張菁莉

（浙江科技學(xué)院巖土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

深厚軟弱場地上地鐵區(qū)間隧道地震反應(yīng)分析

張菁莉

（浙江科技學(xué)院巖土工程研究所，浙江 杭州 31001 2）

采用ABAQUS有限元分析軟件，對軟土場地上的雙洞隧道進行了水平地震作用下的動力反應(yīng)分析，結(jié)果表明，深軟場地條件下圓形隧道洞頂和洞底之間的相對位移較大，區(qū)間隧道周圍的軟土層對隧道水平位移反應(yīng)有顯著影響。此外，結(jié)果還顯示基巖輸入地震動特性也會明顯影響地鐵區(qū)間隧道的位移反應(yīng)。

地鐵隧道；軟弱場地；地震反應(yīng)；時程曲線

1 問題的提出

地震作為一種危及社會政治經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全的隨機性自然災(zāi)害，對地面建筑及構(gòu)筑物所造成的巨大破壞人所共知，相對而言，地下結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為具有良好的抗震性能。1995年發(fā)生的阪神地震[1-2]對神戶市的地下結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞并首次出現(xiàn)地鐵主體結(jié)構(gòu)的震害。阪神地震震害現(xiàn)象向現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論和方法提出了新的挑戰(zhàn)。工程界認(rèn)識到需要進一步對軟土場地上地下結(jié)構(gòu)抗震的理論、數(shù)值分析方法以及模型實驗等方面進行研究。

本文選取一典型成層軟土場地上的某雙洞地鐵隧道作為研究對象，采用有限元分析軟件ABAQUS，分析了3種不同埋深工況所對應(yīng)的場地土—雙洞地鐵區(qū)間隧道水平地震動作用下的位移反應(yīng)。并據(jù)此對此類地下結(jié)構(gòu)抗震性能的認(rèn)識提供參考。

2 計算模型和參數(shù)確定

2.1 計算模型選取

本文的研究對象為軟土場地上的某城市地鐵線路雙洞隧道，該雙洞地鐵隧道內(nèi)外徑尺寸分別為5.50，6.20 m，2隧洞間距為20.00 m。地鐵區(qū)間的上覆土層厚度為9.00 ～14.00 m，地鐵軌道由地下轉(zhuǎn)換為地上時，上覆土層厚度較小?？紤]場地土層分布情況、土的性質(zhì)及該地鐵線路的實際建設(shè)情況，選取3.00，9.00，14.00 m三種不同埋深情況下的地鐵隧道進行地震反應(yīng)分析。

已有研究結(jié)果表明[3-4]，地基的側(cè)向邊界對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響與有限元模型尺寸有關(guān)，當(dāng)整個場地有限元模型尺寸與結(jié)構(gòu)尺寸之比大于5時，地基側(cè)向邊界對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響可以忽略，因此本計算模型的計算寬度取為200 m。

2.2 地震動的選取與輸入

本文選取適合于II、III類場地的2條典型地震動EL -Centro波和TAFT波作為輸入地震動，2地震波的加速度過程見圖1。在計算時，根據(jù)該地區(qū)已有設(shè)計地震動參數(shù)的研究結(jié)果[5]，按照100 a超越概率水平63%（小震）、10%（中震）、3%（大震）將基巖輸入地震動的峰值加速度調(diào)整為0.053 g，0.116 g，0.154 g，從基巖面輸入地震動。

圖1 EL-Centro波和TAFT波的加速度過程曲線圖

2.3 場地土及結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

本文選取的場地為一較典型的深厚軟弱場地，場地土層分布和模型參數(shù)見表1[6]。

表1 深厚軟弱場地土層分布及本構(gòu)模型參數(shù)表

在場地土—區(qū)間隧道動力反應(yīng)有限元模型中，隧道結(jié)構(gòu)使用四結(jié)點平面應(yīng)變單元模擬，圓形隧道周圍土體采用三結(jié)點平面應(yīng)變單元模擬，其余部分土體仍使用四結(jié)點平面應(yīng)變單元模擬。不考慮結(jié)構(gòu)與土體之間的脫開、滑移等情形。建模時，基巖面采用固定約束，場地兩側(cè)的豎向邊界采用自由邊界。地鐵隧道結(jié)構(gòu)所用C50混凝土的彈性模量E = 3.45×104MPa，泊松比v = 0.18，γ = 25 kN/m3混凝土重度γ = 25 kN/m3，阻尼比為5%。整個有限元分析體系網(wǎng)格劃分見圖2：

圖2 場地土—地鐵區(qū)間隧道動力相互作用有限元分析網(wǎng)格圖

3 有限元結(jié)果分析

已有研究結(jié)果表明，對于地下結(jié)構(gòu)而言，水平位移是衡量其地震反應(yīng)程度的重要因素。本次分析分別給出了基巖輸入EL - Centro和TAFT波時不同埋深隧道洞頂和洞底相對水平位移反應(yīng)過程曲線（見圖3 ～ 5）。

表2給出了不同工況下隧道洞頂、底最大相對水平位移絕對值ΔS，定義地震動影響系數(shù)ζ為同等工況下Taft波輸入時相對水平位移絕對值與El - centro輸入時相對水平位移絕對值之比。

從表2上隧道洞頂、底相對位移反應(yīng)的時程曲線及最大相對水平位移對比分析，可得如下規(guī)律：

（1）對比隧洞頂?shù)自?種不同埋深條件下的相對水平位移反應(yīng)可知，埋深為3.00 m時的相對水位移反應(yīng)最大，其次是埋深9.00 m時的相對位移反應(yīng)，埋深14.00 m時相對位移反應(yīng)最小，表明隧道結(jié)構(gòu)周圍土層的性質(zhì)對隧道位移反應(yīng)具有較大影響，埋深3.00 m時，隧道周圍場地中有剪切波速較小的軟弱土層，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)有顯著的增大。

圖3 隧道洞頂、洞底相對水平位移過程圖（埋深3.0 0 m）

圖4 隧道洞頂、洞底相對水平位移過程圖（埋深9.0 0 m）

圖5 隧道洞頂、洞底相對水平位移過程圖（埋深1 4.0 0 m）

表2 不同工況下隧道洞頂、洞底最大相對水平位移值表

（2）同一埋深下，隨著基巖輸入地震動加速度峰值的增強，區(qū)間隧道洞頂、底之間的水平位移反應(yīng)也隨之變大；基巖面輸入EL - Centro波時，洞頂和洞底的相對位移最大值出現(xiàn)在12 ～ 15 s范圍內(nèi)；基巖面輸入TAFT波時，洞頂和洞底的相對位移最大值出現(xiàn)的時間范圍為在6 ～ 8 s。

（3）由表1可得，在基巖面輸入TAFT波時，隧道洞頂及洞底間相對位移反應(yīng)較輸入 EL - Centro波時明顯增大。前者為后者的1.5 ～ 2.3倍，此現(xiàn)象表明地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)與輸入的地震動特性密切相關(guān)。

4 結(jié) 語

本文基于某地鐵站的工程建設(shè)情況為背景，分析了3種不同埋深條件下地鐵區(qū)間隧道的地震反應(yīng)特性，給出了區(qū)間隧道的相對水平位移反應(yīng)規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：區(qū)間隧道周圍的軟土層對隧道水平位移反應(yīng)有較大影響，對于穿越軟土層的隧道求解其動力反應(yīng)時需充分考慮SSI效應(yīng)的影響；輸入地震動特性對隧道的動力相應(yīng)也有較大影響。

[1] 馬險峰，望月秋得，楊林德．神戶市地鐵車站的震害及修復(fù)[J]．鐵道工程學(xué)報，1998(增刊)：46 - 452．

[2] 莊海洋，程紹革，陳國興．阪神地震中大開間地鐵車站震害機制數(shù)值仿真分析[J]．巖土力學(xué)，2008，41(1)：245 - 250．

[3] 樓夢麟，王文劍，朱彤．土—結(jié)構(gòu)體系振動臺模型試驗中土層邊界影響問題[J]．地震工程與工程震動2000，41(1)：245 - 250．

[4] 樓夢麟，陳清軍．側(cè)向邊界對樁基地震反應(yīng)影響的研究[M]．上海：同濟大學(xué)出版社，1999．

[5] 陳國興，楊偉林，嚴(yán)新育．南京河西地區(qū)軟土場地地震動參數(shù)研究[J]．南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24(1)：35 - 40．

[6] 陳繼華． 新近沉積土動力性能及深軟場地地震效應(yīng)[D]．南京：南京工業(yè)大學(xué)，2004．

（責(zé)任編輯 姚小槐）

Seismic response of metro tunnel built in deep - soft soil

ZHANG Jing - li
(Institute of Geotechnical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310012，Zhejiang，China)

Using fi nite-element software of ABAQUS，a fi nite element model of a soil - double tunnel system buried in three different depth is built.The numerical analysis of displacement response under two different horizontal earthquake waves is done.The results show that the relative displacement between the top and bottom of tunnels in soft soils is large. And SSI also has great effect on the displacement.

metro tunnel；soft site；seismic response；time motion

U45

A

1008 - 701X(2017)04 - 0047 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.014

2017-04-13

浙江省教育廳科研項目(Y201223017 )。

張菁莉(1978 - )，女，講師，博士研究生，主要從事土 — 結(jié)構(gòu)動力相互作用研究工作。

E - mail：zhjingli@zust.edu.cn