武康大道隧道結構橫斷面抗震計算分析

殷建國，楊司盟，上官士青

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100007)

隧道工程作為國家生命線工程，抗震計算分析是隧道工程重要設計內容之一。本文以簡州新城武康大道隧道結構為例，利用反應位移法對隧道進行抗震分析。

1 工程概況

成都市簡州新城武康大道，位于簡州新城核心區內（簡陽市養馬鎮板板橋村）,是核心區內一條呈北西-南東走向的城市主干路。擬建隧道工程總長約1.903km，主要位于擬建的武康大道（三溪路-簡州大道）道路下，隧道里程為K0+395-K2+298。其中單層隧道敞開段263m，單層隧道暗埋段1550m，雙層隧道敞開段10m，雙層隧道暗埋段80m。

隧道敞開段采用U 形槽結構，暗埋段采用矩形箱涵結構。標準暗埋段隧道凈寬18.4m，凈高5.5m，隧道工程大部分范圍采用天然地基上的淺基礎方案。根據勘察資料，地道沿線分布的地層由人工填土、③1 淤泥質粉質粘土和坡殘積粉質粘土及基巖組成。擬對基坑底的人工填土、③1 淤泥質粉質粘土和③3 膨脹性黏土進行換填處理或加固處理。軟弱土層厚度≤4m 時，本工程采用級配砂礫石回填，采用分層壓實，壓實系數不小于0.96；軟弱土層厚度＞4m 時，采用單軸攪拌樁方案進行地基處理。單軸攪拌樁采用直徑600，攪拌樁水泥摻入量為20%（空攪部位8%），水灰比0.5。

隧道工程采用②1 層可塑性粉質黏土、③2 層可塑性粉質黏土、④2 強風化泥質砂巖或④3 中風化泥質砂巖作為基礎持力層。

2 反應位移法的基本原理

反應位移法將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧，采用梁單元模擬隧道結構，考慮土層相對位移、結構慣性力和結構周圍土體剪力。在地震作用下，計算得到結構周圍土體的最大位移，并作用于模擬土體的壓縮彈簧及剪切彈簧端部。結構自身的慣性力，根據結構物的質量與地震最大加速度進行計算，并作用于結構單元形心處。結構四周土層剪力，根據剪應力互等原理，與地震作用下結構上下表面剪力相等。

3 計算分析

3.1 簡圖及荷載組合

由于隧道工程結構斷面形式簡單并處于均質地層，覆蓋地層厚度不大于50m，復核反應位移法采用橫斷面地震效應計算。隧道工程計算采用二維橫斷面計算，取單位長度隧道結構進行建模，按實際尺寸取值，斷面如圖1 所示。

圖1 主體結構暗埋段土層示意

根據現行荷載規范及地下結構抗震規范，針對施工階段和使用階段可能出現的最不利情況進行多工況驗算，包含基本組合工況、標準組合工況、準永久值組合工況、基本地震工況以及罕遇地震工況共5 個荷載組合工況。分項系數根據相關規范要求進行如下取值：基本組合工況荷載組合=1.1×1.3×永久荷載+1.1×γL×0.7×1.5×可變荷載；標準組合工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.0×可變荷載；準永久值組合工況荷載組合=1.0×永久荷載+ψq×1.0×可變荷載；基本地震工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.3×地震荷載；罕遇地震工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.0×地震荷載。其中，ψq 為準永久值系數，γL 為可變荷載考慮設計使用年限的調整系數。

3.2 土層參數

側墻結構所在土層的重度γ、內摩擦角Φ、粘聚力C 詳見表1，計算模型中土層參數均采用加權平均值。

表1 土層參數表

3.3 反應位移法荷載計算

3.3.1 靜力荷載

地震工況與基本組合使用工況一致。

3.3.2 地震荷載--土層相對位移及等效地震荷載計算

基本地震工況：重現周期為475 年的地震動峰值加速度為0.05g。依據《地下結構抗震設計標準》5.1.3-2條及《城市軌道交通結構抗震設計規范》條文說明5.2.4條，地震動峰值位移umax=0.033m。依據規范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震動峰值位移umax=0.03m。取兩者中較大值進行計算，umax=0.033m。場地覆蓋層厚度為17.5米，H=17.5m。

罕遇地震工況：重現周期為2475 年的地震動峰值加速度為0.12g。依據《地下結構抗震設計標準》5.1.3—2 條及《城市軌道交通結構抗震設計規范》條文說明5.2.4條，地震動峰值位移umax=0.08m。依據規范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震動峰值位移umax=0.08m。取兩者中較大值進行計算，umax=0.08m。場地覆蓋層厚度為17.5 米，H=17.5m。

計算基本地震工況各彈簧支座絕對位移、相對位移及等效地震荷載，結果見表2，其中假定底板處相對位移為0.00m。

表2 土層相對位移及等效地震荷載結果表

3.3.3 地震荷載——隧道結構剪力計算

采用反應位移法計算土層位移，通過土層位移微分確定土層應變，最終通過物理關系計算土層剪力。主體結構頂板與覆土作用剪力由下式確定：，其中G——土體的動剪切模量；ρ為土的質量密度，γxz為土體的剪切波速。γxz——土層應變；經計算可得，隧道頂板及底板處動剪切模量Gd=29.0MPa；

3.3.4 地震荷載——隧道結構慣性力計算

4 計算結果

4.1 基本地震工況及罕遇地震結構變位圖

地震工況的計算結果如圖2-3 所示，并進行隧道結構構件的承載力驗算。與基本組合、標準組合以及準永久值組合工況計算配筋進行對比，主要構件的計算結果及承載力驗算結果見表3，非抗震工況下的結構配筋滿足抗震要求。

圖3 罕遇地震結構變位圖（cm）

表3 主要構件的計算及承載力驗算結果表

4.2 隧道結構變形驗算

根據基本地震工況計算結果，暗埋段基本地震作用最大水平彈性位移為0.0036m，結構層高約為6.35m；敞開段基本地震作用最大水平彈性位移為0.003m，結構層高約為，滿足要求。

根據罕遇地震工況計算結果，暗埋段罕遇地震作用最大水平彈性位移為0.0084m，結構層高約為6.35m；敞開段計算結果中罕遇地震作用最大水平彈性位移為0.005m，結構層高約為，滿足要求。

5 結論

經上述計算分析，在基本地震工況下，結構處于彈性工作階段，構件承載力及樓層內最大的彈性層間位移滿足抗震計算要求；在罕遇地震工況下，樓層最大的彈性層間位移滿足抗震計算要求；相應隧道結構滿足抗震要求。與非抗震工況相比，抗震工況不起控制作用，隧道結構主要由標準組合使用工況控制。