近断层地震下城市隧道动力响应与衬砌选型

尹 超， 朱星宇， 张志强

(西南交通大学土木工程学院， 成都 610031)

一般看来，地下结构受到周围岩土体的约束，在地震作用下表现出对围岩的追随性，具有较为优良的抗震能力,但实际工程案例表明，在某些特殊的情况下，隧道结构仍可能受到较大程度的震害[1]。一些学者也对地下结构在典型地震下的力学响应进行了分析研究[2-3]。对于近断层地震，由于其发震位置在多分布于断层构造附近，且断层位置围岩松散破碎，往往导致隧道等地下结构产生相较于常规地震更加严重的破坏。加之中国幅员辽阔，包括地裂缝及活动断层在内的各种地质构造广泛分布，所以对近断层地震下隧道结构的动力响应进行深入研究就更有重要意义[4]。此外，地震作用下不同结构形式隧道的动力响应及破坏程度也有不同，所以应对不同形式衬砌结构的动力响应特性进行对比分析。

王建宁等[5]通过振动台模型试验研究了圆形隧道的地震动力响应。张稳军等[6]研究了地震荷载下封顶块位置对隧道力学性能的影响。Chen等[7]通过离心机实验，研究了地震作用下的隔震机理。张成明等[8]提出以衬砌横断面整体压缩和拉伸损伤指数作为结构损伤指标。崔光耀等[9]采用大型振动台试验，研究了结构加强的抗震措施。赵密等[10]对比验证了地震计算中经典简化解析方法在不同衬砌厚度条件下的内力预测精度。梁波等[11]分析了断层构造对隧道结构地震响应的影响。何则干等[12]建立隧道-围岩系统三维非线性有限元模型，采用该模型对隧道洞口段结构进行地震响应过程分析。这些研究主要针对盾构及山岭隧道展开，而对城市浅埋条件下不同衬砌形式隧道的地震动力响应特性则较少进行深入分析。

鉴于此，依托乌市轨道交通2号线工程，针对其多次穿越活动断裂，易受到近断层地震破坏的实际情况，通过建立三维数值模型，对不同断面形式的衬砌结构在地震荷载下的动力响应进行分析研究，旨在为隧道断面的合理选型提供依据，并为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

乌鲁木齐地铁2号线(简称“2号线”)是乌鲁木齐轨道交通网南北向骨干线。

在设计过程中，考虑到不同区间的用途及地质构造的差异，对不同的开挖区间采用不同的断面形式。正线区间隧道采用单线马蹄形断面；对于车辆段出入线，受到建筑限界的要求，采用箱型曲拱断面。不同区间隧道断面形式如图1所示。

图1 隧道衬砌断面图Fig.1 Two types of lining sections in urban tunnel

2 场地震动特性

乌鲁木齐位于准噶尔盆地南缘，地质构造上属于北天山山前最新隆起带。受南北向挤压构造应力场作用[13-14]，发育了一系列活动断层。这些断层错动是近场区内的主要地震构造，导致区域内发震频繁且震害严重，1864年以来天山地区地震统计，如表1所示。

表1 场地地震统计表

同时对线路拟建场地周围4.7级以上地震频次进行统计，如表2所示。

表2 线路场地地震分布

统计表明，场区地震活动频次及强度均较大。以2号线场地为中心，大部分破坏性地震位于50 km以外地区，近场区范围内中强地震活动相对频繁，为保证2号线的安全运营，应对隧道衬砌结构进行抗震性能计算。

3 动力仿真模拟

3.1 地震动荷载的确定

根据《乌鲁木齐轨道2号线一期工程场地地震安全性评估报告》，九家湾断层组具备6.5级地震发震能力。考虑到地震动的作用效应以水平方向为主，故着重针对水平方向的震动效应进行研究。

场地内基岩水平向峰值加速度及加速度衰减关系，如图2所示。

图2 基岩水平向峰值加速度及加速度衰减关系Fig.2 Horizontal peak acceleration of bedrock and its attenuation relationship

根据基岩震动参数，人工合成基岩加速度时程曲线，沿着模型底部进行输入。其加速度曲线和傅里叶幅值，如图3和图4所示。

图3 加速度时程曲线Fig.3 Acceleration time history curve

图4 傅里叶幅值Fig.4 Fourier amplitude

3.2 数值模型的建立

采用FLAC3D有限差分法分别建立单线马蹄形隧道及箱型曲拱隧道的三维动力计算模型。

通常认为，当模型边界尺寸为结构5倍左右时，可有效避免边界效应的影响，据此确定模型尺寸为水平及竖向50 m，纵向100 m。为避免地震波在边界上反射造成分析失真，在模型周围施加自由边界，底部施加静态边界，顶部为自由面。最终建立的计算模型及边界如图5所示。

图5 计算模型Fig.5 The numerical model

在支护方式的选择上，马蹄形隧道采用300 mm厚C25初支，二衬为600 mm厚C45混凝土；箱型曲拱隧道边墙、中隔墙分别为600、350 mm厚C45混凝土，顶板及地板为700 mm厚C45混凝土。

根据地勘报告，断层破碎带内围岩级别为V级。土体采用摩尔-库伦本构模型；围岩与支护材料物理力学参数如表3所示。

表3 围岩与支护的物理力学参数

3.3 测点布置

对于马蹄形断面，选取拱顶、拱肩、拱腰、墙脚和仰拱等5个监测点；对于双线箱形曲拱结构，则选取拱顶、拱肩、墙脚和底板等4个监测点，分别从位移、速度、应力及安全系数等方面对隧道结构进行动力响应分析，测点布置如图6所示。

图6 测点布置图Fig.6 Layout of measuring points

4 结构地震动力响应

考虑到地震作用以横向效应为主，本次计算着重对隧道衬砌结构包括横向位移、速度及应力响应特性进行研究。

4.1 衬砌位移响应分析

4.1.1 马蹄形衬砌

马蹄形隧道从拱顶到仰拱各个测点的横向位移时程响应如图7所示。可看出不同测点横向位移时程曲线基本重合，各测点相对位移很小，表明地震过程中马蹄形隧道衬砌结构基本保持完整，未发生显著变形。

图7 结构横向位移响应(马蹄形)Fig.7 Lateral displacement response (horseshoe shape)

在地震过程中，最大横向位移出现在10～11 s，最大值为0.49 m；最小值发生在7 s附近，为-0.38 m，横向位移最大值位置均在拱顶。

地震结束后，隧道周围岩土体在地震动作用下发生了一定程度的永久变形。

4.1.2 箱型曲拱衬砌

箱型曲拱隧道从拱顶到底板中心各测点横向位移时程响应如图8所示。与马蹄形断面相类似，不同测点的横向位移时程曲线变化基本保持一致，表明地震过程中箱型曲拱衬砌结构基本保持完整，同样未发生显著的变形。

图8 结构横向位移响应(箱型曲拱)Fig.8 Lateral displacement response (box curved arch)

但横向位移响应的幅值与马蹄形隧道有所差异。地震过程中箱型曲拱隧道最大横向位移发生在10～11 s，达0.5 m，位于拱顶；最小值发生在7 s附近，为-0.39 m，发生在底板位置。总体来看，其地震过程中的位移幅值略大于马蹄形隧道。

震动结束后，各监测点位移响应恢复为零值，表明箱型曲拱隧道对地震动作用适应性较强。

4.2 衬砌速度响应分析

4.2.1 马蹄形衬砌

马蹄形隧道各测点的横向速度响应，如图9所示。从图9中可以看出，各监测点横向速度反应基本一致，隧道结构处于整体共同运动的状态，震动结束后各监测点速度反应趋于零。

图9 结构横向速度响应(马蹄形)Fig.9 Lateral velocity response (horseshoe shape)

4.2.2 箱型曲拱衬砌

箱型曲拱隧道各测点的横向速度响应如图10所示。与马蹄形隧道相类似，各测点横向速度反应基本一致，隧道结构整体共同运动，震动结束后各监测点速度反应趋于零。

对比分析两种断面的横向速度响应特性可以看出，地震中二者横向速度时程变化趋势基本保持一致，但速度响应峰值有小幅差异，箱型曲拱隧道横向速度峰值约为0.6 m/s，略大于马蹄形隧道。

地震作用下，两种隧道各测点速度响应特性几乎一致，表明隧道结构速度反应特性仅取决于输入地震动特性，与衬砌部位关系不大。

4.3 衬砌应力响应分析

4.3.1 马蹄形衬砌

马蹄形隧道衬砌应力响应如表4所示。可以看出衬砌结构各部位应力状态主要以受压为主，断层带内衬砌应力响应幅值显著大于正常带。表明破碎的围岩对地震动效应有明显的放大作用。

表4 马蹄形隧道衬砌应力响应

4.3.2 箱型曲拱衬砌

箱型曲拱隧道衬砌的应力响应，如表5所示。

表5 箱型曲拱隧道衬砌应力响应

同样的，衬砌结构各测点应力状态主要以受压为主，相较于马蹄形隧道，其应力响应幅值明显降低；断层带内衬砌应力响应幅值仍大于正常带。体现出破碎围岩对地震动的放大作用。

4.4 结构安全性评价

为评价隧道结构在近场地震作用下的安全特性，通过提取衬砌弯矩及轴力值，依据《铁路隧道设计规范》计算安全系数，如表6、表7所示。

表6 马蹄形隧道衬砌安全系数

表7 箱型曲拱隧道衬砌安全系数

通过分析安全系数可以看出，马蹄形和箱型曲拱隧道在该地震作用下安全性均满足规范要求。

对于马蹄形隧道，其墙脚的安全系数最小，为抗震的薄弱部位；而箱型曲拱结构则是拱肩和墙脚部位抗震最为不利，应在设计和施工过程中对薄弱部位进行针对性的加强。

5 衬砌选型

通过对单线马蹄形及箱型曲拱衬砌结构地震动力计算结果分析，综合考量衬砌结构位移、速度、应力响应及安全性，得到如下结论。

(1)对于马蹄形衬砌，其断面尺寸较小，地震作用下的速度响应略小于箱型曲拱断面，但其位移响应较大，拱顶位置尤为明显，地震结束后，出现了一定程度的永久位移。

(2)对于箱型曲拱衬砌，其断面尺寸较马蹄形衬砌更大，在地震过程中速度响应略大，对地震作用适应性良好。

(3)对于两种结构形式的安全性，马蹄形结构的安全系数大于箱型曲拱结构，在均能满足规范要求的前提下具有更加充分的安全储备。实际工程中应结合现场施工条件及线路要求等因素综合考虑，确定结构形式。

6 结论

近断层地震的发生与断层活动及其破碎程度密切相关，易导致穿越近断层的城市隧道结构受到震害程度更为严重。基于三维动力仿真模型分析，获得以下主要结论。

(1)两种衬砌结构在近断层地震作用下均基本保持完整，但速度及位移响应存在差异，箱型曲拱结构速度响应峰值及位移幅值略大于马蹄形结构。

(2)对马蹄形或箱型曲拱衬砌，地震作用下其各部位速度响应基本一致，且响应特性主要取决于地震动特性，与衬砌部位关系不大。

(3)对于穿越断层破碎带的衬砌结构，其地震作用下的应力响应明显增加，破碎围岩对地震作用有放大作用，设计过程中应予以充分考虑。

(4)两种衬砌形式在地震作用下的安全性能均能满足要求，其中，马蹄形衬砌具有更加充分的安全储备，实际工程中应结合具体条件合理选用。