高烈度地区海底大直径盾构隧道纵向抗震性能研究

华 针

(中国铁路设计集团有限公司 城轨事业部，天津 300100)

0 引 言

盾构隧道为纵向延伸的线性结构物。因此,隧道地基的力学性质和地层情况差异性较大。不同土层条件,隧道纵向会受不同地震动的影响。由于隧道纵向靠螺栓连接,环向接头刚度小,抗纵向变形能力弱,在隧道纵向变形达到一定的量值后,可能出现由于管片环缝张开量过大而隧道漏水或管片纵向受拉破坏,从而影响隧道的安全及可靠性,因此地震时隧道纵向行为的研究是相当重要的课题[1-3]。

盾构隧道在结构上多采用螺栓连接的预制管片,由管片主体、横向连接同一圆环内各衬砌块的管片接头和纵向连接隧道各圆环的环向接头构成。接头的刚性比预制管片本身的刚性小,与其他方法建设的隧道相比,盾构隧道的一次衬砌,无论在横断面还是纵断面都是刚性较小的预制结构。因此在进行盾构隧道的抗震研究时,需充分考虑盾构隧道是存在大量接头的柔性结构[4,5]。

本文主要采用隧道纵向地震反应计算的反应位移法进行了抗震分析,通过大型有限元软件ABAQUS计算地震作用一致激励下隧道环间接头的张开量,分析了不同抗震设防烈度下隧道整体纵向的抗震性能。

1 隧道纵向梁弹簧分析

隧道纵向分析方法可以分为基于梁弹簧模型的反应位移法和土、隧道结构皆为实体单元(或结构为壳单元)表达的三维有限元方法。前者较为简单,并可以描述隧道整体的宏观特性,但地基弹簧刚度的取值存在不确定性;后者虽然可以精确表现结构部件的细观反应,但建模复杂且计算量大。反应位移法应用比较广泛,从最初用于埋管等线状地下结构纵向的地震响应分析中,逐渐应用于大断面隧道的计算分析。在应用反应位移法时,正确地评价地震时地层的震动性态及地层弹簧的刚度非常重要。大量实践证明:如果对上述两种因素的评价正确,其计算结果与采用其他复杂的动力分析结果几乎一致。

本模型采用广义反应位移法对隧道纵向进行整体抗震分析,求出隧道中心处的位移时程响应,将一系列的位移时程响应输入到响应的地基弹簧固定端。

隧道每段管环长度为2 m,每段中间设置地基弹簧,有限元模型取1 m一个单元,同时通过附加共有节点的梁单元考虑隧道内车道的影响。在ABAQUS中盾构隧道用梁单元模拟,选用中空的三维线性B31梁单元类型,构成梁单元的两节点都有6个自由度,其中包括3个平动自由度和3个转动自由度。

考虑隧道管环纵缝的影响,各个梁单元之间断开,通过一个旋转弹簧和拉压异性弹簧连接,由于隧道周围土体属性有差别,对于每段管环通过4个土弹簧分别考虑隧道上、下、左、右4个方向的土体刚度属性,其中每个土弹簧只考虑受压刚度,有限元模型如图1所示。

图1 梁弹簧有限元模型

本隧道取弹簧参数如见表1。

表1 接头轴向弹簧参数

隧道接头转动弹簧参数见表2。

表2 接头转动弹簧参数

隧道周围的土体属性差别较大,故在地基床系数选取时上下左右各自取值。公式如下:

Kt=3G

K1=βKt

式中:Kt、K1为横向和轴向单位长度上地基土的弹簧系数(MPa/m);G为与地震震动最大应变幅值相应的地基土的剪切模量(MPa);β为换算系数,其值可取为1/3。

2 自由场二维地震效应数值分析

建立自由场地二维有限元模型,纵向取2 700 m,深100 m,场地非线性地震效应分析采用的Davidenkov模型;根据地勘报告的土层分布情况,采用实体单元模拟土体;模型顶部为自由边界。场地分析过程中,地震加速度为一致输入,并且采取两向方向输入,横向:竖向的地震波加速度幅值比例为1∶0.65。输入地震动为日本Iwate波,相关参数见表3。分别计算峰值加速为0.2g、0.3g、0.4g三个工况的自由场地震响应，结果如图2、图3所示。

图2 自由场中隧道底部位置竖向相对位移极值

图3 自由场中隧道底部位置横向相对位移极值

表3 输入地震动信息

3 计算结果

纵向梁弹簧模型中地震动以位移的形式输入到土弹簧固定端,位移时程通过自由场的有限元分析得到。不同工况下盾构隧道环间接头张开量包络曲线如图4所示。

图4 不同工况下盾构隧道环间接头张开量包络曲线

由不同工况下盾构隧道环间接头张开量包络曲线可知:

(1)硬岩凸起处接收井处和多地层交互处环缝张开量显著大于其他部位且量值远大于非震区隧道。

(2)随着峰值加速度的增加隧道环间接头张开量幅值也随之增加。

(3)离北隧道口600 m、1 200 m、2 100 m、2 600 m附近,隧道环间张开量有较大的突变;工况3情况下,离北隧道口600 m附近接头张开量超过1.5 cm,其他工况下环间接头张开量均小于1.5 cm。

4 结 论

对地震作用下高烈度区大断面海底盾构隧道在硬岩凸起处、接收井处和多地层交互处环缝张开量显著大于其他区域,且量值远大于非震区隧道。建议在隧道抗震薄弱部位采取相应抗震措施并根据张开量情况适当调整标准震时抗水压。