明挖隧道地震響應計算及關鍵性問題淺析

華中良 刁慶樂

摘要 目前地下結構的地震反應和抗震設計越來越受到重視。文章采用時程分析法對某明挖隧道工程中標準段及橋隧共建節(jié)點、頂板開孔節(jié)點進行了地震響應計算，并對計算結果進行了比較和分析，對類似工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞 明挖隧道；橋隧共建；頂板開孔；地震響應計算；時程分析法

中圖分類號 U231.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0023-04

0 引言

在1995年日本阪神大地震中，共有5座地鐵車站及區(qū)間隧道遭受了不同程度的損壞，顛覆了此前對地下結構抗震性能良好的認知，從而引起了業(yè)內對地下結構抗震的重新思考，開啟了新一輪研究熱潮。

隨著對地下結構抗震研究的不斷深入，我國的地下結構抗震設計標準體系逐漸完善，國家和地方頒發(fā)了相應的設計標準[1-2]。但地下結構的發(fā)展速度很快，建設規(guī)模日益增大，新的結構體系不斷涌現(xiàn)，抗震研究方面仍然相對滯后。該文以某明挖隧道工程為例，采用時程分析法對其標準段和特殊節(jié)點進行了詳細的地震響應計算和分析，對于類似工程具有一定的參考意義。

1 依托項目概況

某明挖隧道工程總長度約3 km，結構形式包括敞開段、單層兩孔箱涵和四孔箱涵等。單層四孔箱涵及橋隧共建節(jié)點（橋梁為雙向兩車道規(guī)模，因隧道較寬，橋墩立于隧道中隔墻上）和頂板開孔特殊節(jié)點（考慮通風要求）分別如圖1～4所示。

2 工程地質和水文地質

（1）工程地質。根據(jù)勘察報告，擬建場地主要為正常沉積區(qū)，局部涉及古河道沉積區(qū)。擬建場地在勘察深度范圍內，按其沉積年代、成因類型及物理力學性質的差異，可劃分為7個大層、若干亞層，各土層的一般物理力學參數(shù)見表1。

（2）場地類別劃分。根據(jù)勘察報告，擬建場地的地貌單元為濱海平原類型，覆蓋層厚度大于80 m，淺部場地土的類型屬軟弱土，場地類別為Ⅳ類。

3 抗震設防目標

該工程結構安全等級為一級，設計工作年限為100年，抗震等級為二級，抗震設防烈度為7度。根據(jù)《地下結構抗震設計標準》[1]，抗震設防分類為重點設防分類（乙類）。

4 地震響應計算及分析

4.1 標準段地震響應計算及分析

下面以單層四孔箱涵為例進行分析。結構混凝土強度等級為C35，采用動力時程法分析。采用殼-彈簧三維模型計算，其中殼單元模擬地下結構，彈簧單元模擬結構和地基土之間的相互作用，法向彈簧為單向受壓彈簧，切向彈簧為雙向彈簧。地震波在模型底部輸入，采用上海人工波、EI-Centro波和Kobe波。考慮設防烈度地震、罕遇地震兩個水準的工況，其地震波峰值加速度分別為100 cm/s2和220 cm/s2。地震波加速度時程曲線如圖5～7所示，計算模型如圖8所示：

從表2～3可以得出以下結論：

（1）明挖隧道由于在使用階段需要抵抗較大的水土壓力、覆土荷載等，其結構尺寸、配筋一般較大，地震工況一般不控制結構設計。《地下結構抗震設計標準》[1]考慮地下結構受損后影響面大且修復困難，且很多也是抗震救災的基礎設施，對于乙類地下結構提高為“中震不壞，大震可修”，但是因為地震工況不控制結構設計，這種“提高”對于提高明挖隧道的抗震性能沒有意義。

（2）中隔墻為明挖隧道的主要豎向受力構件，靜力工況下在結構對稱時一般尺寸相對較小，且僅按構造配筋。但在地震工況下，其承載力安全度最小，因此中隔墻是抗震薄弱部位，特別是抗震設防烈度較高時應予以重視。

4.2 橋隧共建節(jié)點地震響應計算及分析

4.2.1 計算模型

依據(jù)相關規(guī)范[1-2]、地勘資料及前人研究成果[3-5]，計算模型高度取為70 m，寬度取為500 m。計算模型底部邊界為豎向固定，側向邊界采用自由場邊界，頂部邊界自由。隧道結構用殼單元模擬，橋梁墩柱采用桿單元模擬，場地土體采用三維實體單元模擬。為了與實際情況一致，設定隧道與周圍土體變形協(xié)調。計算模型見圖9所示。

地震波及其加速度時程曲線同標準段。考慮設防烈度地震和罕遇地震兩個水準的工況。

4.2.2 計算結果分析

地震對地上結構影響最大的是慣性力，而地下結構主要受周圍巖土的影響。對于橋隧共建節(jié)點，上部高架橋的慣性力必然給下部隧道的地震響應帶來影響，下面分別統(tǒng)計了橋隧共建和不共建時的隧道頂板加速度峰值值、內力和層間位移角（圖10為僅地震作用下的彎矩標準值）。

從圖11及表4～6可以看出，橋隧共建改變了明挖隧道以往地震工況下的受力模式，由于高架橋慣性力的影響，橋隧共建節(jié)點處的隧道頂板加速度峰值、內力及層間位移角明顯較標準段大。前述標準段分析表明，地震工況一般不控制結構設計，但是橋隧共建節(jié)點內力和變形均明顯大于標準段，抗震分析時應重點研究，保證地震工況下的結構安全。

4.3 頂板開孔節(jié)點地震響應計算及分析

樓板開孔對于地上結構的地震響應有一定影響。為研究樓板開孔對地下結構地震響應的影響，下面對結構頂板開孔段進行了地震響應的計算及分析。

4.3.1 計算模型

計算模型尺寸、邊界條件等同橋隧共建節(jié)點，頂板開孔及結構尺寸詳見圖3～4。地震波在模型底部輸入，地震波及其加速度時程曲線同標準段。同樣考慮設防烈度地震和罕遇地震兩個水準的工況。

4.3.2 計算結果分析

表7～8分別為頂板開孔段結構內力（彎矩）最大值和層間位移角：

從表7～8與表2～3對比看，頂板開孔對于隧道頂板的內力和層間位移角基本沒有影響，開孔兩側的橫梁和縱梁基本可以保證隧道結構在抗震工況下的整體性。

5 結語

該文對某明挖隧道的單層四孔箱涵標準段以及橋隧共建、頂板開孔等特殊節(jié)點進行了地震響應計算及分析，結論如下：

（1）明挖隧道由于在使用階段需要抵抗較大的水土壓力、覆土荷載等，其結構尺寸、配筋一般較大，地震工況一般不控制結構設計。

（2）由于高架橋慣性力的作用，橋隧共建節(jié)點處的隧道頂板加速度峰值、內力及層間位移角明顯較標準段大，抗震分析時應重點研究，保證地震工況下的結構安全。

（3）對于頂板開孔段，開孔兩側的橫梁和縱梁基本可以保證隧道結構在抗震工況下的整體性，頂板開孔對于隧道頂板內力和層間位移角基本沒有影響。

參考文獻

[1]地下結構抗震設計標準： GB/T 51336—2018[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2018.

[2]建筑抗震設計規(guī)范： GB 50011—2010（2016年版）[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2016.

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[4]王平， 楊其新， 蔣雅君， 等. 明挖地鐵車站抗震設計內力分析方法比較[J]. 城市軌道交通研究， 2015（8）： 92-97.

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