盾构隧道横向地震反应影响因素分析

周敏

【摘要】我国的经济和科技的水平逐渐提高，为盾构隧道行业提供了良好的技术发展平台，地铁交通发展是城市进步的重要推动力之一，地铁已经成为解决城市交通拥挤的重要途径。本文基于地震影响因素，研究了隧道横向地震响应的理论分析方法，然后隧道和土体在地震动下的动力特性进行了深入分析，进而提出隧道地震反应的影响因素希望通过本文的分析和探究，更好的促进盾构隧道的构建和发展。

【关键词】盾构隧道；横向；地震反应

前 言：

传统的分析方法己难于对这样的复杂体系的抗震问题给出满意的解答，只有根据土与结构物共同作用的原理，把土和结构作为相互作用又相互制约的整体进行分析，才能得到比较合理的结果。结构设计的一个重要发展趋势是更强调系统的整体性和考虑地基环境的作用，因此，在进行地下结构地震反应分析时，有必要将土—地下结构体系作为相互作用的整体来研究。将动力有限元理论与考虑土—结构相互作用的整体分析方法相结合，在目前的结构—地基体系的地震反应分析中已得到广泛的应用。

1.隧道横向地震响应的理论分析方法

（1）地震系数法：

又稱静力法或惯性力法，最初是针对地面结构提出的。它假设结构物的各部分与地面有相同的振动，将结构的质量乘上其加速度得到的惯性力视为静力施加于结构。

（2）反应位移法：

拟静力法以反应位移法为代表，是一种简化的地下结构抗震分析方法。目前在地下结构抗震中的得到广泛的应用。地震观测及模型试验数据均证实了地震时地下结构随周围地层一起振动这一规律。在地震作用下，不同位置和深度处的地层动力响应有所不同，在其约束作用下，地下结构物不同部位就会存在位移差，从而导致了结构变形和内力的产生

（3）动力有限元法：动力有限元法是Zienkiewicz等人为了求解体系瞬态问题而提出的，之后Newmark、Wilson等人分别提出逐步积分方法，为动力有限元的应用和发展提供了动力。动力有限元法的基本原理是：假定在结构下方存在一个基准面，地震加速度沿基准面激震。

2.隧道和土体在地震动下的动力特性

基于振动台试验结果和试验的动力分析，所得到的隧道和土体在地震动下的动力特性土体加速度共振曲线和土体相对位移谐振曲线。在正弦波激振下的土体加速度和相对位移的振动。从这些数字中可以得出：土体加速度共振曲线和土体相对位移谐振曲线和振动模型变化很少或根本不变，即使是土体中修建了一个盾构隧道。而且，隧道变形和轴向应变的谐振曲线中可以看出，隧道的谐振频率与土体的加速度和相对位移谐振曲线相同。可以确认，在地震动下并不发生盾构隧道的自振，盾构隧道在动力特性上完全遵循周边土体。隧道弯曲应变波形和地面加速度波形之间的比较；隧道弯曲应变波形和土体相对位移波形之间的比较（仅以tokach-oki地震波激振、隧道二截面为例）可以看出，隧道弯曲应变波形同土体相对位移波形相比，比土体加速度波形要相似得多。因此，可以确认，盾构隧道的变形性质由其周围土体控制。

3.隧道地震反应的影响因素分析

3.1不同地震动输入的影响

采用不同的地震波输入，经过同样的时程分析过程，所得到的地震响应可能相差甚远。为验算不同地震动条件下，结构体系的地震响应规律是否一致，另选 Taft 波和宁河波作为地震动输入。给出三种地震波作用下隧道结构拱顶与拱底的相对位移时程曲线，Taft波的相对位移峰值为 5.11mm ，发生在 6.9s；天津波的相对位移峰值为 4.49 mm，发生在 7.82s。可以看出 Taft 波与天津波输入下的变形反应较为接近，而 El-Centro 波输入下的变形反应最大。El-Centro 波的相对位移峰值是天津波的 2.7 倍，而 Taft 波是天津波的 1.1 倍。可见弹性计算范围内，地震波强度越大，结构的变形也越大。

3.2不同截面类型的影响

在地铁施工中，盾构隧道施工方法可以根据地铁建设的需要，把隧道断面做成所需要的形式。除圆形盾构隧道之外，单轨矩形隧道也是目前较为普遍的隧道形式之一。本小节就以单轨矩形隧道为研究对象，用以说明不同截面类型的隧道结构的地震反应特征。根据地铁区间隧道的建筑设计限界和地铁车辆的限界，将矩形隧道的宽取6m，高取 5m，衬砌厚度取 0.5m，结构顶面距地表 8m。隧道周围的场地与单轨圆形隧道的情况相同，用 El-Centro 波作为地震动输入，分析隧道结构的地震反应特性。

3.3不同埋深的影响

埋深条件也是土层刚度的重要影响因数之一，因此，确定埋深条件不同对隧道结构的地震反应影响也十分必要。这里的分析采用4.2小节的计算模型，分别取埋深为5m、8m、10m和20m，其他的参数不变。以El-Centro波作为地震动输入，采用动力有限元方法对区间隧道的动反应进行分析，得出埋深条件对隧道的地震反应的影响。 如前所述，在地震动作用下，隧道的最大动内力发生的位置基本一致：最大动轴力和动弯矩成“X”型，最大动剪力成“十”型；表一出了不同埋深条件下的隧道结构特征截面处的内力峰值，包括“X”截面处的弯矩和轴力、“十”截面处的剪力（右半拱）。计算结果显示： 随着埋深的加大，隧道的动内力也增大；且埋深对动轴力的影响比对动剪力和动弯矩影响大。 表二隧道不同埋深时隧道的水平位移最大值及洞顶与洞底的相对位移最大值。从表中的数据可以看出：隧道洞顶的水平位移均比隧道洞底的水平位移大；拱腰处的值介于两者之间。但随着埋深增加，结构的水平位移的差异并不明显。而埋深小的情况下隧道洞顶与洞底间的相对水平位移小于埋深大的情况

表一：同埋深时隧道的内力峰值比较

表二： 不同埋深的隧道水平位移及相对位移比较

总 结：

本文是在横断面方向进行对盾构隧道的动力反应的深入分析，没有考虑地震传播的“行波效应”，即忽略的地震波的传播方向及基岩变形的影响。进一步研究可对隧道的纵向的力学特性进行分析，盾构隧道的抗震性论证才会更全面。当然本文的分析和研究中仍存在着很多的不足之处，需要我们跟随时代的发展，不断探索新的技术和方法，更好地促进盾构隧道技术的发展。

参考文献：

[1]刘晶波，李彬.地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题[J].土木工程学报，2009，39（6）：106-110

[2]刘晶波，李彬，谷音，杜义欣.地铁盾构隧道地震反应特性研究.现代隧道技术，2010年增刊：251-257

[3]孔戈.盾构隧道地震响应分析及抗减震措施研究：[博士学位论文].上海：同济大学土木工程学院，2013