盾構法施工的車站-通道-出入口建筑物體系的地震響應分析*

袁 勇 黎若寒 陳 鴻 李新星

(1. 同濟大學地下建筑與工程系， 200092， 上海； 2 .同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，200092， 上海；3. 上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 200235， 上?！蔚谝蛔髡?， 教授)

在軟土地層采用盾構法建造車站時[1]，需要重點關注車站結構、連接通道及出入口建筑物結構在地震作用下的安全性。

不同于區(qū)間盾構隧道，盾構法施工大直徑隧道襯砌車站-連接通道-出入口建筑物(以下簡為“車站-通道-出入口建筑物”)體系在空間上具有不對稱性，且各部分的軸線相互交叉，結構剛度差異顯著。在地震作用下，盾構法施工的大直徑隧道襯砌局部開洞區(qū)域及各部分的連接部位可能會產(chǎn)生應力集中，造成結構的破壞。對此，有必要開展車站-通道-出入口建筑物體系地震安全性研究，分析地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)及最不利位置，總結盾構法施工車站的動力響應規(guī)律。

隧道連接剛度變化段的地震響應規(guī)律，主要針對隧道-出入口建筑物以及隧道-聯(lián)絡通道兩類體系。文獻[2]模擬分析了盾構隧道與端頭豎井連接處的管片及接頭震害機制及影響因素，發(fā)現(xiàn)該連接處接頭易發(fā)生剪切破壞。文獻[3]基于連續(xù)多尺度橋域耦合動力分析方法研究了青草沙隧道與豎井連接節(jié)點的地震響應，發(fā)現(xiàn)隧道與豎井連接處存在較大的應力集中。文獻[4]推導了縱向激勵下豎井-隧道結構地震響應的解析解，發(fā)現(xiàn)豎井在地震作用下的轉動一定程度上決定了隧道地震響應的大小。文獻[5]通過振動臺試驗和數(shù)值模擬相結合的方式，研究了地鐵車站-隧道結構連接的地震響應，發(fā)現(xiàn)車站與隧道之間強烈的變形不一致性是導致連接處發(fā)生位錯破壞的原因。文獻[6]采用振動臺試驗研究了豎井-隧道體系的地震響應，結果表明管片接縫的張開量取決于豎井和隧道之間地震響應的差異。文獻[7]通過數(shù)值模擬分析了聯(lián)絡通道對盾構隧道抗震性能的影響，認為聯(lián)絡通道的影響范圍大致為聯(lián)絡通道兩側各2.5倍通道直徑的距離。文獻[8]采用數(shù)值模擬對隧道與橫通道組成的空間交叉結構進行了抗震性能研究，認為隧道與橫通道連接部位的頂部是抗震的薄弱部位，需要采取加固措施。文獻[9]建立了隧道聯(lián)絡通道地基系統(tǒng)的三維有限元模型，研究了雙線隧道聯(lián)絡通道的地震響應，結果表明橫向加載時聯(lián)絡通道對隧道的影響比縱向加載時大。文獻[10]基于有限差分軟件，建立了雙線并行隧道及聯(lián)絡通道的三維數(shù)值模型，探討了聯(lián)絡通道直徑和長度對連接處地震響應的影響，結果表明聯(lián)絡通道越長越細，對隧道的不利影響越顯著。針對連接通道的抗減震設計，一些文獻對采用了不同連接方式[11]、加固地層[12]、不同接頭的剛度[13]進行了研究。然而，對于更為復雜的車站-通道-出入口建筑物體系的地震響應，還少有研究報道。

本文以上海地區(qū)擬建的某盾構法施工車站為研究對象，采用三維有限元建立了車站-通道-出入口建筑物體系的三維數(shù)值模型，研究車站-通道-出入口建筑物體系在不同地震輸入方向下的地震響應，確定地震作用下的最不利位置，以及不同地震輸入方向下車站-通道-出入口建筑物體系的特征變形模式。

1 研究背景

擬建車站采用單層襯砌結構，設計覆土厚度為15 m，盾構襯砌外徑為15.5 m，內徑為14.2 m，預制管片厚0.650 m。襯砌環(huán)分為10塊(包括1塊封頂塊、2塊鄰接塊及8塊標準塊)，其采用通用襯砌環(huán)以滿足直線段及曲線段施工，以及施工糾偏等需要，見圖1。在襯砌管片拼裝設計中，封頂塊中線與水平線的夾角分別為0°、141.429°和205.716°，形成錯縫襯砌管環(huán)。

尺寸單位:mm注：B為標準塊;L為鄰接塊;F為封頂塊。圖1 襯砌管片示意圖Fig.1 Diagram of lining segment

根據(jù)建筑布置要求，在車站站廳設連接通道，將車站隧道與出入口附屬廳相連，連接通道結構內底面與車站主體結構的隧道軸線的豎向距離為2.3 m。站廳層出入口連接通道尺寸為 8.0 m×4.5 m，長12.6 m。需在隧道的4環(huán)襯砌管片上設置開口塊，開口處襯砌環(huán)改用鋼管片。施工時要求將連接通道與車站主隧道鋼管片開口的四周間隙填充完整。出入口建筑物尺寸為32.00 m(平行于車站隧道軸線方向)×16.00 m(垂直于車站隧道軸線方向)×15.22 m(豎向)(結構設計示意見圖2)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型設計

采用ABAQUS有限元軟件建立地層-結構數(shù)值計算模型(以下簡為“數(shù)值模型”)。模型包括地層、車站、連接通道、出入口建筑物，以及各部分間的連接。車站-通道-出入口建筑物結構模型見圖3。

2.1.1 場地模型

車站所處土層分層較多，土層性質變化大。如圖4所示，地層豎向(y向)共分為17層，其整體尺寸為120 m(x向)×70 m(y向)×100 m(z向)。采用SHAKE91軟件計算可得每層土體的等效線性化參數(shù)[14]，作為地層數(shù)值模型中各層的動力參數(shù)。

2.1.2 車站結構模型

盾構法施工的車站結構襯砌分為C60混凝土管片和鋼管片。在計算模型中，管片混凝土選取塑性損傷本構[15]，彈性模量為36 GPa、泊松比為0.2、體積質量為2 500 kg/m3。在前期試算中發(fā)現(xiàn)，管片開口影響范圍約為8環(huán)管片。因此，開口管片兩側各8環(huán)管片采用精細化建模，遠端管片根據(jù)剛度等效原則等效為均質管片(如圖3所示)。鋼管片等效為均質等厚管片，鋼材采用理想彈塑性本構，彈性模量折減為80 GPa、泊松比為0.3、體積質量折減為6 780 kg/m3；管片間連接螺栓采用線彈性本構模型，彈性模量為200 GPa、泊松比為0.3、體積質量為7 850 kg/m3。

a) 襯砌管片開口

b) 剖面圖

c) 平面圖尺寸單位：mm圖2 車站-通道-出入口建筑物結構設計示意圖

圖3 車站-通道-出入口建筑物結構示意圖Fig.3 Diagram of station-passage-entry/exit building structure

圖4 地層模型示意圖Fig.4 Diagram of stratum model

2.1.3 連接通道及豎井模型

連接通道及出入口建筑物結構采用C60混凝土。連接通道截面寬度為8.0 m，高度為4.5 m，厚度為0.5 m；出入口建筑物結構長度為32.00 m，寬度為16.00 m，高度為15.22 m，壁厚0.8 m。由于本研究重點關注車站襯砌結構與連接通道的地震響應規(guī)律，故在數(shù)值模型中將出入口建筑物結構的材料設置為線彈性。

連接通道與車站連接段由頂管機頭切割后內部澆筑混凝土而成，因此，該連接段設置為理想彈塑性本構模型，考慮剛度等效，彈性模量折減為47 GPa，泊松比為0.3，體積質量折減為3 460 kg/m3。

2.2 動力計算的邊界設置

地下結構動力計算的數(shù)值模型有多種邊界。從實用角度來看，等位移邊界這類雖構建簡單卻能反映物理實質的人工邊界條件，更便于實際應用。

由此y向剪切波傳播為：

(1)

式中：

u(x,y,t)——t時刻質點的位移；

cs——剪切波速。

由式(1)可知，介質質點運動與坐標x無關，即邊界上同一高度的介質質點運動時位移保持一致。設置等位移邊界，即約束場地模型兩側相同高度節(jié)點的位移量，可模擬y向剪切波傳播時的側邊界變形，并避免側邊界反射波干擾分析結果。

2.3 接觸面設置

在數(shù)值模型中，土層-管片襯砌、土層-通道結構、土層-出入口建筑物結構、管片-管片、管片-螺栓等接觸面較多。接觸面作用方式主要有以下幾種。

1) 嵌入。在數(shù)值模型中，螺栓均采用梁單元進行模擬，最終所有螺栓梁均嵌入與之接觸的管片模型內部。

2) 摩擦接觸。管片間，以及管片與土層間的表面為直接接觸，定義為切向摩擦、法向硬接觸的接觸形式。其中，管片間切向摩擦系數(shù)取0.6，管片與土層間切向摩擦系數(shù)取0.3。

2.4 地震波輸入

以地層-結構模型的底面作為地震波輸入面，輸入不同方向的加速度時程。輸入地震波為50年超越概率10%(設防地震)的上海人工波，其地表加速度峰值為0.12g(g為重力加速度)，分為x向和z向輸入。上海人工波加速度時程及傅里葉譜見圖5。

a) 加速度時程

3 計算結果分析

3.1 結構應力

3.1.1 橫向地震輸入

在橫向地震輸入下，盾構法施工車站結構連接處的主應力云圖如圖6所示?；谧畲罄瓚碚摚缒程幾畲笾鲬_到極限值，則認為該處發(fā)生破壞。由圖6 a)可見：車站管片結構最大主應力為3.01 MPa，位于襯砌開口的底部管片轉角處；通道結構最大主應力為2.35 MPa，位于通道與車站連接部位的底部轉角處。由圖6 b)可見：車站管片結構最小主應力為-3.92 MPa，位于管片開口的底部轉角處；通道最小主應力為-6.07 MPa，位于通道與車站連接部位的頂部轉角處。雖通道結構最大主應力超過了混凝土抗拉強度設計值，但其余部位未超過材料極限強度，故認為通道仍處于安全階段。

a) 最大主應力

b) 最小主應力注：應力以受拉為正，受壓為負。圖6 盾構車站橫向地震輸入時結構主應力云圖

管片環(huán)向螺栓及縱向螺栓的最大拉應力如圖7所示。由圖7可以看到，管片開口處下方縱向螺栓的最大拉應力為382 MPa，小于螺栓極限抗拉強度。故該處螺栓處于安全階段。

單位：Pa圖7 橫向地震輸入時的螺栓最大拉應力

3.1.2 縱向地震輸入

類似地，縱向地震輸入下盾構法施工車站的主應力云圖如圖8所示。由圖8 a)可見：車站管片結構最大主應力為3.89 MPa，位于襯砌開口的底部轉角處；通道最大主應力為3.81 MPa，位于通道與車站連接部位的底部對應轉角處。由圖8 b)可見，車站結構管片最小主應力為-7.57 MPa，位于管片開口的底部轉角處；通道最小主應力為-13.45 MPa，位于通道與車站連接部位的底部轉角處。通道結構最大主應力超過混凝土抗拉強度設計值，而其余部位主應力未超過材料極限強度，仍處于安全階段。

a) 最大主應力

b) 最小主應力圖8 盾構車站縱向地震輸入時結構主應力云圖

如圖9所示，管片開口處右上側的環(huán)向螺栓最大拉應力為380 MPa，小于螺栓極限抗拉強度。

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圖9 縱向地震輸入下螺栓最大拉應力云圖

3.2 混凝土損傷

混凝土的損傷因子取值為0～1，其中0代表混凝土沒有發(fā)生損傷，1代表混凝土完全破壞。

3.2.1 橫向地震輸入

橫向地震輸入下車站結構襯砌管片及通道結構的混凝土損傷如圖10所示。通道結構混凝土的受拉損傷因子最大值為0.963，位于與車站連接部位的轉角處，而車站襯砌管片受拉損傷因子最大值僅0.004，車站和通道結構的混凝土受壓損傷因子最大值僅為0.007。

a) 拉伸損傷

b) 受壓損傷圖10 橫向地震輸入下的最大損傷云圖

3.2.2 縱向地震輸入

車站結構襯砌管片及通道結構的混凝土最大損傷如圖11所示?；炷磷畲笫芾瓝p傷位于通道與車站連接部位的轉角處，損傷因子值為0.977；車站襯砌管片最大受拉損傷因子為0.113。受壓損傷主要分布在連接通道與車站連接部位的轉角處，損傷因子最大值為0.101，而車站管片的受壓損傷較小，受壓損傷因子最大值為0.002。

3.3 變形規(guī)律

將車站-通道-出入口建筑物體系特征變形放大3 000倍，得到變形示意圖見圖12。由圖12可知：

1) 在橫向地震作用下，出入口建筑物呈現(xiàn)典型的搖擺變形。由于出入口建筑物與車站運動的不一致，出入口建筑物通過連接通道對車站產(chǎn)生了橫向的擠壓，使得車站開口處出現(xiàn)較大的擠壓變形。

2) 在縱向地震作用下，出入口建筑物由于縱向較大的變形剛度，沒有表現(xiàn)出顯著的搖擺變形。由于出入口建筑物與車站運動的不一致，出入口建筑物通過連接通道使車站產(chǎn)生了較大的扭轉變形。因此，車站-通道-出入口建筑物體系變形主要取決于出入口建筑物與車站之間非一致的變形，車站在橫向地震作用下呈現(xiàn)擠壓變形，在縱向地震作用下呈現(xiàn)扭轉變形。

a) 拉伸損傷

b) 受壓損傷圖11 盾構車站縱向地震輸入下的最大損傷云圖

a) 橫向地震輸入

b) 縱向地震輸入

3.4 最不利位置

車站-通道-出入口建筑物體系在不同地震輸入方向下的地震響應指標見表1。

表1 車站-通道-出入口建筑物體系地震響應匯總

由表1可以發(fā)現(xiàn)：車站管片和連接通道的最大應力及最大混凝土損傷均位于連接通道與車站開口處的連接部位；連接通道與出入口建筑物的連接部位在縱向地震輸入時也存在較大的混凝土受拉損傷。因此，對于車站-通道-出入口建筑物體系，最不利位置為連接通道與車站的連接部位，以及連接通道與出入口建筑物的連接部位。相比于橫向地震輸入，縱向地震輸入時車站-通道-出入口建筑物體系的應力和損傷更大，因此縱向地震輸入相比于橫向地震輸入更不利。

4 結語

本文以上海地區(qū)擬建的某盾構法施工車站結構為研究對象，建立了車站-通道-出入口建筑物體系的三維數(shù)值模型，研究了車站-通道-出入口建筑物體系在上海地區(qū)設防地震作用下的響應規(guī)律，得到了以下結論：

1) 在橫向地震作用下：車站-通道-出入口建筑物體系最大主應力為2.90 MPa，最小主應力為-6.07 MPa，均位于連接通道與車站開口處的連接部位；最大螺栓拉應力為382 MPa，位于管片開口處下方的縱向螺栓；最大受拉損傷為0.963，位于連接通道與車站開口處的連接部位；最大受壓損傷為0.007，位于連接通道與出入口建筑物的連接部位。

2) 在縱向地震作用下：車站-通道-出入口建筑物體系最大主應力為4.17 MPa，最小主應力為-13.45 MPa，均位于連接通道與車站開口處的連接部位；最大螺栓拉應力為380 MPa，位于管片開口處右側的環(huán)向螺栓；最大受拉損傷為0.977，最大受壓損傷為0.101，均位于連接通道與車站開口處的連接部位。

3) 對于車站-通道-出入口建筑物體系，最不利位置為連接通道與車站的連接部位，以及連接通道與出入口建筑物的連接部位。縱向地震輸入比橫向地震輸入更不利。

4) 車站-通道-出入口建筑物體系變形模式主要取決于出入口建筑物與車站之間非一致的變形。車站在橫向地震作用下呈現(xiàn)開口處的擠壓變形，在縱向地震作用下呈現(xiàn)扭轉變形。