土巖組合場地盾構隧道地震響應特征研究

邵廣彪，盧立鑫，商金華，董亞楠

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學 工程鑒定加固研究院有限公司，山東 濟南 250013；3.山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南 250101；4.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

盾構法[1-2]作為隧道施工的主要方法之一，具有施工安全性強、速度快、對周圍環境影響小等優點，已廣泛應用于城市地下軌道交通工程建設領域[1-2]。近年來，隨著城市地鐵隧道的發展，在高烈度區域和地震頻發區域下，地下結構遭受嚴重破壞的記錄越來越多[3-4]。隨著隧道結構截面尺寸和長度的持續增加，隧道大多將處于復雜地層地質構造區域內，尤其是在隧道結構貫穿土層剛度、剪切特性發生急劇突變的過渡界面的抗震研究將會引起重點關注[5]。濟南地區由于上部土層及軟弱巖石覆蓋層較薄，下部土巖過渡地層相互交錯疊加，使得隧道橫截面同時處于軟黏土體和巖體中，致使周圍介質的巨大差異性將給隧道結構抗震設計的安全帶來更多的未知風險。

在隧道結構縱向抗震[6]和橫向抗震[7]計算分析方法方面，已開展大量的理論及試驗研究。現有的分析方法從力學特征上可劃分為擬靜力法[8]和動力分析法[9]兩大類，其中動力分析有限元法是目前研究復雜地質條件地震激勵下結構與土層介質相互作用最為有效的分析方法之一。程新俊[10]建立了三維有限元模型，分析了沉管隧道在不同場地中的地震反應。王維[11]針對縱向土巖突變地層開展了振動臺模型試驗，并通過數值模擬，研究了隧道穿越土巖交界面時地震波的輸入角度對隧道結構縱向動力響應影響。焦亞磊[12]利用ABAQUS 建立廣域二維有限元模型局部三維土體-混凝土管片結構、管環間螺栓的精細化數值模型，得到了大直徑盾構隧道穿越軟硬突變地層在縱向地震作用下結構響應規律，并進行了風險評估進而確定了結構變形危險區域。總之，已有的研究主要針對隧道縱向地層突變對結構的響應影響或對單一地層和軟弱圍巖條件下的隧道施工影響，而針對盾構隧道結構橫截面貫穿土-巖變化地層的地震響應研究則較少。

依據濟南盾構隧道實際工程，建立二維表征地質變化和隧道-地層相互作用的動力分析模型，并開展土巖組合多工況地震響應分析。通過計算分析研究土巖地層-隧道相互應用體系的地震響應相較于單一地層的差異性，揭示了深度方向土巖地質構造變化對盾構隧道的內力、位移和加速度的響應機制，為盾構隧道實際抗震設計提供借鑒。

1 工程背景

以濟南軌道交通2 號線盾構隧道穿越土巖二元地層為工程背景，該盾構隧道是一條中心城市東西向骨干線，穿越地層為典型上軟下硬不均勻地質條件。盾構隧道區間所穿越地層主要為粉質黏土、黏土，局部為碎石層，土層下伏巖石為全風化、強風化及中風化閃長巖，巖體質量等級為Ⅲ～Ⅴ級，其中全風化、強風化閃長巖地層較薄，平均厚度約為1 ～2 m，隧道橫截面范圍內由土層迅速變化為強度較高的中風化巖層。全線盾構隧道最大直徑為6.4 m、拼裝管片厚度為0.3 m、單片管段長度為1.2 m，管片采用C50 混凝土整體預先澆筑而成，隧道抗震設防烈度為8 度。隧道所穿越泉脈地層透水性較強，若地震過程中盾構隧道遭到破壞，地下泉水涌入隧道將造成不可估量的損失，因此，開展相關地質條件下的隧道橫向抗震研究至關重要。

2 土巖地層突變場動力響應分析

2.1 土巖突變組合場模型

邁達斯是一種可用于建筑、橋梁、巖土、地下工程等領域的有限元分析軟件，采用該軟件對土巖組合地層與隧道結構建立二維廣域彈塑性有限元模型，分析隧道-土巖突變地層相互作用體系的地震響應特征，隧道穿越地層剖面如圖1 所示。地層依次為上部素填土覆蓋層，中間粉質黏土、黏土地層以及下部中風化閃長巖層，由于全風化、強風化閃長巖地層較薄，建模時將其合并于黏土地層，隧道埋深為18.2 ～21.5 m。模型尺寸范圍取到應力增量或者位移增量可以忽略不計的位置，根據經驗一般可取3 倍的隧道橫截面尺寸，模型場地的寬度和深度取值分別為120 和60 m。

圖1 區間隧道穿越土巖組合地層示意圖

隧道管片結構采用等剛度1D 連續梁單元，設0.2 m 厚回填層并采用線彈性本構模型，考慮到隧道管片拼接縫對隧道剛度的影響，將隧道橫向剛度按照0.6～0.8 系數進行折減[13]。地層采用二維平面單元，雜填土、粉質黏土及圍巖均采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，并精細劃分隧道周邊地層，數值模型如圖2 所示。同時，地震波在土體介質傳播時，模型邊界在吸收能量的同時也會反彈部分能量，從而對有限元整體分析結果產生誤差，因此模型人工邊界采用廣域二維自由場無限元邊界，底部基巖采用固定約束[14]。考慮初始地應力場并將應力傳遞作用于隧道單元梁結構上，調整使初始位移場清零。

圖2 土巖組合場有限元模型建立及自由場無限元邊界圖

在地震波激勵過程中，隧道結構與土體會發生相對滑動或脫離，致使隧道結構與土體之間無法傳遞土體強制位移施加在其上的應力，為模擬實際接觸狀況，在隧道與土巖接觸面上設置切向剛度、徑向受壓彈簧與罰摩擦準則，同時將單環回填層簡化為均質圓環，考慮到不同材料之間剛度變化在接觸面處的摩擦剪切效應，在地層、隧道與回填層之間設置界面單元[15]。在研究隧道結構橫截面在二元耦合地層中響應特點過程中，假設沿隧道軸向的土體與圍巖物理參數等變化差異性較小，建立盾構隧道模型并對其進行非線性時程分析，得到模型整體的動力響應。

2.2 計算參數選取及工況

為簡化模型的場地條件，取剪切波速為500 m/s的地層為地震動輸入的基巖，地層的動力特性參數通過一維自由場地等效線性分析獲得，取等效動剪切模量來近似反應地層的動力非線性特征，各地層的動力相容特征參數方程曲線如圖3 所示，圖中橫坐標采用對數函數換算表示。對于隧道結構，管片采用C50 混凝土，材料參數依據GB 50010—2015《混凝土結構設計規范》[16]取值，取橫向剛度有效率折減系數0.7。對場地進行自由場特征值分析，獲得模型最大質量參與系數之和＞85%的前兩階自振周期進行計算。模型材料參數見表1。

圖3 地層等效剪切模量、阻尼比與剪應變關系圖

表1 模型主要材料物理力學參數表

對兩種不同地層組合工況進行模擬計算。方案1 的隧道結構全截面處于單一粉質黏土地層中，并作用0.1g和0.2g峰值加速度地震波激勵；方案2的隧道橫截面包含軟土、圍巖兩部分，且假設土巖分界面位于隧道橫截面1/2 處，作用0.1g峰值加速度地震波激勵，兩種方案下隧道結構埋深相同。方案1 考慮在相同地震波和地質條件下，不同峰值加速度對隧道結構的影響，相互對比后驗證模型的可靠性；對方案1 與2 的計算結果對比分析，研究在相同地震波作用下隧道結構與土巖相互作用體系的內力重分布、位移、加速度的響應差異。

2.3 地震波輸入

本次試驗通過在模型底部基巖輸入x方向地震波，模擬剪切波對隧道結構震害的影響。根據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》[17]，設防等級為8 度、工程場地類型為Ⅱ類、場地特征周期為0.35 s。此次計算采用符合工程場地類別的實測波，即埃爾森特羅EL-Centro 波作為輸入地震波，其主頻頻率為3 Hz、加速度峰值為0.1g和0.2g，調幅與基線校正后的地震波加速度時程曲線如圖4 所示；進行特征值分析時，輸入地震波持時全程為50 s、時間步為0.02 s。

圖4 不同峰值加速EL-Centro 波時程曲線圖

3 模型響應結果分析

3.1 隧道結構位移響應分析

在研究土巖盾構隧道橫斷面震動響應特征規律時，針對隧道結構管環的水平相對位移特征，重點關注隧道拱頂位置與隧道拱底位置水平方向的相對位移，并將其作為計算精確性的參考，進而開展后續的研究工作。方案1 結構全截面處于粉質黏土單一介質中，在距離隧道下方5 倍洞徑深度采用基巖，以此來保證模型計算具有良好的收斂性和穩定性。

EL-Centro 地震波從基巖水平入射，沿模型x方向激振，考慮初始地應力與地震波聯合作用，隧道結構相對水平位移量，見表2。方案2 土巖組合地層中，與隧道結構下部水平相對位移相比，結構的上部水平相對位移量會在土巖交界面段產生突變，并且隧道結構最大相對位移值位于軟土地層一側，表明隧道結構的水平相對位移會在土層剛度變化的過渡位置發生突變，并且結構的位移量會隨地層剛度減小而增大。

表2 隧道結構相對水平位移量表

對比方案1，由于方案2 中隧道結構下部處于圍巖的緊密約束下，使隧道結構的整體水平相對位移變形量減小，從看結構位移量方面，土巖組合地層對隧道的抗震是有益處，可以降低隧道地震作用下結構的位移響應值，但是，隧道結構上、下部位移差量占拱底的百分比由方案1 單一地層中的46.2%增加到75%，由于處于圍巖約束的部分位移量變化較小，這就會使上下位移量差值的70.1%集中發生在地層分界面段，成為隧道抗震設計的不利截面。

兩種方案中的隧道結構在地震波作用下，隧道管片x方向相對水平位移云圖如圖5 和6 所示。方案1 中隧道結構水平相對位移量最大值，伴隨著地震峰值加速的增大，由拱腰順時針30°位置逐漸過渡到拱頂、拱底逆時針30°位置處，表明隧道結構在強震作用下，結構的相對水平位移會隨著加速度的增大逐漸向拱頂位置過渡，同時結構上覆土層壓力對隧道的橫向變形響應起到約束作用，最終隧道結構的變形呈現45°軸線對稱的近似橢圓形，這表明地震作用對結構變形的影響程度隨著峰值加速度的逐漸增大而增大。通過對比圖5(a)和(b)可知，在相同埋設深度和峰值加速度條件下，圍巖的存在對隧道結構的水平變形具有明顯的約束作用，從而改變結構的形態。

圖5 方案1 隧道結構水平方向相對位移云圖

圖6 方案2(隧道0.1g 加速度)隧道結構水平方向相對位移云圖

3.2 結構加速度響應分析

根據方案2 的計算結果，繪制隧道結構拱頂和拱底的加速度時程曲線，將其進行傅里葉轉換，如圖7 所示，可以得到土巖組合地層中隧道結構對輸入的EL-Centro 地震波不同頻段的響應規律。土巖二元組合地層中，圍巖側隧道結構對輸入地震波的高頻(6～8 Hz 頻段)具有放大效應，軟土側隧道結構對中、低頻(1.5～2.5 Hz 和4 ～6 Hz 頻段)具有放大效應，且隧道拱頂部位對地震波低頻波段和高平波段同時具有放大效應，對于低頻波段的放大效應明顯強于高頻波段的放大效應。同時，對比圍巖中隧道結構的高頻波段的放大效應，隧道拱頂位置處的地震波高頻波段占比出現明顯下降，據此分析得到，地震波在土層的傳播過程中高于8 Hz 的波段會被土層過濾。

圖7 方案2 隧道結構加速度傅里葉變換圖

獲得方案2 中隧道結構1/2 橫截面上部(位于巖層段)位置、1/2 橫截面下部(位于土層段)位置、隧道結構拱頂位置和拱底位置的加速度時程曲線，如圖8 所示。隧道結構的加速度響應與地震波時程曲線的峰值變化趨勢基本一致，通過對比結構不同位置的時程曲線分析，隨著地層埋設深度的減小，加速度的幅值也會逐漸增大，說明加速度在土巖層組合地層中的傳播規律依然具有放大效應。隨著地震波傳播過程由巖層逐漸過渡到軟土地層，波段中的頻率成分發生了明顯變化，這是由結構-土體相互作用場自振頻率的低頻率特性和長周期性所致，特別是在地震波低頻波段作用下，結構的低階振型更加趨向于軟土的振動特性。

圖8 方案2 隧道結構加速度時程曲線圖

根據方案1 和2 計算結果，提取得到隧道結構拱頂、拱腰(土巖地層結構取分界面段上、下兩部分)和拱頂位置處結構相對于基巖的加速峰值放大系數，如圖9 所示。

圖9 隧道結構加速度放大系數圖

在全粉質黏土地層中，隧道結構加速度放大系數由深到淺大致呈線性增加；方案2 中，在土巖分界面處，對比拱腰土巖過渡段隧道結構上、下兩側的加速度放大系數會在土巖界面處發生突變，隨著隧道測點逐漸過渡至拱頂位置，軟土側結構加速度放大系數斜率明顯增大，說明土巖組合場地使交界面范圍內隧道結構產生的放大效應更加顯著，從而導致結構位于軟土側的加速度響應更大，因此在土巖分界面出的結構抗震設計應引起高度重視。

3.3 結構內力響應分析

單一地層與土巖組合地層隧道結構內力值見表3，方案2 中隧道結構在土巖地層分界段處的內力值差異較大，處于軟土地層的結構會發生較為嚴重的破壞，且隧道結構最大內力值也出現在地層分界段范圍，可以看出，結構的內力最大值位于軟土一側，圍巖一側的內力較小。

表3 單一地層與土巖組合地層隧道結構內力表

對比方案1 和2 相同位置處隧道結構的應力響應曲線可知，由于圍巖使得隧道結構下部約束增強，土巖場地上、下土層間位移差值較方案1 單一土層場地增大，由圖10(a)的米塞斯(MISES)應力時程曲線可以看出，方案2 中軟土側隧道結構的應力明顯增大，不利于隧道的扛著設計。通過圖10(a)和(b)對比可知，與單一地層中隧道結構同一位置處相比，土巖過渡段處上下部隧道結構應力差值由22%增大至76%，過大應力差使結構內部產生次生應力，致使土巖分界面處隧道結構由壓彎破壞狀態轉變成彎剪破壞狀態。

圖10 隧道結構土巖分界面處MISES 應力時程曲線圖

全粉質黏土地層和土巖組合二元地層在地震波作用下隧道管片軸力、剪力和彎矩最大時刻對應的結構應力云圖如圖11 所示。方案1 中，隧道結構由地震動引起的剪力和彎矩的峰值則出現在結構的順時針45°軸線上，并關于45°軸線呈反稱分布。隨著地層深度的增加，地層施加于結構的強制位移會產生較大的剪應力，導致管片彎矩分布狀態與剪應力云圖大致相同，如圖11(c)和(e)所示。

由圖11(a)和(b)可以看出，隧道管片在地震波作用下結構是全截面受壓。

圖11 EL-Centro 波0.1g 加速度作用下隧道結構內力云圖

土巖組合地層中由于圍巖的剛度、剪切特性與粉質黏土具有較大差異性，由圖11 在相同地震荷載等級作用下隧道結構內力圖對比分析可得，在土巖地層分界段隧道結構的軸力、剪力和彎矩在此處發生了明顯的突變，軸力、彎矩云圖分布大致呈軸對稱分布。在隧道截面土巖分界面段兩側，土層段結構應力響應較大，原因在于土巖二元地層在地震作用時，隧道管片的主要變形是由周圍土層的變形引起的強制位移，特別是在地質參數剛度、密度等突變的地段，是造成結構應力突變的不利區域，因此隧道結構橫向抗震設計時應重點考慮地質條件突變的情形。

4 結論

以濟南盾構隧道穿越土巖二元地層為研究背景，根據隧道橫截面貫穿土巖交界面的不同地質條件設計了分析工況，并結合有限元模擬分析，主要得出以下結論:

(1)S 波作用下，對于相同的埋深條件，結構的加速度時程曲線在土巖二元地層中的傳播規律具有明顯的差異性，在分界面段有放大效應，經過傅里葉變換，土巖組合場地對地震波的不同頻段具有增強效應，表現為放大地震波中圍巖地層高頻6.0 ～8.0 Hz頻段和軟土地層低頻1.2 ～2.5 Hz 及中頻4.0～6.0 Hz頻段。

(2)由于隧道管片均為預制結構，處于土巖二元地層中的隧道橫截面，結構的變形、軸力、剪力和彎矩都會在土巖交界面段存在明顯的突變，并且隧道結構在軟土層部分產生的應力大于其在圍巖部分產生的應力，與單一地層結構同一位置處相比，土巖過渡段上、下部結構應力差值由22%增至76%，過大的應力差使結構內部出現次生應力，改變了隧道的破壞模式。在進行抗震設計時，應在地層剛度突變段對隧道結構采取抗震構造措施，增強結構局部剛度，提高隧道結構的抗震性能。