深厚软弱场地上地铁区间隧道地震反应分析

张菁莉

（浙江科技学院岩土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

深厚软弱场地上地铁区间隧道地震反应分析

张菁莉

（浙江科技学院岩土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

采用ABAQUS有限元分析软件，对软土场地上的双洞隧道进行了水平地震作用下的动力反应分析，结果表明，深软场地条件下圆形隧道洞顶和洞底之间的相对位移较大，区间隧道周围的软土层对隧道水平位移反应有显著影响。此外，结果还显示基岩输入地震动特性也会明显影响地铁区间隧道的位移反应。

地铁隧道；软弱场地；地震反应；时程曲线

1 问题的提出

地震作为一种危及社会政治经济和人民生命财产安全的随机性自然灾害，对地面建筑及构筑物所造成的巨大破坏人所共知，相对而言，地下结构一般被认为具有良好的抗震性能。1995年发生的阪神地震[1-2]对神户市的地下结构造成严重破坏并首次出现地铁主体结构的震害。阪神地震震害现象向现有地下结构抗震设计理论和方法提出了新的挑战。工程界认识到需要进一步对软土场地上地下结构抗震的理论、数值分析方法以及模型实验等方面进行研究。

本文选取一典型成层软土场地上的某双洞地铁隧道作为研究对象，采用有限元分析软件ABAQUS，分析了3种不同埋深工况所对应的场地土—双洞地铁区间隧道水平地震动作用下的位移反应。并据此对此类地下结构抗震性能的认识提供参考。

2 计算模型和参数确定

2.1 计算模型选取

本文的研究对象为软土场地上的某城市地铁线路双洞隧道，该双洞地铁隧道内外径尺寸分别为5.50，6.20 m，2隧洞间距为20.00 m。地铁区间的上覆土层厚度为9.00 ～14.00 m，地铁轨道由地下转换为地上时，上覆土层厚度较小。考虑场地土层分布情况、土的性质及该地铁线路的实际建设情况，选取3.00，9.00，14.00 m三种不同埋深情况下的地铁隧道进行地震反应分析。

已有研究结果表明[3-4]，地基的侧向边界对结构动力反应的影响与有限元模型尺寸有关，当整个场地有限元模型尺寸与结构尺寸之比大于5时，地基侧向边界对结构动力反应的影响可以忽略，因此本计算模型的计算宽度取为200 m。

2.2 地震动的选取与输入

本文选取适合于II、III类场地的2条典型地震动EL -Centro波和TAFT波作为输入地震动，2地震波的加速度过程见图1。在计算时，根据该地区已有设计地震动参数的研究结果[5]，按照100 a超越概率水平63%（小震）、10%（中震）、3%（大震）将基岩输入地震动的峰值加速度调整为0.053 g，0.116 g，0.154 g，从基岩面输入地震动。

图1 EL-Centro波和TAFT波的加速度过程曲线图

2.3 场地土及结构模型参数

本文选取的场地为一较典型的深厚软弱场地，场地土层分布和模型参数见表1[6]。

表1 深厚软弱场地土层分布及本构模型参数表

在场地土—区间隧道动力反应有限元模型中，隧道结构使用四结点平面应变单元模拟，圆形隧道周围土体采用三结点平面应变单元模拟，其余部分土体仍使用四结点平面应变单元模拟。不考虑结构与土体之间的脱开、滑移等情形。建模时，基岩面采用固定约束，场地两侧的竖向边界采用自由边界。地铁隧道结构所用C50混凝土的弹性模量E = 3.45×104MPa，泊松比v = 0.18，γ = 25 kN/m3混凝土重度γ = 25 kN/m3，阻尼比为5%。整个有限元分析体系网格划分见图2：

图2 场地土—地铁区间隧道动力相互作用有限元分析网格图

3 有限元结果分析

已有研究结果表明，对于地下结构而言，水平位移是衡量其地震反应程度的重要因素。本次分析分别给出了基岩输入EL - Centro和TAFT波时不同埋深隧道洞顶和洞底相对水平位移反应过程曲线（见图3 ～ 5）。

表2给出了不同工况下隧道洞顶、底最大相对水平位移绝对值ΔS，定义地震动影响系数ζ为同等工况下Taft波输入时相对水平位移绝对值与El - centro输入时相对水平位移绝对值之比。

从表2上隧道洞顶、底相对位移反应的时程曲线及最大相对水平位移对比分析，可得如下规律：

（1）对比隧洞顶底在3种不同埋深条件下的相对水平位移反应可知，埋深为3.00 m时的相对水位移反应最大，其次是埋深9.00 m时的相对位移反应，埋深14.00 m时相对位移反应最小，表明隧道结构周围土层的性质对隧道位移反应具有较大影响，埋深3.00 m时，隧道周围场地中有剪切波速较小的软弱土层，导致隧道结构的位移反应有显著的增大。

图3 隧道洞顶、洞底相对水平位移过程图（埋深3.0 0 m）

图4 隧道洞顶、洞底相对水平位移过程图（埋深9.0 0 m）

图5 隧道洞顶、洞底相对水平位移过程图（埋深1 4.0 0 m）

表2 不同工况下隧道洞顶、洞底最大相对水平位移值表

（2）同一埋深下，随着基岩输入地震动加速度峰值的增强，区间隧道洞顶、底之间的水平位移反应也随之变大；基岩面输入EL - Centro波时，洞顶和洞底的相对位移最大值出现在12 ～ 15 s范围内；基岩面输入TAFT波时，洞顶和洞底的相对位移最大值出现的时间范围为在6 ～ 8 s。

（3）由表1可得，在基岩面输入TAFT波时，隧道洞顶及洞底间相对位移反应较输入 EL - Centro波时明显增大。前者为后者的1.5 ～ 2.3倍，此现象表明地下结构的反应与输入的地震动特性密切相关。

4 结 语

本文基于某地铁站的工程建设情况为背景，分析了3种不同埋深条件下地铁区间隧道的地震反应特性，给出了区间隧道的相对水平位移反应规律，得出的主要结论如下：区间隧道周围的软土层对隧道水平位移反应有较大影响，对于穿越软土层的隧道求解其动力反应时需充分考虑SSI效应的影响；输入地震动特性对隧道的动力相应也有较大影响。

[1] 马险峰，望月秋得，杨林德．神户市地铁车站的震害及修复[J]．铁道工程学报，1998(增刊)：46 - 452．

[2] 庄海洋，程绍革，陈国兴．阪神地震中大开间地铁车站震害机制数值仿真分析[J]．岩土力学，2008，41(1)：245 - 250．

[3] 楼梦麟，王文剑，朱彤．土—结构体系振动台模型试验中土层边界影响问题[J]．地震工程与工程震动2000，41(1)：245 - 250．

[4] 楼梦麟，陈清军．侧向边界对桩基地震反应影响的研究[M]．上海：同济大学出版社，1999．

[5] 陈国兴，杨伟林，严新育．南京河西地区软土场地地震动参数研究[J]．南京工业大学学报，2002，24(1)：35 - 40．

[6] 陈继华． 新近沉积土动力性能及深软场地地震效应[D]．南京：南京工业大学，2004．

（责任编辑 姚小槐）

Seismic response of metro tunnel built in deep - soft soil

ZHANG Jing - li
(Institute of Geotechnical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310012，Zhejiang，China)

Using fi nite-element software of ABAQUS，a fi nite element model of a soil - double tunnel system buried in three different depth is built.The numerical analysis of displacement response under two different horizontal earthquake waves is done.The results show that the relative displacement between the top and bottom of tunnels in soft soils is large. And SSI also has great effect on the displacement.

metro tunnel；soft site；seismic response；time motion

U45

A

1008 - 701X(2017)04 - 0047 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.014

2017-04-13

浙江省教育厅科研项目(Y201223017 )。

张菁莉(1978 - )，女，讲师，博士研究生，主要从事土 — 结构动力相互作用研究工作。

E - mail：zhjingli@zust.edu.cn