巖石場地群洞地鐵車站聯絡通道地震響應分析*

袁 勇 李若舟 賀維國 李清菲

(1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室， 200092， 上海； 2.同濟大學地下建筑與工程系， 200092， 上海；3.中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司， 300308， 天津∥第一作者， 教授)

巖石場地地下工程在巖土體介質的強約束作用下，其抗震性能明顯優于地面建筑物[1-2]。然而，根據國內外震害調查結果，地震作用依然會導致地下洞室支護結構及圍巖的損傷、破壞乃至洞室的完全坍塌。例如，在2008年我國的汶川地震中，龍溪隧道距震中49 km，其洞口處混凝土嚴重開裂，襯砌發生錯臺，洞室襯砌開裂剝落，地板最大隆起達1.2 m[3]。地下結構的地震響應主要受周圍巖土體變形的控制，故在結構截面突變部位(如地鐵車站與隧道的連接處)容易發生剛度突變，進而形成較大變形差，破壞地下結構的安全。在1995年日本阪神地震中，三宮盾構隧道與豎井連接處發生接頭結構錯位，造成了盾構隧道管片接頭破壞，導致嚴重漏水事故[4]。可見，需特別關注地下結構截面剛度突變部位的抗震性能。文獻[5]通過振動臺試驗及數值模擬方法研究了地鐵車站與隧道接頭的地震響應，分析了車站結構抗震的薄弱部位以及接頭對構件內力的影響。文獻[6]建立了彈性、剛性與柔性盾構隧道接頭模型，分析了接頭類型、周圍土體加固情況及非線性接觸面等因素對隧道抗震的影響。文獻[7]研究了剛性接頭與鉸接接頭對盾構隧道連接處的抗震影響。目前，相關研究主要關注盾構隧道與工作井連接處的抗震特性，較少關注巖石場地地鐵車站與聯絡通道連接處的抗震特性。某交疊型群洞地鐵車站采用礦山法建造。本文以該站為案例車站，建立隧道群圍巖-結構三維有限元模型，分析該站站廳-站臺聯絡通道、站廳層、站臺-站臺聯絡通道等薄弱部位，以及車站與區間隧道連接處附近的應力分布特征及受力情況。

1 工程背景

案例車站采用站廳與站臺分離、且左右站臺分離的交疊型群洞結構形式。站廳隧道長183.2 m，站臺隧道長169.1 m，站廳層雙層斷面拱頂埋深為15.2 m。站廳層與站臺層由多個斜通道及垂直通道連接，形成群洞空間結構。這種車站結構形式在全國尚屬首例。圖1為該站結構示意圖。乘客通過站廳-站臺聯絡通道穿梭于站廳層和站臺層之間，并通過站臺-站臺聯絡通道進行左右線路的換乘。風道連接站廳和站臺，并進行車站內換氣。站廳隧道采用雙層初支拱蓋法施工，即拱部采用環形導坑法開挖，下斷面采用臺階法開挖；站臺隧道均采用臺階法開挖。車站結構受力復雜。為便于計算，本文將風道簡化為站臺-站臺聯絡通道。簡化后的地鐵車站結構側視圖見圖2。站臺-站臺聯絡通道和站廳-站臺聯絡通道的具體尺寸見圖3。

圖1 案例車站結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of case station structure

尺寸單位：m圖2 簡化后的車站結構側視圖Fig.2 Side view of simplified station structure

2 動力分析模型

2.1 有限元模型

本文采用ABAQUS軟件建立三維車站-圍巖有限元模型來分析案例車站的地震響應。參考《城市軌道交通結構抗震設計規范》及文獻[8]，本文所建模型尺寸為300 m (橫向方向)×400 m (沿車站縱向方向)×70 m (深度方向)，如圖4所示。模型尺寸滿足結構與邊界距離>3倍結構寬度的要求。模型中，圍巖采用實體單元C3D8R，襯砌采用殼單元S4R，網格數量約為10萬個，車站結構附近網格最大尺寸為5 m，小于最大波動頻率對應波長的1/8。模型側向邊界采用等位移邊界，即在地震動輸入方向上綁定邊界上等高度對應點的自由度，放松其余方向的自由度。

a) 站臺-站臺聯絡通道結構

b) 站廳-站臺聯絡通道結構尺寸單位：m圖3 聯絡通道尺寸示意圖Fig.3 Diagram of link passage size

圖4 三維有限元模型中剖面Fig.4 Section in 3D finite element model

2.2 計算參數

2.2.1 結構參數

為了簡化計算，將車站結構視為均勻的、連續的混凝土材料，采用線彈性模型模擬。對于車站結構，除中柱和中板用C45混凝土以外，其余部分均使用C30混凝土。相關材料參數根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》取值，具體如表1所示。隧道結構與周圍地層采用TIE(綁定)連接。

表1 隧道結構材料參數

2.2.2 場地情況

案例車站大部分覆蓋層厚度小于3.0 m。場地類別為I1類，其余為基巖。在深度70 m范圍內的基巖均為花崗巖及花崗斑巖等巖性較好的巖石。根據GB/T 5021—2014《工程巖體分級標準》，將微風化花崗巖判定為Ⅲ級巖體，將中風化花崗巖判定為Ⅳ級巖體。巖土體采用Mohr-Coulomb本構模型。表2為巖土體的物理力學性質參數表。圍巖阻尼采用Rayleigh阻尼，并取模型前兩階的圓頻率來計算阻尼系數。

表2 巖體物理力學參數

2.3 輸入地震動

采用動力時程分析法進行結構動力響應分析時，考慮設防地震作用，在模型底部橫向輸入青島波、集集波和汶川波。設計地震加速度峰值為0.1g(g為重力加速度)。調幅和基線校正后的地震波加速度時程曲線見圖5。在計算之前，需先對車站-圍巖體系進行初始地應力平衡，得到地層和車站結構的初始應力狀態，在此基礎上進行動力分析。

3 有限元計算結果分析

3.1 車站內連通道連接處薄弱部位分析

交疊型群洞地鐵車站的空間結構形式復雜，其站廳和站臺層的結構剛度較大，站廳-站臺聯絡通道及站臺-站臺聯絡通道剛度較小，在連接部位存在截面形式突變和結構剛度突變的問題。因此，需在分析地震響應時特別關注各連接部位是否安全可靠。圖6為站廳層拱底和站臺-站臺聯絡通道的最大主應力分布。由圖6可見，站廳隧道與站廳-站臺聯絡通道連接處的拱肩部位出現較大的拉應力，站臺-站臺聯絡通道與站臺隧道連接處的拱底部位也出現較大拉應力。經分析，由于車站與聯絡通道為剛性連接，因此，在地震動作用下，車站與聯絡通道之間的相對位移會使其連接處產生較大的拉應力，進而導致混凝土開裂，甚至破壞。

a) 青島波

b) 集集波

c) 汶川波圖5 地震動加速度時程曲線Fig.5 Seismic motion acceleration time-history curve

3.2 站臺-站臺聯絡通道的動力響應

圖7為站臺-站臺聯絡通道的平面分布示意圖。圖7中，斷面A和斷面B為聯絡通道與站臺隧道的連接面。站臺-站臺聯絡通道的動力響應主要為連接部位的縱向彎矩、縱向軸力和環向剪力，彎矩與軸力對應于結構的軸線方向，剪力對應于結構的環向。與站臺-站臺聯絡通道類似，站廳-站臺聯絡通道上下斷面的動力響應主要研究內容也為縱向彎矩、軸力及環向剪力。

a) 站廳層拱底最大主應力分布

b) 站臺-站臺聯絡通道最大主應力分布圖6 結構最大主應力分布云圖Fig.6 Nephogram of structure maximum principal stressdistribution

注:1#—4#通道為站臺-站臺聯絡通道;斜通道1及斜通道2為站廳-站臺聯絡通道。

在模型底部輸入青島波，站臺-站臺聯絡通道的斷面A和B的內力峰值變化見圖8。如圖8 a)所示：4#通道斷面A處的縱向彎矩峰值最大；斷面A處的4#通道縱向彎矩峰值比斷面B處的大35%，斷面A處的3#通道彎矩峰值比斷面B處的大198%；其他3個通道斷面A與斷面B的彎矩峰值較為接近。從圖8 b)可以看出：縱向軸力峰值最大值出現在4#通道的斷面A；4#通道的斷面A處軸力峰值比斷面B處軸力峰值大29%。從圖8 c)可以發現：3#通道斷面B處的環向剪力峰值最大；斷面B處的剪力峰值較斷面A處的大101%，而4#通道斷面A處彎矩峰值比斷面B處彎矩峰值大144%。綜上所述，對于同一地震波工況下的同一聯絡通道，斷面A處的內力峰值基本大于斷面B處的內力峰值；站臺-站臺聯絡通道4的斷面A處是結構受力的最不利部位。

a) 縱向彎矩峰值

b) 縱向軸力峰值

c) 環向剪力峰值圖8 青島波對站臺-站臺聯絡通道連接處內力峰值的影響

3.3 站廳-站臺聯絡通道的動力響應

地震動特性是影響土體地震反應的重要因素。在不同振幅的地震動作用下，地層會出現剪切應變，并發生塑性區分布的變化，進而影響地下結構的地震響應；在不同地震動頻譜作用下，場地對地震動有不同的放大效應，對結構的作用也不同。

本文選取了3種主頻不同的地震動輸入，分析地震動特性對站廳-站臺聯絡通道連接處上下斷面(見圖3)的內力影響。分析結果見圖9。經分析，上斷面的內力峰值均小于下斷面內力峰值。這說明連接部位下斷面處是結構受力的較不利位置。當輸入不同特性的地震動時，同一個斷面的內力峰值分布具有一定的規律性。從圖9 a)中可以發現，就彎矩峰值而言，青島波的最大，比集集波的大了8%～16%，比汶川波的大了4%～28%。圖9 b)及圖9 c)中青島波造成的內力峰值也具有類似的變化規律。這是因為青島波的主頻更接近于場地的基頻。

a) 縱向彎矩峰值

b) 縱向軸力峰值

c) 環向剪力峰值圖9 地震動頻譜對站廳-站臺聯絡通道連接處內力的影響

4 結論

1) 在地震動作用下，站廳隧道與站廳-站臺聯絡通道連接處的拱肩部位會出現較大的拉應力，站臺-站臺聯絡通道與站臺隧道連接處的拱底部位也會出現較大拉應力。這些部位是連接處抗震的薄弱環節，需要重點關注。

2) 在同一地震動作用下，站臺-站臺聯絡通道的內力峰值,斷面A處基本大于斷面B處。4#通道的斷面A處是結構受力的較不利部位，易發生混凝土開裂，甚至進一步破壞。

3) 當輸入不同特性的地震動時，站廳-站臺聯絡通道同一個斷面的內力峰值具有一定的規律性。青島波造成的結構內力最大。站廳-站臺聯絡通道連接部位下斷面處是結構受力的最不利位置。