1、 总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 6收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 0第一作者:程凯书(1 9 7 6-),男,高级工程师,学士。通信作者:赵顺波(1 9 6 4-),男,教授,博士。*河 南 省 重 点 研 发 与 推 广 专 项(科 技 攻 关)项 目(
2、1 9 2 1 0 2 3 1 0 0 1 6),河 南 省 高 等 学 校 基 础 研 究 重 点 科 研 项 目(2 2 A 5 6 0 0 1 2)资助浅埋大直径盾构隧道衬砌的抗震计算方法适用性研究*程凯书1 刘海潮1 李帅京2 李晓克2 赵顺波2(1.河南郑州机场城际铁路有限公司 郑州 4 5 0 0 4 0;2.华北水利水电大学河南省生态建材工程国际联合实验室 郑州 4 5 0 0 4 6)摘 要 浅埋大直径盾构隧道衬砌抗震性能攸关其自身及毗邻和交叉建筑物的安全性,抗震设计需要采取合理的抗震计算方法。文中建立了某外径1 2.4m盾构隧道工程的平面应变有限元模型,采用动力时程分析法、反
3、应位移法、反应加速度法和整体式反应位移法等抗震计算方法,对比分析砂土、粉质黏土等不同土层条件、9 0%3 2 0%的隧道直径埋深时隧道衬砌结构的弯矩、剪力和轴力变化规律。结果表明,反应位移法和动力时程分析法的内力变化规律相似、计算值最接近,反应加速度法和整体式反应位移法的计算结果偏差较大。在隧道埋深浅、土层均匀的情况下,可采用反应位移法进行盾构隧道衬砌抗震设计。关键词 盾构隧道 衬砌 大直径 浅埋 抗震计算方法 适用性研究中图分类号 U 4 5 1+.4 T V 6 9 8 TV 6 8 目前,隧道与地下结构抗震分析方法有动力时程分析法和拟静力分析法1。动力时程分析法是对地震动在时间域先进行离
4、散化,再依次对每个离散化的时间点逐步计算,以求得整个数值模型的动力时程反应;可很好地模拟土-结构之间的动力相互作用,且考虑地震特性的三要素 振幅、峰值和持时对结构破坏的影响,可较准确地计算地下结构系统在地震过程中各时刻的响应,是隧道抗震最可靠的分析方法,但因计算工作量大、技术要求高而难以在常规的抗震分析中推广2。拟静力分析法包括反应位移法、反应加速度法、整体式反应位移法等。反应位移法一般是在远离结构位置处以地基弹簧施加相对位移,相当于将地震产生的变形以等效静力荷载的形式加在结构上,同时考虑了地震剪应力和结构惯性力的作用。反应加速度法是在土-结构模型中直接施加由自由场一维土层地震反应分析获得的水
5、平有效反应加速度,模拟土-结构体系的动力相互作用3。整体式反应位移法是直接在除去结构的自由场模型中沿结构所在位置施加相对位移,计算结构位置处节点反力,并将其作为土层相对位移的等效荷载4。相对而言,拟静力分析法采用静力学理论近似解决动力学问题,可反映荷载的动力特性,其物理概念清晰、计算较为简便,易于工程设计推广应用。G B5 0 9 0 9-2 0 1 4 城市轨道交通结构抗震设计规范 规定了隧道结构的地震反应及其抗震性能验算和构造措施。T B1 0 6 2 3-2 0 1 4 城际铁路设计规范、G B5 0 1 1 1-2 0 0 6 铁路工程抗震设计规范2 0 0 9版和G B5 0 0 1
6、 1-2 0 1 0 建筑抗震设计规范对地下结构也提出了相应的抗震计算方法。但是,这些规范并未明确各种抗震计算方法计算结果的差异性和适用性规律。陶连金等2研究了北京地下框架结构抗震性能在单一粉质黏土层中随不同埋深的变化规律及埋深为3.0 0m时不同均质土层条件的变化规律,得出了该结构采用不同抗震计算方法的差异性规律。近年来,大直径盾构隧道的建设越来越多。上海长江隧道和长江西路隧道、济南济泺路穿黄隧道的外径均达1 5.2m5-6,南京长江隧道、深圳妈湾跨海隧道的外径达1 5.0m7-8,郑州机场城际铁路隧道外径为1 2.4m9。因此,大直径盾构隧道衬砌的抗震性能值得关注。对上海长江西路盾构隧道进
7、行的三维有限元模型抗震计算分析结果表明:横向一致性地震激励下隧道顶部变形较大、衬砌环向应力大于轴向应力,纵向一致性地震激励下的隧道变形和衬砌应力均很小;横向非一致性地震激励下隧道变形和衬砌应力均小于横向一致性地震激励的工况。对深圳妈湾跨海隧道三维有限元模型的纵向抗震分析结果表明,衬砌内力和管片接头张开量受围岩条件的影响显著,考虑纵向和横向地震激励的耦联效应是必要的。由于现行规范规定的盾构隧道抗震计算方法多种并存,研究各种计算方法对浅埋大直径盾构隧道的抗震计算适用性具有重要工程价值和理论意义。同时,随着盾构隧道的洞径增大,埋深趋于变浅对地震响应的影响未见深入研究。为此,本文结合工程实例,采用动力
8、时程分析法、反应位移法、反应加速度法和整体式反应位移等抗震计算方法,对比分析不同土层条件、不同埋深时隧道衬砌结构内力,拟提出适用于类似工程的抗震计算方法。1 盾构隧道有限元模型1.1 依托工程概况郑州新郑机场至郑州南站城际铁路盾构隧道全长3.8k m,为单洞双线形式。隧道采用圆形断面,外径1 2.4m、内径1 1.3m,其断面示意见图1。图1 隧道衬砌断面(单位:mm)隧道衬砌管片为C 5 0高性能耐腐蚀混凝土,环宽为2.0m,凹凸榫通用楔形环,双面楔形。轨道垫板、内部框架和底部仰拱填充分别为C 4 0、C 3 5和C 2 0混凝土。主要穿越地层为第四系上更新统冲击层,有粉砂、细砂、粉土、粉质
9、黏土层,沿程典型断面土体参数见表1。表1 典型断面土体参数表土层(自上而下)土层类别厚度/m弹性模量/G P a泊松比密度/(k gm-3)黏聚力/MP a内摩擦角/()第1层粉土 1 2.6 32 0 40.3 020 3 02 4.11 7.6第2层粉土 4.4 42 3 70.3 020 3 02 0.42 1.9第3层粉质黏土1 1.6 12 1 00.3 020 2 02 4.72 0.4第4层粉质黏土4.8 81 8 50.2 520 2 02 4.92 0.8第5层细砂 8.3 51 8 50.2 619 9 00.03 5.0第6层粉质黏土1 0.8 92 3 90.2 520
10、 0 02 5.02 1.8第7层细砂 5.3 02 7 80.2 520 1 00.03 3.0第8层粉质黏土3 0.4 82 3 90.2 520 0 02 5.42 1.9 所经区域地面多为农田,轨面埋深1 7.94 4.9m。场区地震动峰值加速度为0.1 0g,抗震设防烈度为7度,特征周期分区属于I I区,反应特征周期为0.4 0s,为建筑抗震一般地段,设计地震分组为第二组。动力时程分析采用的地震波形为E l-c e n t r o波(取前1 0s),其波形示意见图2。图2 E l-c e n t r o波1.2 模型构建利用AN S Y S有限元分析软件,针对各抗震计算方法构建隧道衬
11、砌结构数值分析的地层-结构平面应变模型。时程分析法有限元模型见图3。按照侧面人工边界与隧道距离不宜小于3倍隧道直径原则,模型宽度取为1 4 0.0m;按照底面人工边界与隧道的距离不宜小于3倍隧道直径原则,模型在隧道底部的土体深度取为3 5.0m。隧道衬砌结构采用B E AM 3单元模拟,周围土体的分层采用P L AN E 4 2单元模拟。模型底面采用固定边界,侧面施加水平约束1 0。图3 时程分析法隧道有限元模型反应加速度法和整体式反应位移法有限元模67程凯书等:浅埋大直径盾构隧道衬砌的抗震计算方法适用性研究2 0 2 3年第1期型的尺寸和单元划分保持一致,但边界约束条件不同。反应加速度法在模
12、型底面施加固定边界,侧面采用水平滑移边界;整体式反应位移法在底面和侧面施加固定约束。反应位移法有限元模型见图4,隧道衬砌结构采用P L AN E 4 2单元模拟,衬砌外侧节点沿环向施加径向弹簧单元C OMB I N 1 4模拟土体承载作用,弹簧单元径向外侧节点施加固定约束,动力弹簧刚度计算方法见式(1)。k=K L d(1)式中:K为基床系数,N/m3;L为垂直于结构横向的计算长度,m;d为相邻弹簧间的作用长度,m。图4 反应位移法隧道有限元模型隧道衬砌结构采用线弹性材料本构模型。土体结构材料采用D-P本构模型。D-P模型原则上适用于黏性土,考虑到结果的收敛性,本文中砂土也采用了该模型。在输入
13、材料参数时假定其黏聚力为1 0 0P a,与黏性土的黏聚力相比数值很小,对结果影响可忽略不计。1.3 计算工况考虑隧道埋深、土层分布、穿越土层类别不同,选取隧道埋深分别为1 0.0 0,2 0.0 0和3 5.7 2m(对应于隧道直径的0.9,1.8和3.2倍),土层按分层或均匀,隧道穿越砂土、粉质黏土单一土层或同时穿越砂土和粉质黏土层,设定了如表2所示的1 1种计算工况。表2 计算工况m工况土层分布隧道埋深隧道穿越土层厚度一典型3 5.7 2 砂土(8.3 5)+粉质黏土(1 0.8 9)二典型3 5.7 2砂土(1 9.2 5)三典型3 5.7 2粉质黏土(1 9.2 5)四典型2 0.0
14、 0 砂土(8.3 5)+粉质黏土(1 0.8 9)五典型1 0.0 0 砂土(8.3 5)+粉质黏土(1 0.8 9)六均一3 5.7 2砂土七均一2 0.0 0砂土八均一1 0.0 0砂土九均一3 5.7 2粉质黏土十均一2 0.0 0粉质黏土十一均一1 0.0 0粉质黏土2 计算分析针对上述不同工况,分别采用不同抗震计算方法进行有限元分析,得到隧道衬砌结构的内力变化规律及其最大值。工况一地震作用下隧道衬砌结构的弯矩分布见图5。图5 地震作用下衬砌结构弯矩图(单位:k Nm)由图5可见,4种抗震计算方法得到的隧道衬砌结构弯矩沿环向的变化规律相似;与动力时程分析法的弯矩值比较,反应位移法的弯
15、矩值相近,但反应加速度法、整体式反应位移法的弯矩值偏差较大。同时,4种抗震计算方法得到的衬砌结构的剪力和轴力变化具有相同的规律。以控制隧洞衬砌结构的内力绝对值最大值为对象,采用不同抗震计算方法时各工况的内力变化规律见图6图9。由图6可见,隧道埋深相同时,反应位移法得到的衬砌结构内力受隧道周围土质情况影响较小,工况一工况三基本保持不变;动力时程分析法得到的衬砌结构内力随周围土层条件由砂土逐渐过渡到粉质黏土,即由工况二、工况一到工况三时呈减小趋势。对比时程分析法内力的增量,当隧道衬砌周围土质由砂土逐渐过渡到粉质黏土时,反应加速度法的弯矩最大值差值增量比分别为1 1.7%,1 1.3%,剪力最大值差
16、值增量比分别为9.2%,8.0%,轴 力 最 大 值 差 值 增 量 比 为5.9%,4.0%;整体式反应位移法弯矩最大值增幅分别为1 3.1%,1 1.9%,剪力最大值增幅分别为9.6%,7.9%,轴 力最 大 值 增 幅 分 别 为4.4%,2.9%。2种方法的内力数值增量均大于动力时程分析法。由图7可见,土层典型分布、隧道穿越土层条件相同时,隧道埋深由1 0.0 0m增加到2 0.0 0m772 0 2 3年第1期程凯书等:浅埋大直径盾构隧道衬砌的抗震计算方法适用性研究时动力时程分析法和反应加速度法的内力数值增大,埋深增至3 5.7 2m时呈减小趋势。反应位移法的结构内力随隧道埋深增加而逐渐减小。对比时程分析法内力数值增量,随隧道埋深增加,反应位移法的弯矩最大值差值减幅分别为3 8.4%,2 1.4%,剪力最 大值 差 值 减 幅 分 别 为2 7.5%,1 9.8%,轴 力 最 大 值 差 值 减 幅 分 别 为9.7%,1 1.4%。整体式反应位移法的衬砌结构内力随隧道埋深减小而逐渐增大,但是隧道埋深2 0.0 0和1 0.0 0m内力数值变化不大于1.0%,隧洞埋深较浅时采