1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022施工应力释放和扰动对隧道地震响应影响分析加瑞1,2,高天润1,2,杨岗1,2(1.天津大学 建筑工程学院,天津 300350;2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300350)摘要:通过数值模拟研究了盾构隧道施工应力释放和施工扰动引起的土体模量衰减对盾构隧道后期地震响应的影响,结果表明:(1)应力释放程度越大,施工完成后隧道周围土体的剪应力和剪应变越大,地震时隧道底
2、部土体的剪应变越大,地震引起的管片轴力和管片弯矩也越大,40%应力释放率时地震引起的管片轴力和弯矩分别为 20%应力释放率时的 205%和148%;(2)土体模量衰减程度越大,地震时隧道底部土体的剪应变越大,地震引起的管片弯矩越大,模量衰减程度较大时地震引起的管片弯矩为模量无衰减时的 113%;(3)由于土体阻尼比越大,传至管片的地震能量越小,地震引起的管片轴力越小;(4)土体模量衰减范围对隧道周围土体变形和地震引起管片内力的影响与模量衰减程度的影响趋势一致,模量衰减范围为5R 时地震引起的管片弯矩为模量衰减范围为 1R 时的 120%。因此,盾构隧道的前期施工历史对其后续的地震响应有明显影响
3、,在抗震理论分析和抗震措施研究中应对其进行充分考虑。关键词:盾构隧道;地震响应;施工扰动;应力释放;模量衰减中图分类号:U455.43文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0916-10Analysis on the Influence of Construction Stress Release and Disturbance on Seismic Response of TunnelJia Rui1,2,Gao Tianrun1,2,Yang Gang1,2(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianj
4、in 300350,P.R.China;2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300350,P.R.China)Abstract:The effects of the shield tunnel construction stress release and the soil modulus attenuation caused by construction disturbance on the subsequent seismi
5、c response of the shield tunnel are studied by numerical simulation.The numerical calculation results show that:(1)The greater the degree of stress release was,the greater the shear stress and shear strain of soil around the tunnel after the construction,the greater the shear strain of soil at the b
6、ottom of the tunnel during the earthquake,and the greater the segment axial force and bending moment caused by the earthquake.The segment axial force and bending moment caused by the earthquake under the stress release rate of 40%were 205%and 148%,respectively,of those under the stress release rate
7、of 20%;(2)The greater the degree of modulus attenuation of the soil was,the greater the shear strain of soil at the bottom of the tunnel during the earthquake,the greater the segment bending moment caused by the earthquake.The segment bending moment caused by the earthquake with large degree of modu
8、lus attenuation was 113%of that with no modulus attenuation.The smaller the seismic energy transmitted to the segment due to the damping ratio of the soil was greater,and the smaller the segment axial force caused by the earthquake;(3)The influence trend of range of soil modulus attenuation on the d
9、eformation of the soil around the tunnel and the internal force caused by the earthquake was consistent with that of degree of soil modulus attenuation.The segment bending moment caused by the 收稿日期:2022-05-02(修改稿)作者简介:加瑞(1982),男,山西运城人,博士,副教授,主要从事岩土工程、地下工程等领域的教学与科研工作。E-mail:jiarui 基金项目:天津市科技计划项目(21JC
10、YBJC00380);国家自然科学基金(51890911,51509181)earthquake with the modulus attenuation range of 5R was 120%of that with the modulus attenuation range of 1R.Therefore,the previous construction history of shield tunnel has a significant impact on its subsequent seismic response,which should be fully considered
11、 in the seismic theoretical analysis and the seismic measure research.Keywords:shield tunnel;earthquake response;construction disturbance;stress release;modulus attenuation0引言我国位于太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处,地震断裂带发育,地震活动频发。随着我国城市轨道交通的快速发展,已经建成了大量的城市地铁盾构隧道。尽管与地面结构相比,地下结构具有较好的抗震性能。但当遭遇强震、地质条件或结构刚度突变时,隧道结构仍可能发生严重震
12、害1。1995 年的阪神地震中,超过 10%的隧道结构受损程度严重;1999 年的台湾集集地震导致超过 80%的隧道结构遭到一定程度的受损;2008 年汶川大地震中,接近 60%的隧道遭到了不同程度的受损和破坏。因此,有必要开展盾构隧道的地震动力响应分析的研究,为我国盾构隧道抗震设计及抗震措施采取提供参考和指导。在盾构隧道施工中,土体开挖、盾构推进、衬砌拼装和壁后注浆等过程会造成地应力释放,使周围土体发生应力重分布。徐永福2指出施工会导致隧道周围土体应力重新分布并使其发生一定程度的剪应变。王刚等3利用流固耦合模拟了盾构隧道施工固结的全过程,并在此基础上进行了后续的完全非线性动力计算。Gomes
13、4研究了施工应力释放对地面地震动以及隧道管片内力的影响,发现应力释放率越大,地震引起的管片轴力和弯矩越大。Sun 等5指出施工应力释放对地震时隧道管片的轴力和弯矩均有不利影响,且对轴力的影响要大于对弯矩的影响。盾构隧道施工扰动还会改变周围土体的力学特性,如引起土体的结构性损伤从而使其剪切模量发生衰减。Atkinson 等6和 Mair7指出隧道施工扰动所引起的剪应变会导致土体剪切模量的衰减。侯晗8指出需要充分考虑盾构施工对土体扰动机理、施工扰动影响分区和 PECK 影响分区等,可采取针对性的施工防护措施。孟凡衍9提出了结构性参数并研究了扰动程度对土性的影响规律,指出可以用剪应变水平反映隧道施工
14、引起的周围土体扰动程度,然后利用数值模拟分析了盾构施工扰动区及扰动程度的分布情况。由上可知,盾构隧道施工会引起隧道周围土体的应力释放,使周围土体发生应力重分布,影响隧道管片结构的内力。另外,施工扰动还会改变周围土体的剪切模量。而隧道周围土体的初始应力、剪切模量以及管片的初始内力会影响隧道后期的地震响应4-5。但目前大多数盾构隧道地震响应分析中并没有考虑前期盾构隧道施工应力释放和施工扰动的影响,而是直接利用土体的原位应力和施工扰动前的土体剪切模量进行动力分析10-11,使得计算结果与实际情况存在一定差异。因此本文通过数值模拟分析了施工应力释放和施工扰动引起的土体模量衰减对盾构隧道地震影响的影响,
15、研究了相同地震作用下不同应力释放程度、土体模量衰减程度和土体模量衰减范围情况下隧道周围土体变形和管片内力的变化情况,研究结果可以为盾构隧道地震响应分析和隧道管片结构抗震设计提供参考。1盾构隧道地震响应分析数值模型1.1数值模型建立数值模型尺寸如图 1 所示,水平向为 50 m,竖直向为 40 m,纵向为 3 m。隧道半径为 3 m,其中心位于模型的正中,管片厚度 0.3 m。土体本构模型采用摩尔 库伦模型,考虑地层为天津粉土,地下水位在地表处,模型参数如表 1 所示,土体参数参考了杨鹏博12论文中取值。隧道开挖静力分析时考虑长期排水分析采用有效应力指标,地震响应分析时考虑短期不排水分析采用总应
16、力指标,不排水泊松比 u取值为 0.49,不排水弹性模量 Eu可根据有效弹性模量 E和泊松比 换算得到。考虑土体模量随埋深的增加而增大,根据表 1 给出的平均模量,文献13按照式(1)给每层土赋予了沿深度逐渐增加的模量值。Eh=E0+kdh(1)式中:kd为弹性模量变化率,取值为 0.5 MPa/m。不排水抗剪强度 cu取为 0.25 倍的土体有效应力。动力计算时采用了滞后阻尼,其参数设置见 1.47192022 年增刊 2加瑞,等:施工应力释放和扰动对隧道地震响应影响分析节。管片本构模型采用弹性模型。表 1模型参数Table 1Model parameters材料密度/(kgm-3)平均体积模量/MPa平均剪切模量/MPa内摩擦角/()黏聚力/kPa土体(开挖静力分析)1 970176.462520土体(地震动力分析)1 970320.8(不排水)6.46(不排水)0(不排水)0.25(不排水)管片2 50025 00014 000-图 1数值模型Fig.1Numerical model计算过程中监测了隧道管片及其周围土体一些关键点的加速度、速度和位移随地震时程的变化情况,监测点位置
