盾构隧道下穿河流段地震响应数值分析.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:中建基础科技研发课题()中建股份科技研发计划资助()作者简介:周 强()博士工程师主要从事地下工程工作:.文章编号:():./.盾构隧道下穿河流段地震响应数值分析周 强张继清齐春雨郭景琢马庆伟(.中国建设基础设施有限公司北京 .中国铁路设计集团有限公司天津.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室天津)摘 要:下穿河流段盾构隧道在地震作用下极易发生损坏 本文依托天津地铁某下穿河流段盾构隧道实际工况采用有限差分软件 进行数值模拟分别对该段隧道在地震作用下的应力反应规律相对水平位移反应规律以及加速度反应规律进行分析 结果表明:下穿海河段盾构隧道的最大主应力分布出现在河岸坡底部隧道管片上最大拉应力出现在左拱肩的位置而最大压应力分布在右拱肩以及左拱腰部地震作用下盾构隧道的拱肩以及拱腰应力分布较大同时河岸底部盾构隧道截面有开裂的危险 在 波作用下隧道相对位移最大值出现在拱顶位置关键词:盾构隧道动力响应有限差分位移时程中图分类号:.文献标识码:(.):.:引言近年来随着城市化水平的提高以及对地下空间开发及交通设施的需求增加我国地下轨道交通迅猛发展与此同时在隧道工程的建设过程中难免会遇到下穿河流湖泊的情况 年的墨西哥 大地震以及 年的阪神大地震水下盾构隧道都出现了极大程度的损伤以及开裂耿萍等利用三维有限元手段建立了水下三维有限元模型研究了隧道的纵向抗震性能陈贵红采用动力分析方法对沉管隧道的动力响应进行了分析发现地下水是地震作用增强的主要原因然而两者研第 期周强等:盾构隧道下穿河流段地震响应数值分析究均适用于浅埋隧道且土层性质较为简单沙明元等利用有限差分软件选取了水下较为复杂的典型土层断面模拟地震作用中盾构隧道及周围土体的地震响应然而研究只考虑了单一地震波同时并未指出盾构隧道中具体的加固方式陈国兴等以汕头海湾海底隧道为例考虑了盾构隧道竖井连接部位的三维非线性反应特性从机理上解释了水下隧道发生震害的原因在以上研究基础上本文以天津某地铁区间下穿河流段盾构隧道为例采用 有限元分析方法对盾构隧道在地震作用下的应力反应规律相对水平位移以及加速度水平位移进行分析 在此基础上对不同地震动幅值下的变形率进行验算 该研究成果可为盾构隧道下穿河流段的抗震设计提供有效依据三维有限元数值模型.模型建立以天津地铁 号线某盾构隧道下穿河流段为研究对象隧道衬砌外径 内径.衬砌厚度.隧道上覆土厚度为.为更好模拟该段盾构隧道在地震下响应选取该段隧道附近一个具有代表性的天津软土场地土层作为数值计算土层分布工程场地参数见表 表 典型土体钻孔剖面参数 层号定名厚度/重度/(/)弹性模量/泊松比黏聚力/内摩擦角/()粉质黏土.粉土.粉质黏土.粉土.粉质黏土.粉土.粉质黏土.粉质黏土.粉土.粉砂.粉质黏土.粉土.黏土.粉砂.粉质黏土.黏土.粉质黏土.粉土.黏土.粉砂.图 盾构隧道三维数值分析模型.数值计算采用有限差分法程序 其中模型宽度为 岸坡高度为 隧道顶面距河床表面.隧道地面距模型底部 模型长度共为 其中穿越河道长度为 双线隧道间距为 地基土和隧道均采用六面体实体单元模拟如图 所示 采用修正的 黏弹性动力本构模型模拟土的动力特性地铁盾构隧道模型采用弹性模型结构采用 混凝土其弹性模量为 泊松比.重度/纵向刚度等效比取.计算中使用了 中的局部阻尼其通过在振动循环中在节点上增加或者减小质量由于增加的质量和减小的质量相同因此整个系统质量守恒世 界 地 震 工 程第 卷当节点速度符号改变时质量增加当速度达到最大值或者最小值时质量减少 因此损失的能量 是最大瞬时应变能 的一定比例(/)此比例是率无关和加载频率无关的/是临界阻尼比 的函数:式中:为局部阻尼系数 为临界阻尼比本文中阻尼比选取为 因此局部阻尼系数设置为.(.)本文采用了模型底部固定四周分别约束对应水平位移上表面完全自由的边界条件在动力分析计算中采用了底部黏性边界模型四周设置为自由场边界既防止了边界上波的反射达到与无限场地相同的效果 通过土弹簧方式将土体的变形作用于隧道和竖井以模拟土结构相互作用.模型验证图 数值结果与理论公式对比.为验证数值计算模型的适用性采用时程分析方法在 中将模型底部视为基岩将目标地震动(波)施加在基岩上地震动经过传播施加到目标结构上 将结果与提出的评价隧道在地震作用下的最大弯矩的理论公式进行对比数值计算采用修正的 黏弹性动力本构模型模拟土的动力特性区间隧道结构弹性模量为.泊松比为.轴心抗压强度.轴心抗拉强度.采用横向等效刚度比按照.进行计算 选取天津某软弱地基土层进行计算厚度 重度 /弹性模量.泊松比.黏聚力.取自由场对应隧道埋深位置处最大剪应变带入理论公式计算分析 如图 所示两者吻合的较好证明了所建立数值模型的正确性与可靠性盾构隧道下穿河流段地震反应特性.下穿段盾构隧道在地震作用下应力反应规律根据天津市该段隧道地震安全评测结果基岩峰值加速度近似可取.、.和.其中:为重力加速度分别对应小震、中震与大震 数值模型中采用时程分析方法将模型底部视为基岩将目标地震动(波 波)施加在基岩上地震动经过传播施加到隧道结构 本文中选取河道中心底部()以及河岸底部()的 隧道截面进行分析如图 所示 图 选取的典型隧道截面位置示意图 图 隧道地震中典型最大主应力分布().()计算结果显示隧道的最大主应力出现在河岸底部隧道环上()其截面最大主应力分布如图 所示图中最大拉应力出现在左拱肩的位置而最大压应力分布在右拱肩以及左拱腰部分析结果表明盾构隧道的拱肩以及拱腰是地震作用下应力分布较大的位置通过分析盾构隧道在不同地震动下的最大最小主应力包络图如图 所示 在 波作用下河岸底部隧道截面()处出现了大拉应力其中在基岩输入地震动为.、.和.时最大拉应力分别为.、.和.在此时混凝土有开裂的风险而在河道底部()处则没有出现拉应力.地震动作用下最大压应力为.盾构隧道此时处于安全状态 在 波作用下河岸底部第 期周强等:盾构隧道下穿河流段地震响应数值分析隧道截面出现了大拉应力最大拉应力分别为.和.隧道处于安全状态 在天津某下穿海河段工程地质条件下盾构隧道的内力反应对 波较为敏感在这种主频范围的地震动作用下河岸底部盾构隧道截面有开裂的危险图 盾构隧道在地震作用过程中的主应力极值.下穿段盾构隧道在地震作用下相对水平位移反应规律图 地震中盾构隧道典型位移分布.对于沿海城市的软土地层在强震动作用下会发生较大的变形土的变形通过土结构物相互作用效应导致盾构隧道产生相应变形结构可能由于局部变形过大而发生损伤甚至会发生塑性变形而破坏 将地震动作用下地铁区间隧道不同高度处的相对水平位移时程与隧道底部的相对水平位移时程之差定义为隧道相对侧向位移 图 是地震作用中的盾构隧道的典型位移云图从图中可以看出:河道下方隧道由于上部地应力相对河岸较小导致河道下方隧道变形较大周围土体变形是直接影响地下结构反应的主要因世 界 地 震 工 程第 卷素本文以基岩输入 波为例探究下穿海河盾构隧道不同位置处(河道下河岸下)的相对侧移反应以及相同深度隧道附近土体和自由场土体位移反应 当区间隧道顶部与底部对应的土层深度处在相对位移绝对值最大时分别给出了对应于隧道高度的自由场侧向土层水平相对位移反应值随隧道高度的变化曲线如图 所示图 波作用下隧道产生的最大相对侧向位移.图 波作用下隧道附近土体与自由场位移时程对比.由隧道在地震过程中产生的最大相对侧移分布可以看出:随着基底输入加速度的增大隧道及土体位移以及隧道顶底的相对侧移增大 基岩输入 波时隧道顶底最大侧移发生在 范围内对于 波这类中低频成分较多的地震动隧道相对侧移反应随着距隧道底部距离增大而增大隧道相对侧向位移最大值出现在拱顶位置 河道下方的隧道相对侧移反应与河岸下方相差不大相对侧移反应在.之间对不同烈度地震作用下截面变形进行验算可以发现在 度地震作用下河道中间和坡脚下方隧道最大直径变形率分别为.和.小于我国地铁设计规范限值 满足规范要求在 度地震作用下河道中间隧道最大直径变形率为.小于规范限值 满足规范要求而坡脚下方隧道最大直径变形率为.大于规范限值需要适当提高隧道构件强度结论本文依托天津地铁某盾构隧道段实际工况采用 有限差分软件建立三维地层隧道模型利用动第 期周强等:盾构隧道下穿河流段地震响应数值分析力时程分析方法分别对该下穿河流段隧道在地震作用下的应力反应规律相对水平位移反应规律以及加速度反应规律进行分析得到如下结论:)地震作用下下穿河流段盾构隧道的最大主应力分布出现在河岸坡底部隧道管片上最大拉应力出现在左拱肩的位置而最大压应力分布在右拱肩以及左拱腰部盾构隧道的拱肩以及拱腰是地震作用下应力分布较大的位置 河岸底部盾构隧道截面有开裂的危险河谷对隧道应力的影响范围约 )所研究的工程地质条件下当输入中低频成分较多的 地震波时隧道相对侧移反应随着距隧道底部距离增大而增大隧道相对侧向位移最大值出现在拱顶位置)在 度地震作用下河道中间隧道最大直径变形率为.小于规范限值 满足规范要求而坡脚下方隧道最大直径变形率为.大于规范限值建议提高隧道构件强度参考文献:.:.:.:.:.杜修力 李洋 许成顺 等.年日本阪神地震大开地铁车站震害原因及成灾机理分析研究进展.岩土工程学报 ():.():.()耿萍 何川 晏启祥.盾构隧道纵向地震响应分析.西南交通大学学报 ():.():.()陈贵红.连拱隧道设计关键问题研究.成都:西南交通大学.:.()沙明元 申骞 王道远 等.强震区水下盾构隧道地震响应分析.公路工程 ():.():.()陈国兴 卢艺静 王彦臻 等.海底盾构隧道竖井连接部位三维非线性地震反应特性.岩土工程学报 ():.():.().:.王祖贤 施成华 龚琛杰 等.邻近车站(工作井)基坑开挖对下卧盾构隧道影响的解析计算方法.岩土力学():.().():.()张文彬 周海祚 郑刚 等.地铁车站与隧道连接处地震响应分析.地震工程学报 ():.():.().:.:.:.周海祚 郑刚 李笑穹 等.软土地铁结构非线性地震反应分析.天津大学学报(自然科学与工程技术版)():.()():.()地铁设计规范.北京:中国标准出版社.:.()/地下结构抗震设计标准.北京:中国建筑工业出版社./.:.()