双洞八车道大断面隧道地震动力响应数值分析①

施有志,车爱兰,周先齐,尚武孝

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361021; 2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;3.中铁一局集团有限公司,陕西 西安 710054)



双洞八车道大断面隧道地震动力响应数值分析①

施有志1,2,车爱兰2,周先齐1,尚武孝3

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361021; 2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;3.中铁一局集团有限公司,陕西 西安 710054)

为研究双洞八车道超大断面隧道在地震力作用下的动力响应特征,以平潭综合实验区牛寨山隧道为工程背景,建立双洞八车道隧道的三维有限元数值计算模型。采用时程分析方法,在模型底部输入水平向地震动荷载,计算隧道结构在地震动荷载作用下的响应,包括位移、加速度及应力的变化。结果表明:最大水平和竖向位移出现在拱顶处,南线浅埋隧道整体呈剪切响应;隧道最大水平加速度出现在南线隧道拱顶偏左处,最大垂直加速度出现在南线隧道拱顶偏右处,南线隧道洞口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大;南线的右拱肩埋深最浅,该部位拉应力最大,而北线拱顶的拉应力区最大,拱脚也出现明显的拉或压应力。建议在隧道洞口段的拱顶、拱脚及埋深最浅的部位应加强抗震设防。

八车道; 隧道; 地震; 动力响应; 数值分析

0　引言

1995年日本阪神地震前,人们普遍认为隧道埋于地面以下,受土体的保护抗震性能较好,对隧道的地震动力响应研究不多。阪神地震后,人们意识到强震作用下隧道也会发生严重震害,相关研究增多。2008年“5·12”汶川地震使震区的交通隧道造成了严重损坏,其特征主要表现为混凝土剥落、掉块,衬砌垮塌等,甚至还出现了围岩垮塌等严重震害。之后人们逐渐加大对地下结构或管线的抗震研究[1-3]。有研究成果主要结合地震区隧道的震害进行震害特征研究[4-7],研究表明,隧道洞口段是仅次于断层破碎带段的抗震薄弱区段。另有学者针对不同隧道情况通过振动台实验对隧道的抗震性能进行研究,主要侧重于洞口段[8-13],研究内容集中在洞口段减震措施的减震效果和不同洞口型式下洞口段的动力响应。由于室内试验较为昂贵,不少学者采用数值分析的手段进行研究。如梁建文等[14]采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS建立地下隧道地震响应分析模型。汪树华等[15]采用二维有限元计算模型,应用时程分析法对隧道的地震动力响应进行了分析。黄娟等[16]结合实际工程,运用FLAC有限差分法研究了浅埋、偏压、小净距隧道结构在水平地震荷载作用下的动力时程响应。聂子云等[17]通过大型有限元软件ABAQUS研究衬砌背后空洞对隧道的地震动力响应的影响。

上述研究对象主要为双洞四车道隧道或跨度较小的隧道。随着车流量的增大,国内双洞八车道隧道陆续增加,而现行的公路设计与施工规范并未涉及该类隧道。杨小礼等[18]建立单洞四车道的数值模型,以天津波为激励地震波,在水平向、竖向和斜向45°激励下,计算大断面隧道的底面、顶面、墙脚和边墙的位移、速度、加速度和应力的分布情况。但并未考虑相邻隧道在地震荷载作用下的相互影响,且国内外尚未见到有关双洞八车道超大断面隧道在地震力作用下动力响应的研究成果。

本文以平潭综合实验区双洞八车道的扁平超大断面隧道——牛寨山隧道为工程背景,建立双洞八车道隧道的数值模型;采用动力有限元的时程分析方法,采用汶川地震记录波,在模型底部输入水平向地震动荷载,计算隧道结构在地震动荷载作用下的响应特征,包括位移、加速度及应力的变化。

1　工程背景

平潭牛寨山双洞八车道公路隧道位于平潭综合实验区城区西侧,最大毛洞开挖跨度21.13 m,北线全长868 m,南线全长829 m。进口段南北线间距45 m,中夹岩约24 m,为小净距隧道,其余路段为分离式隧道。据相关地勘资料表明,该工程隧址区围岩主要由粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化、砂砾状强风化、碎块状强风化岩及中风化岩组成,洞口段位于V级围岩内,长238.5 m,采用带竖向支撑的上下台阶法施工。隧道在该段采用复合式衬砌,初期支护采用双层结构,第一层采用C25喷射砼30 cm、22工字钢纵距0.6 m,第二层采用C25喷射砼厚17 cm,格栅钢拱架间距0.6 m;系统锚杆采用D25中空注浆锚杆,长5 m,环向间距0.7 m,纵向间距0.7 m,梅花型布置;二次衬砌拱部边墙采用C30防水钢筋砼,仰拱采用C30普通钢筋砼,厚55 cm;初期支护与二次衬砌之间铺设EVA防水板作为防水层。喷射砼采用湿喷工艺,开挖后及时初喷4 cm厚砼,再架设钢支撑和安装锚杆,然后分层复喷30 cm厚砼,完成第一层初期支护。

2　隧道计算模型及参数

2.1模型网格划分

根据工程勘察报告、隧道设计资料以及工程实际情况,以牛寨山双洞八车道隧道南北出口段为研究对象,建立简化的三维有限元计算模型如图1所示。

采用六面体等参单元模拟岩土体及锚固区,采用shell单元模拟初次支护和临时支护。坐标沿高度方向为z正方向,沿隧道纵向方向为x方向,沿隧道横向方向为y方向。模型x方向从南线隧道桩号SK5+000到桩号SK5+142段,共142 m,模型底部距离隧道底面48 m,隧道最大宽度21 m,高度14.8 m,最近间距40 m。模型采用solid45单元进行划分,节点总数为66 711个,单元总数67 262个。其中隧道周单元分布密集,密集范围内的单元最大尺寸不超过2.4 m×2.5 m×2.6 m,在远离隧道处单元稀疏分布,网格尺寸是2.4 m×5.0 m×4.4 m。坐标取向沿高度方向为z正方向,沿东西方向为x方向,沿南北方向为y方向,长度单位为m。有限元计算均采用线性模型。约束条件为:岩体两侧约束y方向,底部约束z方向。边界条件采用无限元边界。

图1　三维有限元模型Fig.1　3-D finite element model

动力计算前先按隧道开挖顺序进行静力分析,按实际开挖顺序进行模拟(图2)。隧道每个导坑开挖后,初期支护先施工钢架、网片,再打设锚杆,后喷射混凝土;待隧道纵向开挖完毕后,拆除隧道中间竖向及横向的临时支护,并施工二次衬砌。开挖结束后进行动力分析,动力分析的所有网格均与静力计算时相同,将岩体两侧y方向约束解除并增加静力分析得到的约束反力,底部z方向仍然固定约束,在模型底部y方向输入汶川地震记录波作为地震动荷载的输入。地震动的输入方式为P波。

图2　北线出口段开挖顺序Fig.2　Excavation sequence of the northern tunnel outlet

2.2模型材料的物理力学及强度参数

模拟计算中,将地质情况简化为黏土、中风化岩及微风化岩。初期支护采用C25混凝土,南线隧道前端由于没有锚固,初期支护采用C30混凝土。各土层物理力学参数如表1所列(表中:μ为泊松比;γ为重度;E为弹性模量;c为黏聚力;φ为内摩擦角)。由于隧道埋深较浅,初始地应力视为重力场。边界条件为固定位移边界。

表1　隧道围岩及结构材料基本物理力学参数

2.3载荷及工况

南北线隧道开挖后,即进行动力分析。在此工况下,重力产生地应力以及开挖过程的应力重分配作为初始状态加入模型中,在模型底部输入水平向地震动荷载以计算其在隧道结构的地震响应,包括加速度、应力和位移的变化。其中,输入的地震动为汶川地震远场记录波,峰值为4.28g,持续时间为158 s。加速度时程曲线如图3所示。

图3　地震波加速度时程曲线Fig.3　Acceleration time-history curve of seismic wave

3　地震力作用下隧道的动力响应

计算结果中对于主应力值的符号采用弹性力学的规定,即拉正压负。对于水平位移值的符号,采用北正南负;沉降值的符号,采用上正下负。为研究隧道在地震力作用下的动力响应,选取洞口(S1)、距洞口28 m处(S2)、56 m处(S3)、84 m(S4)处以及112 m处(S5)为目标面,如图4所示。其中埋深较浅的隧道为南线,相邻的隧道为北线。

3.1位移响应

图5为t=25 s(取隧道结构上下位移差最大时刻)时隧道的水平向位移及竖向位移分布。隧道最大水平相对位移为12.7 mm,出现在北线隧道拱顶处;最大竖向位移为2.3 mm,出现在南线隧道拱顶偏右侧。隧道顶部及仰拱的最大水平相对位移为5.2 mm。

图4　计算分析目标面Fig.4　The target plane for calculation

图5　t=25 s时隧道的水平向及竖向位移分布Fig.5　Horizontal and vertical displacement distribution of the tunnel at t=25 s

图6为各截面最大位移分布。可见,地震力作用下左拱肩与左拱脚位移响应差达2.6 mm,右拱肩与右拱脚位移响应差达2.1 mm;左右拱肩位移响应差为0.1 mm;洞口纵向位移在左拱肩相差3.6 mm。南线隧道由于浅埋的影响,隧道整体呈剪切响应,洞口处左拱肩与左拱脚位移响应差达1.9 mm,右拱肩与右拱脚位移响应差达1.6 mm;左右拱肩位移响应差达0.2 mm;洞口纵向位移响应相差3.1 mm。

3.2加速度响应

图7为t=25 s(取隧道结构上下位移差最大时刻)时隧道的水平向加速度A1及垂直加速度A3分布。隧道最大水平加速度为203 cm/s2,出现在南线隧道拱顶偏左处;最大垂直加速度为57 cm/s2,出现在南线隧道拱顶偏右处。隧道顶部及仰拱的最大水平相对加速度为90 cm/s2。

图6　隧道典型截面最大位移分布Fig.6　Maximum displacement distribution of typical cross section of the tunnel

图7　t=25 s时隧道的加速度分布Fig.7　Acceleration distribution of the tunnel at t=25 s

图8为各截面最大加速度分布。可见,地震力作用下北线隧道洞口处呈剪切响应,左拱肩与左拱脚加速度响应差达52 cm/s2,右拱肩与右拱脚加速度响应差达26 cm/s2;左右拱肩加速度响应差27 cm/s2。南线隧道由于浅埋的影响,隧道整体呈剪切响应,洞口处左拱肩与左拱脚加速度响应差达119 cm/s2,右拱肩与右拱脚加速度响应差达72 cm/s2;左右拱肩加速度响应差达61 cm/s2。南线隧道入口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大。

3.3应力响应

图9为t=25 s时隧道的第一主应力和第三主应力分布。从图中得知,第一主应力最大拉应力在北线隧道左拱脚处,达到1.68 MPa;第三主应力最大压应力在北线隧道右拱脚处,达到10.8 MPa。整体来看拱脚处应引起注意。

图10为典型观测点应力时程曲线,图11～12为最大第一主应力及最小第三主应力分布图。可见,南线拉应力主要集中在右拱肩、左拱脚及底部,其中以右拱肩和底部最为严重,而最大压应力主要分布在左拱肩和右拱脚;对于北线,拉应力区主要集中于顶部和底部,以顶部较为严重,而左拱肩处的最大压应力明显要高于同一截面处其他关键部位。

4　主要结论及建议

以牛寨山双洞八车道大断面隧道为工程背景建立三维数值计算模型,研究隧道在地震力作用下位移、加速度及应力的响应特征,得到以下主要结论和认识:

(1)隧道最大水平和竖向位移出现在拱顶处,南线浅埋隧道整体呈剪切响应;地震力作用下左拱肩与左拱脚位移响应差达2.6 mm,右拱肩与右拱脚位移响应差达2.1 mm;左右拱肩位移响应差为0.1 mm;洞口纵向位移在左拱肩相差3.6 mm。南线隧道由于浅埋的影响,隧道整体呈剪切响应,洞口处左拱肩与左拱脚位移响应差达1.9 mm,右拱肩与右拱脚位移响应差达1.6 mm;左右拱肩位移响应差达0.2 mm;洞口纵向位移响应相差3.1 mm。

(2)地震力作用下北线隧道洞口处呈剪切响应,左拱肩与左拱脚加速度响应差达52 cm/s2,右拱肩与右拱脚加速度响应差达26 cm/s2;左右拱肩加速度响应差27 cm/s2。南线隧道由于浅埋的影响,隧道整体呈剪切响应,洞口处左拱肩与左拱脚加速度响应差达119 cm/s2,右拱肩与右拱脚加速度响应差达72 cm/s2;左右拱肩加速度响应差达61 cm/s2。南线隧道入口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大。

图8　隧道典型截面最大加速度分布Fig.8　Maximum acceleration distribution of typical cross section of the tunnel

图9　t=25 s时刻隧道结构主应力分布Fig.9　Principal stress distribution of the tunnel structure at t=25 s

图10　典型观测点主应力时程曲线Fig.10　Principal stress time-history curves of typical observation points

图11　南线主应力分布Fig.11　Principal stress distribution of the southern tunnel

图12　北线主应力分布Fig.12　Principal stress distribution of the northern tunnel

(3)南线隧道拉应力主要集中在右拱肩、左拱脚及底部,其中以右拱肩和底部最为严重,而最大压应力主要分布在左拱肩和右拱脚;对于北线隧道,拉应力区主要集中于顶部和底部,以顶部较为严重,而左拱肩处的最大压应力明显要高于同一截面处其他关键部位。

(4)建议在隧道洞口段的拱顶、拱脚及埋深最浅的部位应加强抗震设防。

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Numerical Seismic Dynamic Response Analysis of Double-hole Eight-lane Large Section Tunnel

SHI You-zhi1,2,CHE Ai-lan2,ZHOU Xian-qi1,SHANG Wu-xiao3

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361021,Fujian,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;3.China Railway First Group Co.Ltd.,Xi'an 710054,Shaanxi,China)

To study the dynamic response characteristics under earthquake action of a double-hole eight-lane tunnel with a super large cross-section,this study conducts investigations of the Niuzhaishan Tunnel at the Pingtan Comprehensive Test Region and establishes a three-dimensional finite element numerical calculation model for double-hole eight-lane tunnels.By adopting a time-history analysis method,the horizontal seismic load is input at the bottom of the model to calculate responses of the tunnel's structure under seismic dynamic loading,including variations of displacement,acceleration,and stress.Results show that the maximum horizontal and vertical displacement occurred at the vault,and the shallowly buried tunnel of south line generally presented shear loading.In addition,peak acceleration of the tunnel occurred at the south line tunnel vault to the left and maximum vertical acceleration occurred at the south line tunnel vault to the right.As the south line tunnel portal was buried at a shallow depth,the responses of key parts were greater than those of the north line.Furthermore,the maximum tensile of the south line tunnel occurred mainly in areas of the right spandrel,left arch foot,and bottom of tunnel,and maximum compressive stress mainly occurred at the left spandrel and right arch foot; whereas the maximum tensile of the north line tunnel mainly occurred at the vault and bottom of the tunnel.However,there was a greater value for the maximum tensile of the north line tunnel at the left spandrel than at other positions in the same section.It is thus considered necessary to strengthen seismic fortification at the vault,arch springing,and at the point of minimum burial depth of the tunnel portal.

eight-lane; tunnel; earthquake; dynamic response; numerical analysis

2015-09-24

福建省住房和城乡建设厅科学技术项目(2015-K-38)；福建省自然科学基金(2014J05066)；福建省自然科学基金资助项目(2016J01271)；福建省住房和城乡建设厅科学技术项目(2016-K-26)

施有志(1976-)，男，博士，副教授，从事隧道及岩土工程的教学及科研工作。E-mail:2013110907@xmut.edu.cn。

U452

A

1000-0844(2016)04-0510-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0510