城市深埋雨水调蓄系统地震响应分析

燕 晓

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092)

0 引言

由于极端气候频现，以北京、上海为首的国内许多城市近年来都面临内涝频发、径流污染、雨水资源大量流失、生态环境破坏等诸多雨水问题，在城市建设中构建完善雨洪管理系统越来越受到关注[1]。2013年，国家提出建设“海绵城市”这一概念，即：现代城市应该像海绵一样具有吸纳、净化和利用雨水功能，以及应对气候变化、极端降雨的防灾减灾、维持生态功能的能力。建造城市深埋调蓄系统正是建设“海绵城市”的重要手段，国外很多城市建设了包括调蓄隧道、泵站和雨水处理厂在内的深层排水调蓄管道系统，以达到排水、防洪、污水处理等多种目的。而本文的研究重点是调蓄系统中的竖井、隧道以及综合设施结构。

近十年来，国内地震灾害频发，汶川、玉树等地震[2]波及范围广、造成的损失严重，土木工程抗震也越来越引起人们的重视。而地下结构因埋于土层中，一旦发生破坏难以修复，因此，国家和地方抗震规范规定的地下结构抗震验算的标准高于地上结构。2016年，上海市住房和城乡建设管理委员会发布了《上海市市政（公路）公用设施抗震设防专项论证管理办法》，进一步加强对地下结构抗震设计的监督和管理。城市调蓄系统具有结构形式多样、地层条件复杂、施工难度大等特点[3]。因此，地震作用对城市深埋调蓄系统的影响不可忽视。

目前，国内外对地下结构抗震问题的研究方法主要有理论分析、模型试验和数值模拟等。对于处于复杂地层条件、结构形式多样的地下结构，理论分析方法并不适用。模型试验法针对工程实际情况，依据相似理论制作试验结构模型，根据需求还要制备模型土以模拟地下结构周围的土层[4]。这种方法耗时长、经济成本高，并不适用于工程的快速安全评估。数值模拟方法能综合考虑结构的真实性、地层的复杂性、工况的多样性等特点，相较其他方法有较为明显的优势。地下结构抗震分析的数值计算方法多种多样，其中又以三维时程分析法最具有高仿真性。陈向红等[5]采用三维动力时程法分析了水下隧道附属竖井的横向地震响应，研究了在不同围岩环境中竖井响应的区别；于新杰等[6]研究了南京长江沉管隧道竖井和竖井各板的最大地震响应情况；肖梦倚和费文平[7]研究了半埋式深竖井的地震响应规律，并评估了其抗震安全性。但上述的研究对象均为方形竖井且结构简单，对于同时考虑复杂结构形式和场地条件的竖井结构的研究尚未见报道。

本文以某工程为例，建立包括场地、隧道、竖井以及综合设施结构的三维有限元模型，考虑土与结构的动力相互作用和场地无限元边界等众多因素，进行有限元模型地震激励数值模拟，通过结果分析对城市深埋调蓄隧道的地震安全性进行了评估。

1 城市深埋调蓄系统

整个城市深埋调蓄系统一般由主线隧道、二、三级管网、综合设施、竖井及污水处理厂等多种类型的建、构筑物组成。雨洪来临时，大量的雨水涌入竖井，井内设置竖向旋流渠道以减小雨水下落时的冲击势能。通过竖井将雨水贮存在隧道和管网内，待雨洪过后，将管内雨水、污水进行净化，然后排出，见图1。

图1 深埋调蓄隧道工作流程

大城市中的浅层地下空间一般已被地铁、地下停车场、地下商业中心等占据，城市调蓄系统只能在深层地下空间建设。因此，竖井的开挖深度和隧道的埋置深度均较大。除此之外，竖井结构上部与调蓄系统的综合设施合建，下部与盾构隧道相连，结构形式复杂，因此有必要对其进行抗震安全评估。本文以竖井、综合设施和隧道连接处为研究对象，开展了三维动力时程抗震分析。

2 计算模型

本文以某在建的深埋调蓄系统工程为研究对象，建立三维有限元数值模型，研究系统中竖井、隧道和综合设施的连接处的地震响应。其中，竖井为圆形，直径33.8 m，深度63.5 m，采用地墙围护；隧道工程采用盾构法建设，隧道内径10 m，管片厚度0.65 m，基本埋深50 m；综合设施为4层框架结构，每层板均与竖井内的每层圆形隔板连为一体。

根据工程所在城市的总体地质条件和工程场地的地质勘查状况，数值模型的计算深度取155 m。依据实际场地勘察资料进行场地的建模，从地表向下将场地划分为16层。各土层模型均简化为水平层，土层参数见表1。

表1 土层参数

场地模型采用实体单元建模，竖井、隧道结构及综合设施的板、墙采用壳单元，综合设施的梁、柱采用梁单元。数值模型以竖井为中心，水平范围内横、纵向均取300 m场地范围，满足场地边界大于结构（3～5）D[8]的要求。场地模型底部约束竖向自由度，顶面为自由边界。场地与结构的法向相互作用定义为硬接触，切向为摩擦接触。隧道模型采用刚度折减的连续结构等效带有大量接头的不连续拼装管片结构，横向和纵向刚度折减系数根据文献[9]和文献[10]取值，竖井与隧道、综合设施均为刚性连接。最终建立的三维数值模型尺寸300 m×300 m×135 m，共计单元147 856个、节点152 350个，见图2。

3 模拟结果分析

本文动力时程分析所用的地震波为上海人工波，见图3。根据《建筑抗震设计规范》[11]，深埋调蓄系统结构为重点设防类，需考虑设防烈度地震和罕遇地震两种荷载等级下的动力响应；另外，由于结构形式为非对称，需分别考虑结构纵向（平行于隧道轴向）和横向（垂直于隧道轴向）的地震响应，计算工况见表2。

图2 有限元模型

图3 上海人工波

表2 计算工况

为研究地震作用下隧道不同位置的动力响应规律，选取隧道与竖井连接处、隧道中部（距隧道与竖井连接处50 m）和隧道远端位置（距隧道与竖井连接处100 m）的加速度时程曲线进行对比，见图4。所选取三处位置的加速度响应波形基本一致，但隧道与竖井连接处的加速度响应大于其他两处，最大加速度峰值达到0.2 g；隧道中部和隧道远端的峰值加速度分别为0.15 g和0.13 g。

图5为竖井与隧道连接处、竖井顶部及底部的加速度时程曲线。由图可见，由于竖井与隧道连接处距离竖井底部较近（约12 m），故二者震动波形相似；竖井顶部距底部近60 m，受场地土体等因素的影响，其震动波形与底部略有不同。与图6结果相似，竖井与隧道连接处地震响应最大，峰值加速度0.24 g，此处为结构体系的薄弱部位，地震过程中有应力集中发生。

图4 隧道不同位置的加速度响应

图5 竖井不同位置的加速度响应

图6为综合设施结构底板、中间板和顶板的加速度时程曲线。三处加速度响应波形相似，中板和顶板的响应较顶板有略微滞后，体现了地震波由下向上的传播路径。顶板的地震响应最大，中板次之，底板最小。

图6 综合设施不同位置的加速度响应

由上述计算结果可见，相较于其他位置，竖井与隧道连接部位的地震响应最大。因此，有必要对该处的内力进行验算。设防烈度地震作用下，竖井的最大弯矩和相应的轴力见图7。

图7 地震作用下竖井最大内力

根据《建筑抗震设计规范》[11]的规定，对静力工况下的结构内力和设防烈度地震引起的内力增量进行组合，见表3。地震作用组合后的弯矩和轴力均小于静力工况的结果。

表3 竖井结构内力

根据规范要求，除设防烈度地震作用下的结构内力外，还需对设防烈度地震和罕遇地震作用下的结构变形进行验算。综合设施结构为4层，每层板均与竖井内的隔板刚性相连，可看作一个整体。规范规定以结构的层间位移角作为变形验算的判别指标，本文结构的层间位移角见表4。结构各层的层间位移角均小于规范限值，满足要求。

基于数值分析结果，结构设防烈度地震作用组合内力小于静力工况的内力，弹性变形和弹塑性变形均小于规范限值。因此，可认为在本文地下工程中，地震作用不起控制作用。

4 结论

本文以城市深埋调蓄系统中的竖井-综合设施-深埋隧道结构体系为研究对象，建立三维有限元模型，以时程分析法研究了结构体系的地震响应并对结构体系的地震安全性进行了评估。竖井结构上盾构隧道进出洞处的地震响应大于结构体系的其他部位，该处内力亦远大于其他部位，因此需采取措施进行加强。此外，对设防烈度地震作用下的结构内力进行验算，地震作用组合内力小于静力工况设计组合内力；对罕遇地震作用下的结构变形进行验算，结构最大层间位移角小于规范限值，可认为对于本文结构体系，地震力不起控制作用，结构在地震作用下处于安全状态。本文研究结果不仅可为今后的工程抗震设计提供理论依据，而且对指导和完善设计工作具有实际意义。

表4 结构层间位移角

[1]仇保兴.海绵城市(LID)的内涵、途径与展望[J].给水排水,2015(3):11-18.

[2]庄卫林,陈乐生,裴向军,等.汶川地震公路震害分析-桥梁与隧道[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]林忠军.深层隧道排水系统在城市排水规划中的应用[J].城市道路与防洪,2014(5):143-147.

[4]Xiao YAN,Juyun YUAN,Haitao YU,etc.Multi-point shaking table test design for long tunnels under non-uniform seismic loading[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2016(59):114-126.

[5]陈向红,陶连金,陈曦.水下隧道附属竖井的横向地震响应研究[J].科学技术与工程,2016,16(13):273-278.

[6]于新杰,张鸿儒,王逢朝.南京长江沉管隧道竖井地震反应分析[J].北方交通大学学报,1999,23(4):61-64.

[7]肖梦倚,费文平.半埋式深竖井结构的三维动力响应特征[J].武汉大学学报,2015,48(1):34-38.

[8]楼梦麟,潘旦光,范立础.土层地震反应分析中侧向人工边界的影响[J].同济大学学报,2003,31(7):757-761.

[9]楼云锋,杨颜志,金先龙.输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析[J].岩土力学,2014,35(7):2095-2102.

[10]何川,苏宗贤,曾东洋.盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究 [J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2063-2069.

[11]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S ].