地裂缝和地震耦合作用下地下综合管廊的三维动力分析

普永刚 张 朝 梁存君 崔仲卉 贾鑫鑫 惠宏博

1.中国建筑一局（集团）有限公司西北分公司 陕西 西安 710075；2.西安建筑科技大学土木工程学院 陕西 西安 710055

地下综合管廊，其功能是将各类管线收容到地下空间内，进行统一规划、设计及管理。地下综合管廊的建设，较好地解决了城市马路反复刨挖、通信线路“蜘蛛网”密布等问题，是创造生态环境友好型城市的有效途径。

然而，城市地下空间的开发利用常面临着复杂的地质环境，西安地下综合管廊建设时遇到的地裂缝问题就是一种特殊的地质灾害。目前，西安市区内等间距分布着14条地裂缝，覆盖面积约250 km2。地裂缝活动具有长期蠕动和单向位移累积特征，所经之处，道路错断，房屋开裂，管道切断，造成了巨大的经济财产损失。地下综合管廊作为一种线性工程，在地裂缝密集分布的西安市，有时不得不跨越地裂缝而建设，这就使得地下综合管廊的安全性难以保证。因此，许多学者对地下综合管廊进行了相关方面的研究。史晓军等[1]通过地下综合管廊大型振动台试验，对模型的动力响应以及接触面和周围土体的地震响应规律进行了研究；郭恩栋等[2]通过对比7条不同频谱特性的地震波作用下综合管廊的动力响应，研究了管廊结构及其内部管道的响应特征；汤爱平等[3]利用振动台试验进行了综合管廊的地震响应分析，研究发现共同沟的地震响应受地震动强度、土体性质、埋设深度和结构形式等因素的影响。通过上述研究可知，目前针对综合管廊处于地裂缝环境下的研究尚少，尤其是土体沉降变形与地震荷载耦合作用下对综合管廊的影响，更是无证可查。

因此，本文以西安f7地裂缝环境下的综合管廊为研究对象，通过数值模拟分析，找到了土体沉降变形与地震荷载耦合作用下综合管廊的受力特征和变形规律，为地裂缝环境下综合管廊的设计与施工提供参考。

1 工程概况

幸福路综合改造区位于西安市区东部，幸福林带是幸福路综合改造区的核心区域，总体规划为“一带、二核、二轴、多中心”的功能布局，是一个大型综合性的地下工程。拟建地下综合管廊位于幸福林带内两侧15 m通道内，分别为幸福路综合管廊、万寿路综合管廊。幸福路综合管廊南起新兴南路，北至华清路，全长5 745 m。综合管廊为现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度为C40，拟建项目如图1所示。管廊采用明槽开挖现浇形式施工，整体形式为封闭框架结构，基础为筏板基础，设计使用年限为100年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类（乙类），抗震等级为二级。

图1 拟建项目示意

拟建工程场地地势相对平坦，但由于地下环境及地铁管线的影响，故综合管廊的标准断面及埋深不尽相同，且由北往南依次穿越f4、f5、f6和f7地裂缝，地裂缝与综合管廊的相对位置如图2所示。由于与f7交会处的综合管廊标准断面最大，覆土较厚，因此选择该位置的结构进行分析。

图2 地裂缝与综合管廊示意

2 有限元数值模型的建立

本次数值模拟以穿越f7地裂缝带的幸福路地下综合管廊为研究对象，因地裂缝带内土体的活动具有三维空间运动变形特征，以垂直沉降最大，南北扩张次之，水平扭转最小，三者比例为1∶0.31∶0.03[4]，所以工程中一般只考虑地裂缝垂直沉降的影响。加之，西安地处高烈度地区，故采用Abaqus有限元分析软件建立了三维实体单元模型来进行动力响应分析。

综合管廊为2层4舱室的钢筋混凝土结构（图3），宽度为10.80 m，高度为9.85 m，管廊埋置深度为10.50 m。管廊正交穿越地裂缝带，管廊每段长度根据实际情况进行了简化，每段结构长度为20 m，共计3段。综合管廊实际上是分段浇筑的，在进行模拟分析时，参考了文献[5]的想法，假定分段管廊之间通过非线性弹簧连接。

图3 标准断面示意

由于综合管廊采用明挖法进行施工，故管廊的上层覆土为重塑回填土，管廊下部土体为原状土。根据地质勘察报告和地裂缝的影响带宽度确定土体模型三维尺寸为：60 m（长）×30 m（宽）×30 m（高）。地裂缝倾角为80°，三维模型剖面如图4所示。土体和结构的物理力学参数如表1所示。

图4 跨地裂缝综合管廊三维模型剖面

表1 各土层物理力学参数

假定土体为理想弹塑性材料，服从相关流动法则，采用线性Mohr-coulomb（莫尔-库仑）屈服函数。地裂缝作为一种软弱结构面，破坏了场地的连续性和完整性，且上、下盘土体接触面多以摩擦为主。因此，上、下盘土体的接触面法向设置为硬接触，切向采用罚摩擦，摩擦因数取为0.3。土体与管廊之间的接触面摩擦因数取为0.7。土体边界条件采用黏弹性边界条件[6]。

本次模拟选取El Centro波（埃尔森特罗波）作为管廊模型的地震波输入波，地震波加速度时程和傅里叶谱如图5所示。文献[7]给出了近几年f7地裂缝的年平均沉降量为2.66 mm，分别按照10年（26.6 mm）、20年（53.2 mm）、30年（79.8 mm）、40年（106.4 mm）和50年（133 mm）的沉降量逐渐进行累加来考虑。在进行模拟时需要考虑的是沉降和地震共同作用，故在模型结构上施加二者共同作用时，需要先在上盘底面施加特定年份的位移量来模拟地裂缝的沉降作用，而后在这个基础上施加地震波完成二者的结合，并将所得结果进行总结分析。

图5 El Centro波加速度时程及傅里叶谱

3 计算结果及分析

3.1 地下管廊结构的加速度及位移响应

图6为综合管廊结构模型在地裂缝和地震耦合作用下，峰值加速度沿高度的变化规律。其中地裂缝作用考虑无沉降和上盘10～50年沉降，地震作用考虑地震强度为0.2g的El Centro波。

图6 跨地裂缝管廊结构的峰值加速度

由图6可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，考虑上盘沉降的加速度响应比不考虑沉降的加速度响应更大，随着沉降量的增大，APG（峰值加速度）逐渐增大。地裂缝考虑无沉降量和10年沉降量时，APG随着结构高度的增大而逐渐减小，即结构底板的APG更大；在考虑20年及以上的沉降量时，APG随着结构高度的增加而逐渐增大，即结构顶板的APG更大。这说明随着地裂缝活动量的增大，不均匀沉降对加速度响应的影响逐渐增大并超过地震作用的影响，使得峰值加速度最大值出现的位置由底板转移到了顶板。

图7为综合管廊结构模型在地裂缝和地震耦合作用下，峰值位移沿高度的变化规律。由图7可以看出：在地震作用下，DPG（峰值位移）随着结构高度的增大而逐渐减小，即结构底板的DPG更大；随着沉降量的增大，峰值位移也在逐渐增大。

图7 跨地裂缝管廊结构的峰值位移

图8为在地裂缝和地震耦合作用下综合管廊结构底板沿纵向测点的竖向位移变化规律。

图8 管廊底板沿纵向测点的竖向位移

从图8可以看出：在只考虑地震作用下，管廊结构在上、下盘的竖向位移方向相反，即处于上盘的管廊结构会发生沉降，而下盘的管廊会出现脱空。这是由于在地震作用下地裂缝场地上盘土体下降，导致管廊会随着土体变形而发生相应的变形。当地裂缝活动和地震共同作用时，结构整体的竖向位移变成了整体下沉，而随着沉降量的逐渐增大，上盘处管廊结构的峰值位移逐渐增大，下盘处管廊端部位移比较稳定。

3.2 跨地裂缝管廊结构应力分布规律

图9为在地裂缝和地震耦合作用下综合管廊结构的应力云图。其中地裂缝作用考虑无沉降和上盘50年沉降，地震作用考虑0.2g的El Centro波。

由图9可以看出：左侧2个舱室的应力均比右侧舱室的更大，这说明大空间结构更易发生破坏，因此在对管廊结构进行设计和施工时，需增大其配筋或采取其他相应措施来提高其抗震性能。管廊中间位置（地裂缝附近处）的应力比两侧更大，且向两侧逐渐衰减，即结构跨地裂缝位置处的应力分布不均匀，在地裂缝周围处更易出现应力集中。考虑50年沉降与不考虑沉降相比，管廊整体结构出现应力重分布，应力集中的位置发生转移。

图9 无沉降和上盘50年沉降的管廊应力云图

图10（a）和图10（b）为在地裂缝和地震耦合作用下综合管廊结构底板和顶板应力沿纵向的分布规律。

图10 管廊沿纵向的应力值

由图10（a）可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，不考虑沉降的跨地裂缝综合管廊底板的应力分布规律和考虑沉降的结构底板应力分布规律基本一致，均在地裂缝处最大，由地裂缝处向两侧衰减，应力分布呈现出“∧”形。不考虑沉降和考虑10年沉降的结构底板应力值较为接近，但考虑10年沉降的结构在地裂缝位置处的应力集中现象更加明显，处于上盘的结构应力值比下盘稍大；在考虑20～50年沉降时，应力状态重新分布，处于下盘的结构应力值远大于上盘。

由图10（b）可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，不考虑沉降和考虑10年沉降的结构顶板应力分布规律趋于一致，应力值在靠近地裂缝的位置最大，应力分布呈现出“W”形。随着沉降量的增大，顶板出现应力重分布，应力最大值出现在下盘距地裂缝2.78 m的位置处。管廊结构底板应力值大于顶板的应力值，底板更容易出现开裂破坏，且随着沉降量的增大，差异逐渐增大。

4 结语

本文以西安幸福林带地下管廊结构工程为例，采用Abaqus有限元分析软件建立了正交穿越地裂缝带的地下综合管廊结构模型，分析了地下综合管廊结构在地裂缝活动和地震耦合作用下的受力及变形特征，得出如下结论：

1）地裂缝考虑无沉降量和10年沉降量时，管廊结构底板的APG更大；在考虑20年及以上的沉降量时，结构顶板的APG更大；地裂缝活动量的增大使得峰值加速度最大值出现的位置由底板转移到了顶板。

2）在地震作用下，结构底板的DPG更大；随着沉降量的增大，峰值位移也在逐渐增大。

3）空间较大的舱室更易发生破坏，在对管廊结构进行设计时，需增大其配筋或采取其他相应措施来提高其抗震性能。管廊中间位置（地裂缝附近处）应力集中现象较明显，且向两侧逐渐衰减。当地裂缝活动较大时，管廊整体结构出现应力重分布，应力集中的位置发生转移。

4）管廊结构底板应力均在地裂缝处最大，由地裂缝处向两侧衰减，应力分布呈现出“∧”形；结构顶板应力分布规律趋于一致，应力值在靠近地裂缝的位置最大，应力分布呈现出“W”形。管廊结构底板应力值大于顶板的应力值，底板更容易出现开裂破坏，且随着沉降量的增大，差异逐渐增大。