土海底沉管隧道体系三维地震响应分析

张如林+楼梦麟+袁勇

文章编号：16742974(2014)04002508

收稿日期：20130607

基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2011BAG07B01）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（13CX02087A）；中国石油大学科研启动基金资助项目（Y1215040）

作者简介：张如林（1983-），男，山东冠县人，中国石油大学（华东）讲师，博士

通讯联系人，E-mail:lml@tongji.edu.cn

摘要：以港珠澳大桥工程中大型海底沉管隧道为工程背景，根据工程场地土层地质实际分布情况，建立了沉管隧道上方无回淤土和有回淤土两种计算条件下的土沉管隧道体系的大型三维精细化有限元计算模型.在计算模型中考虑了沉管接头非线性、土与隧道间的接触非线性和土层介质非线性等特征.采取直接从基岩面输入一致地震和地震行波两种激励方式，运用动力显式算法对土沉管隧道体系进行地震响应分析.数值结果表明，回淤土体减小了模型的自振频率，增大了隧道的地震响应；不同地震波激励形式和激励方向对隧道接头的相对变形和管节内力响应的影响不容忽视.

关键词：沉管隧道；柔性接头；地震响应；内力；相对位移



中图分类号：TU435 文献标识码：A

ThreedimensionalSeismicResponseAnalysis

ofSoilunderseaImmersedTunnelSystem



ZHANGRulin1,2,LOUMenglin1,YUANYong3

(1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniv,Shanghai200092,China;

2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUnivofPetroleum,Qingdao,Shandong266555,China;

3.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation，TongjiUniv，Shanghai200092,China)

Abstract:AccordingtothelargescaleunderseaimmersedtunneloftheHongKongZhuhaiMacaoBridge,andbasedontheactualsitesoilgeologicaldistribution,threedimensionalrefinementFEMmodelswerebuiltconsideringthesiltationabovethetunnelwithandwithoutsiltation.Thenonlinearcharacteristicofflexiblejoints,thenonlinearcontacteffectbetweenthesoilandtunnel,andthenonlinearbehaviourofsoilmaterialwerealltakenintoaccountinthecalculationmodel.Withuniformexcitationandtravellingwaveexcitationinputdirectlyonthebedrocksurface,theearthquakeresponseanalysisofsoilimmersedtunnelwasconductedwiththedynamicexplicitalgorithm.Numericalresultshaveshownthattheexistingsiltationsoilabovethetunnelreducesthenaturalfrequencyofsoilimmersedtunnelsystemandincreasestheseismicresponseoftunnel.Theexcitationmodeandexcitationdirectionofseismicwavealsohavecertaininfluenceontherelativedeformationofflexiblejointsandtheinternalforceresponseoftunnel,whichcannotbeignored.

Keywords:immersedtunnel；flexiblejoint；seismicresponse；internalforce；relativedisplacement



据不完全统计，目前世界范围内已修建了百余座海底沉管隧道，中国已经建成的有10多座.为了减少由于温度、不均匀沉降等因素引起的内力，沉管隧道一般由多节混凝土管节连接而成，接头一般设计为半柔或全柔性，接头部位往往是最薄弱的环节.沉管隧道的抗震设计目标就是要求接头有足够的变形能力以保证隧道的水密性.地震发生时，强烈的地震作用将影响沉管地基土体的稳定性，可能会造成接头处拉伸破裂，一旦遭到水淹造成破坏，将产生灾难性后果且修复十分困难，因此对沉管隧道进行地震响应分析，研究其抗震性能十分重要.由于沉管隧道建设历史较短，还未见到沉管隧道地震时遭受严重破坏的文献或报道[1].

鉴于土海底沉管隧道体系的复杂性，进行模拟振动台模型试验难度较大，可采用数值方法进行研究.近年来，国内外学者基于质量弹簧模型和三维有限元法对沉管隧道的抗震问题进行了研究.质量弹簧模型首先由日本学者田村重四郎和冈本舜三提出[2]，之后得到广泛应用.Anastasopoulos等[1]采用梁弹簧模型对深水条件下沉管隧道的非线性抗震性能进行了研究.Lyngs[3]采用不同计算模式对沉管隧道的抗震精度进行了比较分析.Oorsouw[4]研究了地震作用下隧道采用不同接头形式时接头部位的力学性能和变形特点.Choshiro等[2]总结了日本所建沉管隧道的抗震设计情况，建议沉管隧道采用柔性接头.国内韩大建等[5]、严松宏等[6]分别采用质量弹簧简化模型对沉管隧道的抗震性能进行研究.在采用简化模型时，土层弹簧刚度的取值存在不确定性，土体和隧道及隧道接头连接部分做了一定简化，与三维计算结果可能会有较大差异[7].金先龙等[8]采用显式有限元方法，建立了包括地基土体、沉管隧道以及柔性接头在内的全三维模型进行分析，但其计算量较大，不适用于超长沉管隧道[7].

本文以港珠澳大桥工程中的海底沉管隧道为研究背景，选取处于地质地形复杂多变的斜坡段隧道管节，建立土沉管隧道体系三维精细化有限元数值分析模型，探讨沉管隧道的纵向地震响应的特点.

1动力显式有限元方法

地震激励时结构体系动力反应的控制方程为：

Mu¨t+Ct+Kut=p(t)．（1）

式中:M,C和K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;t，u¨t和ut分别为节点的加速度、速度和位移向量;p(t)为作用于结构上的等效地震荷载向量.

采用中心差分方法即可完成对运动平衡方程式（1）的逐步积分求解:

u¨t=1Δt2ut-Δt-2ut+ut+Δt,（2）

t=12Δt-ut-Δt+ut+Δt.（3）

将式（2）和式（3）分别代入式（1），整理后得：

ut+Δt=t．（4）

式中:K和t分别为有效刚度矩阵与有效荷载向量，其表达式如下：

=1Δt2M+12ΔtC，

t=Ft－K－2Δt2Mut－

1Δt2M－12ΔtCut－Δt．（5）

如果记：

D1=1Δt2M+12ΔtC，

D2=K－2Δt2M，

D3=1Δt2M－12ΔtC．（6）

则式（4）可写为：

ut+Δt=D1－1Ft－D1－1D2ut－

D1－1D3ut－Δt.（7）

当采用集中质量矩阵，并假定阻尼矩阵与质量矩阵成比例时，显然D1和D1-1为对角阵.根据式（7），若已知ut－Δt和ut，不必求解线性代数方程组便直接解出ut+Δt，进而据式（2）和式（3）解出t时刻的速度和加速度，这是基于时间的递推公式.由于土沉管隧道体系计算规模巨大，采用上述显式时域数值积分方法能显著提高计算效率.

海底隧道一般沿管道纵向的方向较长，在分析这类结构的地震响应问题时，还需要考虑地震波沿隧道纵向行进传播时所带来的影响.本文在建立地震动多点激励下结构体系的动力平衡方程基础上，分析土隧道体系的多点激励地震响应.

2工程算例

2.1工程概况

港珠澳大桥工程中海底沉管隧道部分长约5664m，加上东、西人工岛各有敞开段（398m）和暗埋段（163m），全长共约6786m.沉管隧道采用节段式，整个海底沉管隧道共有33个管节，其中每个标准管节长度为180m，由8个长为22.5m的节段组成，节段和节段以及管节和管节之间全部采用柔性连接.整个隧道沿沉管纵向布置如图1所示.



图1沉管隧道典型断面

Fig.1Typicalsectionofimmersedtunnel

鉴于整个隧道全长将近7km，如果建立包含全部隧道管节的土隧道体系三维精细化整体模型进行分析，则计算规模将会十分巨大，为此本文选取典型管节建立局部精细化数值模型进行研究.考虑到E27管节（E代表管节）下方场地土层的地质地形条件变化较大，且基岩面有明显起伏，本文按照工程场

地实际地质钻孔情况建立三维精细化有限元模型，重点考察E27管节两端的管节接头EJ28/27和EJ27/26(EJ表示管节接头，以下称“大接头”）的地震响应特点.为综合考虑邻近管节的相互作用，在E27管节的两侧各增加2个管节（分别为E25,E26和E28,E29）一起进行建模.E25～E29管节所在区域土层分布如图2所示，所在场地的典型横断面如图3所示.



图2研究区域放大图

Fig.2Enlargedview



图3典型横断面图

Fig.3Typicalcrosssectionaldiagram



2.2有限元模型及材料参数

本文采用大型动力非线性分析软件LSDYNA进行数值计算分析.数值建模时，针对不同部位的受力特点和材料性质采用不同单元类型进行模拟，采用壳体SHELL单元模拟沉管隧道管节，采用六面体实体SOLID单元模拟土体，采用BEAM梁单元模拟控制沉降桩，采用弹簧COMBIN单元模拟管节之间的柔性接头在地震作用时的拉伸和压缩变形特征.

选择合理的土体区域范围和边界设置是进行土与结构动力相互作用分析的重要环节.在进行土隧道体系地震响应分析时，土体截取范围越大，就越接近于实际情况.实际中往往受计算规模限制，分析时截取足够大的土体范围是较为常见的做法.本文采用远置边界，由于研究范围内隧道端部的E29和E25两个管节共长360m，接近E27管节下方土层最大深度（61.8m）的6倍，满足远置边界对土层范围截取的要求[9]，可以保证中间3个管节E26，E27和E28计算结果的正确性.

分别建立隧道上方土体回淤之前和回淤之后的有限元模型，其中回淤之后的数值模型共有664422个单元，670095个节点,如图4所示.图中，X轴为沿横断面的水平方向（简称横向），Y轴为沿隧道轴线的水平方向（简称纵向），Z轴为竖向.



图4沉管隧道回淤后三维有限元模型



Fig.4Threedimensionalmodelwith

siltationabovetheimmersedtunnel



根据港珠澳桥隧工程项目设计，标准隧道管节的横断面采用2孔1管廊形式，宽37.95m，高11.40m，管廊顶板厚1.60m，底板厚1.70m，其他处顶板和底板厚度均为1.50m，侧墙厚1.50m.计算中采用的隧道结构管节和桩体的材料参数如表1所示.根据工程勘察设计资料，选取了土层介质的相关计算参数，如表2和表3所示.

表1隧道结构和桩体材料参数

Tab.1Parameteroftunnelstructureandpile

位置

弹性模量/MPa

泊松比

密度/(kg•m-3)

隧道管节

34500

0.2

2500

桩体

20600

0.2

2700

表2土层计算参数

Tab.2Calculationparameterofsoilsite

土性描述

土层底部

深度/m

层厚

/m

剪切波速

/(m•s-1)

密度

/(kg•m-3)

淤泥质粉粘

11.0

2.75

123

1770

粉质粘土

16.45

5.45

180

1870

粉质粘土

26.45

10.0

269

1870

粉质粘土

36.45

10.0

269

1870

粉质粘土

39.1

2.65

269

1870

粗砂

44.8

5.7

437

2220

细砂

48.7

3.9

370

2070

粉土

52.4

3.7

356

1890

粉质粘土

54.8

2.4

359

1870

细砂

58.2

3.4

350

2070

粗砂

63.5

5.3

391

2220

中风化花岗岩

64.5

1.0

715

2100

表3回填土体材料参数

Tab.3Materialparameterofbackfillsoil

土体类型

弹性模量

/MPa

泊松比

波速

/(m•s-1)

密度

/(kg•m-3)

一般回填碎石

278

0.2

235

2100

碎石垫层

120

0.2

150

2200

锁定回填碎石

233

0.2

210

2200

碎石保护层

233

0.2

210

2200

回淤淤泥

60

0.42

118

1500

本文采用等效线性化方法来考虑场地土体的动力非线性特征.隧道和土体之间的材料性质差异较大，地震作用下两者可能会出现相对滑移和脱离.本文采用对称罚函数接触算法模拟隧道与土体之间的动力接触效应，分析时土体和隧道之间的摩擦因数取0.3.

2.3柔性接头参数

相邻管节之间的大接头是影响沉管隧道安全使用的关键问题，也是沉管隧道的关键技术所在.沉管柔性接头常采用GINA止水带，其基本材质为橡胶，橡胶是高度非线性的弹性体，其应力应变关系较为复杂.GINA止水带的力位移压缩曲线为非线性形式，为简化计算，本文采用两阶段折线型的力位移压缩曲线来代替，其中管段间大接头的转折处位移为0.13m，管节间小接头的转折处位移为0.005m.根据简化之后的力位移压缩关系，采用非线性弹簧单元建立接头模型.大、小接头（节段之间的接头）两折线的刚度参数见表4.可以看出，小接头的刚度系数要比大接头的刚度系数大.

表4柔性接头GINA刚度参数

Tab.4GINAstiffnessparameterofflexiblejoint

接头类型

GINA型号

第1阶段刚度

/(N•m-1)

第2阶段刚度

/(N•m-1)

大接头

32037060

3.38E+08

2.86E+09

32037065

4.20E+08

3.54E+09

小接头

—

6.42E+10

4.42E+13

剪力键是沉管隧道接头的重要组成部分.为了承受地震作用引起的剪力，需要在接头部位设置一定数量的剪力键以确保管节的地震安全性.其中，大接头采用钢剪力键，小接头采用混凝土剪力键，每个接头处剪力键又分为横向剪力键和竖向剪力键.不同方向剪力键的材料及刚度参数见表5.

2.4输入地震波与激励方式

本文在建模时充分考虑了场地实际地形地质条件，直接从土层下卧基岩面输入地震波进行隧道地震响应分析.计算中选取120年超越概率10%的最大设计地震作用进行分析，其中沿隧道纵向和竖直向的峰值加速度分别为147.5和95.9cm/s2，时程曲线分别如图5所示.地震激励方式分别采用一致输入和行波输入.其中，沿纵向一致输入、行波输入时均采用图5（a）所示地震波；沿纵向和竖向同时一致激励时，纵向和竖向激励分别采用图5（a）和（b）所示地震波.

表5剪力键参数

Tab.5Parametersofshearkey

剪力键种类

方向

材料

刚度/(N•m-1)

钢剪力键

水平

垂直

橡胶支座

7.89E+08

钢

1.33E+11

橡胶支座

7.89E+08

钢

1.03E+11

混凝土剪力键

水平

垂直

橡胶支座

7.89E+08

混凝土

3.91E+10

橡胶支座

7.89E+08

混凝土

4.37E+10

t/s(a)沿隧道纵向

t/s(b)竖向

图5地震波加速度时程曲线

Fig.5Accelerationtimehistoryofseismicwave



本文在建模时所截取的土体范围足够大，根据作者研究，可以采用远置边界.在采用远置边界时，边界上节点的约束情况根据地震波激励方向不同而不同，具体如下：1）当地震波激励方向沿隧道纵向输入时，根据对称性条件，左右两侧边界采用正对称约束，即约束该边界所有节点的X向自由度；前后两端边界采用反对称约束，即约束该边界所有节点的X和Z向的自由度，底部固定.2）当地震波激励方向沿隧道纵向和竖向同时输入时，根据对称性条件，左右两侧和前后两端边界的所有节点均约束X向自由度，底部固定.

3计算结果分析

3.1回淤土的影响

这一部分通过线性分析讨论沉管隧道上方回淤土对沉管隧道计算体系和地震响应的影响.

3.1.1对土隧道体系自振频率的影响

定义e为回淤后体系自振频率变化程度：

e=f回淤后－f回淤前f回淤前×100%.（8）

表6列出了回淤前和回淤后土隧道体系的前5阶自振频率及相应的e值.

表6土隧道体系前5阶自振频率

Tab.6Thefirstfivenaturalfrequencyofsoiltunnelsystem

频率阶数

回淤前自振

频率/Hz

回淤后自振

频率/Hz

e/%

1

1.197

1.197

-1.50

2

1.179

1.181

-1.34

3

1.301

1.208

-7.15

4

1.305

1.262

-3.30

5

1.351

1.264

-6.44

表6中e为负值表明，隧道上方的回淤土减小了土隧道体系的自振频率，这说明在地震响应中，隧道上方回淤土体的惯性效应大于其弹性效应.

3.1.2对土隧道体系地震响应的影响

在图5（a）地震波沿隧道纵向激励下，回淤前，大接头EJ28/27和EJ27/26沿隧道纵向方向的最大相对位移（拉伸变形）分别为5.9和5.4mm；回淤之后，大接头EJ28/27和EJ27/26纵向最大相对位移（拉伸变形）分别为2.9和15.6mm.可见大接头EJ28/27的纵向最大相对位移减小了约一半，但是大接头EJ27/26处变化明显，增加了1.89倍.从工程安全性角度来看，回淤之后，大接头EJ27/26的拉伸变形达到最大，此时该接头应为起控制相对变形的位置.

由此可见，地震作用下回淤土体会带动隧道一起运动，增大了隧道接头处的变形，从隧道抗震角度来讲是不利的，使得结构偏于不安全.

3.2地震激励方式的影响

本文一共设计了4种地震激励计算工况，分别为地震动沿隧道纵向一致水平激励，沿纵向视波速分别为2000和3000m/s的水平行波激励，以及地震动沿纵向和竖向同时一致激励的情况，并且将它们分别记为工况1、工况2、工况3和工况4，如表7所示.输入的地震波时程前面已有说明.

表7计算工况

Tab.7Thecalculationconditions

地震波

工况1

工况2

工况3

工况4

激励方向

纵向

纵向+竖向

纵向

纵向

激励方式

一致输入

一致输入

行波2000m/s

行波3000m/s

3.2.1对管节间接头相对变形的影响

表8为2个大接头的纵向最大相对位移.

由表8可知，柔性接头处的纵向最大相对位移受地震动激励方式影响较大.其中，在地震动沿纵向和竖向同时激励下，大接头EJ27/26和EJ28/27的纵向相对位移达到最大，分别为13.7和17.6mm，相比只考虑纵向激励时有明显增加.因此，沉管隧道的柔性接头部位是地震响应重点分析的对象，而且竖向地震作用的影响不可忽视.

表8大接头纵向最大相对位移汇总

Tab.8Therelativelongitudinal

displacementofbigjointmm

工况1

工况2

工况3

工况4

EJ27/26

5.9

12.2

9.3

13.7

EJ28/27

2.9

14.6

10.7

17.6

图6分别给出了4种计算工况下2个大接头相对位移时程的对比情况.由图6可知，在工况1，同一时刻2个大接头的变形状态有所不同，一个大接头处于受压状态时，另一个大接头处于受拉状态.而在其他工况下，2个大接头的地震响应情况和工况1有所不同，在较长时间内都处于拉伸状态.这说明行波激励引起的竖向地震动分量增大了接头的纵向拉伸变形，并且竖向和水平向同时激励时的工况对接头的拉伸变形影响最为不利.

t/s（a）输入工况1

t/s（b）输入工况2

t/s（c）输入工况3

t/s（d）输入工况4

图6大接头纵向相对位移时程比较

Fig.6Relativelongitudinaldisplacementofbigjoint

3.2.2对接头剪力键剪力的影响

除了接头处的相对变形之外，还应关心隧道的内力响应，为隧道的抗震设计和验算提供依据.地震作用下隧道上的剪力主要由接头处的剪力键来承担.

给出大接头EJ27/26和EJ28/27的剪力响应峰值，以及每段管节上8个节段间所有小接头剪力键的剪力响应峰值，如表9所示.其中，剪力值为整个断面上所有剪力键的剪力之和，横向剪力是指沿X轴方向的剪力，竖向剪力是指沿Z轴方向的剪力.

表9接头处剪力响应峰值汇总

Tab.9Thepeakshearforceofjoint

位置

工况1

工况2

工况3

工况4

竖向剪力/MN

EJ27/26

0.89

0.63

1.45

2.07

EJ28/27

0.39

0.31

0.34

0.29

E26小接头

1.31

1.36

1.42

5.14

E27小接头

0.99

1.41

1.42

3.52

E28小接头

0.37

0.36

1.40

0.44

横向剪力/MN

EJ27/26

0.61

0.58

0.40

1.32

EJ28/27

0.42

0.43

0.71

1.01

E26小接头

1.81

1.38

1.35

0.94

E27小接头

1.63

1.57

1.66

1.80

E28小接头

1.13

1.05

1.14

1.28

从表9可以看出，隧道中大、小接头处的剪力地震响应与计算工况关系较大.在地震动沿纵向一致水平激励下，最大竖向剪力为1.31MN，发生在E26管节中的小接头上；在行波波速3000m/s地震激励时达到1.45MN，出现在大接头EJ27/26处；同时考虑竖向和纵向地震动激励时，剪力增大到5.14MN，发生在E26管节上的小接头，需要引起特别的注意.还可以看出，各种工况下最大横向剪力差别不大.

综合来看，同时考虑纵向和竖向激励时对剪力响应有一定影响，使得横向剪力有所减小，但变化有限，而引起的竖向剪力变化较显著，相比不考虑竖向分量激励时增加了2.9倍，应引起特别重视.

3.2.3对管节内力的影响

对前面4种计算工况下隧道管节的轴力和弯矩地震响应峰值结果进行汇总，如表10所示.其中，轴力是指沿隧道纵向Y轴的轴力，横向弯矩是指绕横轴X轴的弯矩，竖向弯矩是指绕竖直轴Z轴的弯矩.轴力、横向弯矩和竖向弯矩分别是指隧道管节整个断面的轴力、横向弯矩和竖向弯矩.

为更好地表明各种工况下隧道内力地震响应峰值的发生位置，这里将每个管节上8个节段沿纵向（即Y轴正方向）分别用序号1至8表示，如E281表示管节E28上的第1个隧道节段，即最靠近管节E28和E29间大接头的位置；E288表示管节E28上的最末隧道节段，即最靠近管节E27和E28间大接头的位置.

表10隧道管节内力响应峰值汇总

Tab.10Thepeakinternalforceoftunnel

位置

工况1

工况2

工况3

工况4

轴力



/MN

E26

101.85

76.58

87.85

95.80

E27

66.48

96.71

67.07

82.96

E28

52.21

77.67

70.60

59.86

横向弯矩

/(MN•m)

E26

245.99

165.28

177.41

251.78

E27

215.59

145.13

215.44

237.26

E28

129.19

174.46

157.38

309.24

竖向弯矩

/(MN•m)

E26

569.80

662.49

801.39

572.81

E27

661.55

548.67

538.43

719.25

E28

599.49

549.33

517.56

408.87

从表10可以看出，地震动激励方式和激励方向对管节结构的轴力和弯矩响应均有一定的影响.轴力方面，在地震动沿纵向一致激励下，最大轴力为101.85MN，发生在E268上，即靠近管节E25和E26间大接头处的位置；横向弯矩方面，当同时考虑纵向和竖向地震动激励时最大横向弯矩为309.24MN，发生在E286处；竖向弯矩方面，在视波速3000m/s的地震动行波激励下最大，达到801.39MN，出现在E268上.由此可见，地震动激励方式和方向对隧道轴力影响程度有限，而对弯矩的影响较大.

3.3进一步讨论

有研究表明[10]，如果表层地基匀质、各向同性，而且基岩面水平，则纵向一致水平激励下地基中任一点均沿同一个方向振动，隧道轴向各处位移也都一样，隧道仅为整体的刚体运动，不会产生变形和应力.实际工程场地中，由于土层变化和地基物理性质不同等原因，地基振幅和周期均不相同，因此产生相对位移，使结构拉伸或压缩.一般隧道纵断方向发生变形的重要原因是地震产生的相位差，包括沿隧道轴向传播的地震造成的相位差和沿轴向地基条件发生变化产生的相位差[10].在匀质地基模型中，整个表层地基的固有周期等振动特性也是一样，因此在不考虑输入相位差的地震反应中不产生地基的相对位移（隧道纵断方向地基变形）.即使是在变化地基模型不需要考虑输入相位差的情况下，也会发生因地基不均匀造成的地基相对位移.

根据《港珠澳大桥工程场地设计地震动参数研究报告》，本文所研究的隧道工程场地为Ⅳ类场地，实际场地地质条件较为复杂，场地土层并非匀质和水平成层，基岩面底部有一定的起伏，而且隧道沿纵向较长，并有一定的倾斜角度.要合理准确地模拟场地条件需建立精细的土层模型进行分析.本文根据实际场地条件建模，结果表明，即使在纵向一致激励下，柔性连接的沉管隧道接头处均有位移，且值不等，管段间存在着纵向拉压作用，而考虑地震动输入的相位差之后，这种拉压作用表现得更为明显.这说明，在实际长距离的地下隧道工程抗震计算中，应该考虑实际的场地地质条件和地震波的激励方式对隧道管节内力和接头变形带来的影响.

4结论

本文对正在建设中的港珠澳海底沉管隧道进行了多种计算工况下地震响应分析，研究结果表明：

1）隧道上方的回淤土减小了土隧道体系的自振频率，回淤土体的惯性效应大于其弹性效应.地震作用下回淤土体带动隧道一起运动，增大了隧道接头处的相对变形，从隧道抗震角度来讲是不利的.

2）考虑地震动行波效应，以及纵向和竖向同时激励均增大了接头相对变形.得到了地震作用下隧道薄弱接头发生的位置，大接头EJ28/27位置处较为不利.

3）接头剪力键处的剪力受地震动激励方向影响较大，当同时考虑竖向和纵向地震动激励时，引起的竖向剪力响应明显增大.管节结构的轴力响应受地震激励方式影响有限，而对弯矩的影响不可忽略.因此，在长距离隧道抗震分析中要注意地震动激励方式变化对管节内力带来的影响.

参考文献［1］ ANASTASOPOULOS I, GEROLYMOS N, DROSOS V, et al. Nonlinear response of deep immersed tunnel to strong seismic shaking [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2007, 133(9): 1067-1090.［2］ CHOSHIRO T, SHUNZO O. On earthquake resistant design of a submerged tunnel［C］//Proc of International Symposium on Earthquake Structure Engineering. Missouri:［s.n.］, 1976:809-822.［3］ LYNGS J H. Model accuracy in aseismic design of immersed tunnel [D]. Greece：Aalborg University, 2008.［4］ OORSOUW R S. Behaviour of segment joints in immersed tunnels under seismic loading[D]. Delft: Delft University of Technology, 2010.［5］ 韩大建,周阿兴.沉管隧道地震响应分析的等效质点系模型探讨[J].华南理工大学学报,1999, 27(11): 108-114.HAN Dajian, ZHOU Axing. A study on the equivalent masssystem models for the analysis for earthquake response of an immersed tunnel [J].Journal of South China University of Technology, 1999, 27 (11): 108-114. (In Chinese)［6］ 严松宏,高峰,李德武,等.南京长江沉管隧道的地震安全性评价[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增刊2):2800-2803.YAN Songhong, GAO Feng, LI Dewu,et al. Estimation on seismic safety of Nanjing Changjiang submerged tunnel [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(Sup2):2800-2803. (In Chinese)［7］ 禹海涛，袁勇，徐国平，等. 超长沉管隧道抗震设计及其关键性问题分析[J]. 上海交通大学学报：自然科学版,2012,46(1): 94-98. YU Haitao,YUAN Yong,XU Guoping, et al. Issues on the seismic design and analysis of ultralong immersed tunnel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University：Natural Science，2012,46(1): 94-98. (In Chinese)［8］ JIN Xianlong, GUO Yizhi, DING Junhong. Three dimensional numerical simulation of immersed tunnel seismic response based on elasticplastic FEM [J]. Key Engineering Materials, 2004, 274/276: 661-666.［9］ 楼梦麟, 潘旦光, 范立础. 土层地震反应分析中侧向人工边界的影响[J]. 同济大学学报：自然科学版, 2003, 31(7): 757-761.LOU Menglin, PAN Danguang, FAN Lichu. Effect of vertical artificial boundary on seismic response of soil layer[J]. Journal of Tongji University：Natural Science, 2003, 31(7): 757－761.(In Chinese)［10］小泉淳. 盾构隧道的抗震研究及算例[M]. 张稳军，袁大军，译.北京：中国建筑工业出版社，2009：66-68.KOIZUMI A. Seismic studies and examples of shield tunnel［M］.Translated by ZHANG Wenjun, YANG Dajun. Beijing:China Architecture & Building Press,2009:66-68.(In Chinese)

本文对正在建设中的港珠澳海底沉管隧道进行了多种计算工况下地震响应分析，研究结果表明：

1）隧道上方的回淤土减小了土隧道体系的自振频率，回淤土体的惯性效应大于其弹性效应.地震作用下回淤土体带动隧道一起运动，增大了隧道接头处的相对变形，从隧道抗震角度来讲是不利的.

2）考虑地震动行波效应，以及纵向和竖向同时激励均增大了接头相对变形.得到了地震作用下隧道薄弱接头发生的位置，大接头EJ28/27位置处较为不利.

3）接头剪力键处的剪力受地震动激励方向影响较大，当同时考虑竖向和纵向地震动激励时，引起的竖向剪力响应明显增大.管节结构的轴力响应受地震激励方式影响有限，而对弯矩的影响不可忽略.因此，在长距离隧道抗震分析中要注意地震动激励方式变化对管节内力带来的影响.

参考文献［1］ ANASTASOPOULOS I, GEROLYMOS N, DROSOS V, et al. Nonlinear response of deep immersed tunnel to strong seismic shaking [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2007, 133(9): 1067-1090.［2］ CHOSHIRO T, SHUNZO O. On earthquake resistant design of a submerged tunnel［C］//Proc of International Symposium on Earthquake Structure Engineering. Missouri:［s.n.］, 1976:809-822.［3］ LYNGS J H. Model accuracy in aseismic design of immersed tunnel [D]. Greece：Aalborg University, 2008.［4］ OORSOUW R S. Behaviour of segment joints in immersed tunnels under seismic loading[D]. Delft: Delft University of Technology, 2010.［5］ 韩大建,周阿兴.沉管隧道地震响应分析的等效质点系模型探讨[J].华南理工大学学报,1999, 27(11): 108-114.HAN Dajian, ZHOU Axing. A study on the equivalent masssystem models for the analysis for earthquake response of an immersed tunnel [J].Journal of South China University of Technology, 1999, 27 (11): 108-114. (In Chinese)［6］ 严松宏,高峰,李德武,等.南京长江沉管隧道的地震安全性评价[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增刊2):2800-2803.YAN Songhong, GAO Feng, LI Dewu,et al. Estimation on seismic safety of Nanjing Changjiang submerged tunnel [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(Sup2):2800-2803. (In Chinese)［7］ 禹海涛，袁勇，徐国平，等. 超长沉管隧道抗震设计及其关键性问题分析[J]. 上海交通大学学报：自然科学版,2012,46(1): 94-98. YU Haitao,YUAN Yong,XU Guoping, et al. Issues on the seismic design and analysis of ultralong immersed tunnel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University：Natural Science，2012,46(1): 94-98. (In Chinese)［8］ JIN Xianlong, GUO Yizhi, DING Junhong. Three dimensional numerical simulation of immersed tunnel seismic response based on elasticplastic FEM [J]. Key Engineering Materials, 2004, 274/276: 661-666.［9］ 楼梦麟, 潘旦光, 范立础. 土层地震反应分析中侧向人工边界的影响[J]. 同济大学学报：自然科学版, 2003, 31(7): 757-761.LOU Menglin, PAN Danguang, FAN Lichu. Effect of vertical artificial boundary on seismic response of soil layer[J]. Journal of Tongji University：Natural Science, 2003, 31(7): 757－761.(In Chinese)［10］小泉淳. 盾构隧道的抗震研究及算例[M]. 张稳军，袁大军，译.北京：中国建筑工业出版社，2009：66-68.KOIZUMI A. Seismic studies and examples of shield tunnel［M］.Translated by ZHANG Wenjun, YANG Dajun. Beijing:China Architecture & Building Press,2009:66-68.(In Chinese)

本文对正在建设中的港珠澳海底沉管隧道进行了多种计算工况下地震响应分析，研究结果表明：

1）隧道上方的回淤土减小了土隧道体系的自振频率，回淤土体的惯性效应大于其弹性效应.地震作用下回淤土体带动隧道一起运动，增大了隧道接头处的相对变形，从隧道抗震角度来讲是不利的.

2）考虑地震动行波效应，以及纵向和竖向同时激励均增大了接头相对变形.得到了地震作用下隧道薄弱接头发生的位置，大接头EJ28/27位置处较为不利.

3）接头剪力键处的剪力受地震动激励方向影响较大，当同时考虑竖向和纵向地震动激励时，引起的竖向剪力响应明显增大.管节结构的轴力响应受地震激励方式影响有限，而对弯矩的影响不可忽略.因此，在长距离隧道抗震分析中要注意地震动激励方式变化对管节内力带来的影响.

参考文献［1］ ANASTASOPOULOS I, GEROLYMOS N, DROSOS V, et al. Nonlinear response of deep immersed tunnel to strong seismic shaking [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2007, 133(9): 1067-1090.［2］ CHOSHIRO T, SHUNZO O. On earthquake resistant design of a submerged tunnel［C］//Proc of International Symposium on Earthquake Structure Engineering. Missouri:［s.n.］, 1976:809-822.［3］ LYNGS J H. Model accuracy in aseismic design of immersed tunnel [D]. Greece：Aalborg University, 2008.［4］ OORSOUW R S. Behaviour of segment joints in immersed tunnels under seismic loading[D]. Delft: Delft University of Technology, 2010.［5］ 韩大建,周阿兴.沉管隧道地震响应分析的等效质点系模型探讨[J].华南理工大学学报,1999, 27(11): 108-114.HAN Dajian, ZHOU Axing. A study on the equivalent masssystem models for the analysis for earthquake response of an immersed tunnel [J].Journal of South China University of Technology, 1999, 27 (11): 108-114. (In Chinese)［6］ 严松宏,高峰,李德武,等.南京长江沉管隧道的地震安全性评价[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增刊2):2800-2803.YAN Songhong, GAO Feng, LI Dewu,et al. Estimation on seismic safety of Nanjing Changjiang submerged tunnel [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(Sup2):2800-2803. (In Chinese)［7］ 禹海涛，袁勇，徐国平，等. 超长沉管隧道抗震设计及其关键性问题分析[J]. 上海交通大学学报：自然科学版,2012,46(1): 94-98. YU Haitao,YUAN Yong,XU Guoping, et al. Issues on the seismic design and analysis of ultralong immersed tunnel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University：Natural Science，2012,46(1): 94-98. (In Chinese)［8］ JIN Xianlong, GUO Yizhi, DING Junhong. Three dimensional numerical simulation of immersed tunnel seismic response based on elasticplastic FEM [J]. Key Engineering Materials, 2004, 274/276: 661-666.［9］ 楼梦麟, 潘旦光, 范立础. 土层地震反应分析中侧向人工边界的影响[J]. 同济大学学报：自然科学版, 2003, 31(7): 757-761.LOU Menglin, PAN Danguang, FAN Lichu. Effect of vertical artificial boundary on seismic response of soil layer[J]. Journal of Tongji University：Natural Science, 2003, 31(7): 757－761.(In Chinese)［10］小泉淳. 盾构隧道的抗震研究及算例[M]. 张稳军，袁大军，译.北京：中国建筑工业出版社，2009：66-68.KOIZUMI A. Seismic studies and examples of shield tunnel［M］.Translated by ZHANG Wenjun, YANG Dajun. Beijing:China Architecture & Building Press,2009:66-68.(In Chinese)