5.5 m、厚度350 mm。

2 數值分析模型

2.1 計算模型及參數

利用ANSYS 19.0軟件建立軟土-盾構雙隧道結構有限元分析模型，兩隧道中心間距取2.5倍管片計算直徑，即14.6 m，計算直徑為管片頂底中心間距離，見圖1。

圖1 軟土-盾構隧道結構計算模型

根據實際工程盾構管片上覆土厚度，選取d為10、12、14、16 m共4種情況，以14 m覆土厚度為基本計算工況；為研究場地土剪切波速對管片動力響應的影響，場地土體的剪切波速Vs分別取100、120、150、200 m/s，以150 m/s為基本波速，同時考慮了剪切波入射角度對管片動響應的影響。左線盾構測點L1～L12按逆時針排序，右線盾構測點R1～R12按順時針排列，相鄰測點夾角為30°。

有限元模型計算區域長120 m、高60 m。土體為Plane42平面單元模型，密度取1 900 kg/m3，泊松比取0.36，彈性模型根據選取的剪切波速導出；盾構管片為鋼筋混凝土結構，以BEAM3梁單元模擬，材料密度取2 500 kg/m3，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.2；人工邊界以Combin14號彈簧模擬。

2.2 黏-彈性人工邊界

分析地震動作用下場地土-結構相互作用響應規律時，需要在模型邊界上設置適當的人工邊界，以近似滿足場地無窮遠輻射條件要求。比較常用的人工邊界有黏性邊界、透射邊界、黏-彈性邊界等；其中，黏-彈性人工邊界具有較好的頻率穩定性和良好的適合性。杜修力等[6]對人工邊界參數的取值作了合理修正，得到二維模型的彈簧剛度系數K及黏滯阻尼系數C。

式中：ρ、λ、G分別為介質密度、拉梅常數及剪切模量；CP、Cs分別為P波及S波在介質中的波速；r為散射波源到人工邊界的距離；α、β為修正系數取α=0.8、β=1.1。

2.3 輸入地震動

研究表明，地震動水平向分量是影響結構受力及造成結構破壞的主要因素，故在本次分析中，選取1976年天津寧河波和1940年美國El Centro波水平向地震動加速度記錄并根據外源輸入理論轉化為位移時程和速度時程作為場地模型的輸入地震動。兩條地震動的卓越頻率分別為1.12、1.46 Hz，就整體所含頻譜成分而言，天津寧河波以低頻成分為主。見圖2。

圖2 場地輸入地震動加速度時程曲線

根據天津地區軌道交通地震安全性評價報告，場地地震設防烈度為Ⅷ度，Ⅲ類場地。模型計算分析時，將兩條輸入地震動的加速度峰值均調整為2.0 m/s2。

3 結果分析

3.1 入射角度的影響

覆土厚度14 m、場地土剪切波速150 m/s時寧河波作用下，左線盾構管片不同位置處彎矩差別明顯且隨地震動入射角度增大，不同位置處的彎矩峰值變化顯著。其中，L1、L4、L7、L10號測點在地震動垂直入射時的彎矩最小，最大值僅為16.1 kN·m；隨入射角度增大上述4測點處彎矩幾乎以相同的幅度增大，10°、20°角入射時增大至最大，分別為110.0、211.3 kN·m；而其他各測點則隨地震動入射角度增大不同幅度減小。同樣地，右線盾構管片不同位置處彎矩值的變化趨勢與左線盾構相同。見圖3。

圖3 左線盾構隧道不同觀測點彎矩峰值

因左右線盾構管片測點編號以模型中心軸對稱布置，在地震動垂直入射下，左右線相同測點的彎矩值相等，最大彎矩220.0 kN·m。在寧河波斜入射下，右線R3、R6、R9、R12測點較左線對稱測點處彎矩增大，10°角作用下增大幅度最大，為12.05%，彎矩最大值為211.3 kN·m；20°角作用下增大幅度最大，為12.95%，彎矩最大值為211.2 kN·m。右線其余各測點彎矩在地震動斜入射下均較左線減小。彎矩峰值普遍出現在地震動垂直入射時。見表1。

表1 地震動作用下左右線管片各測點彎矩kN·m

3.2 地震頻譜的影響

地震動的頻譜特性對結構彎矩影響顯著，對軟土地區來說，低頻成分的地震動對盾構管片彎矩的影響較大。覆土厚度14 m、場地土剪切波速150 m/s時，El Centro波以不同入射角度作用下，左線盾構隧道不同測點處彎矩值的變化趨勢大致與寧河波作用下相同，但相同入射角度作用下同一測點的彎矩值差別顯著。以L3號測點為例，El Centro波垂直入射和10°角入射時的彎矩峰值分別為105.1、91.2 kN·m，而寧河波以同樣的角度入射時，彎矩峰值分別為196.5、171.0 kN·m，較El Centro波彎矩峰值分別高出約87.0%、87.5%。見圖4。

圖4 不同頻譜地震動下左線盾構隧道測點彎矩峰值

3.3 覆土厚度的影響

埋深較大的盾構隧道地震動響應較顯著。場地土剪切波速150 m/s時，寧河波垂直入射下不同覆土厚度，除1、4、7、10號測點彎矩峰值很小且幾乎相等外，其余測點處的彎矩峰值隨覆土厚度增大逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小。以3號測點為例，覆土厚12 m的彎矩峰值較10 m增大了12.8%；覆土厚14 m的峰值較12 m增大了10.8%，覆土厚16 m的峰值較14m增大了9.9%。見圖5。

圖5 不同覆土厚度的盾構隧道測點彎矩峰值

3.4 場地土剪切波速的影響

場地土質越軟，低頻成分為主的地震動對盾構結構造成的破損越嚴重。寧河波垂直入射、不同剪切波速場地下，1、4、7、10號測點彎矩峰值很小且幾乎相等，其余各測點處的彎矩峰值隨剪切波速的增大逐漸減小，但減小的幅度逐漸增大。以3號測點為例，Vs為120 m/s時的彎矩峰值較100 m/s時減小了19 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小3.7%；Vs為150 m/s時的彎矩峰值較120 m/s時減小了43.4 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小6.0%；Vs為200 m/s時的彎矩峰值較150 m/s時減小了64.6 kN·m，即剪切波速每增大10 m/s彎矩峰值減小6.6%。見圖6。

圖6 不同剪切波速場地下的盾構隧道測點彎矩峰值

4 結論

1）與垂直入射相比，地震動斜入射時盾構管片不同位置處的彎矩峰值差逐漸減小，其中水平向和豎向4個測點的彎矩峰值顯著增大，其他測點的彎矩峰值遞減；但彎矩峰大值普遍出現在地震動垂直入射時。

2）因左右線盾構隧道關于模型的對稱性，在地震動垂直入射下，左右線相同測點處的彎矩值相等；但在地震動斜入射下，右線隧道彎矩峰值在不同測點處較左線隧道增大或減小。

3）地震動的頻譜特性對結構彎矩影響顯著，對軟土地區來說，低頻成分的地震動對盾構管片彎矩的影響較大。

4）地震動作用下，隧道彎矩峰值隨埋深增大，呈逐漸增大趨勢。

5）對天津中軟土場地來說，土質越軟，低頻成分為主的地震動對盾構管片結構造成的損傷越嚴重。