邻近地裂缝地铁隧道地震响应分析

2019-03-04，，，

铁道建筑 2019年2期

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(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054；3.同济大学土木工程学院，上海 200092)

西安在中国抗震区划中属于Ⅷ度区，同时西安城区有14条仍然处于活动之中的地裂缝[9-10]，西安地铁3号线丈八北路站到延平门站区间、吉祥村站到小寨站区间、广运潭大道站到浐灞站区间均存在地铁隧道近距离平行于地裂缝的问题，因此有必要开展邻近地裂缝地铁隧道地震响应研究。在地震荷载作用下，本文研究近距离平行地裂缝的地铁隧道场地的动土压力特征、隧道衬砌结构的内力分布、变形特征，为邻近地裂缝地铁隧道结构抗震设计提供依据。

1 工程背景

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用有限差分软件FLAC 3D进行模拟分析。结合工程实际情况，计算模型充分反映隧道衬砌结构的力学特征，同时有效减少边界效应对隧道结构受力的影响。模型尺寸取130 m(水平方向)×50 m(竖直方向)。隧道拱顶埋深为10 m，隧道与地裂缝之间的净距为30 m，地裂缝倾角为80°。

图1 模型示意(单位:m)

2.2 参数确定

数值模拟计算中，采用局部阻尼表征岩土体对地震波的阻尼作用。土层的局部阻尼系数αL的计算公式为

αL=πD

(1)

式中，D为土层的临界阻尼比。

D参考瑞利阻尼中的临界阻尼比ξmin进行取值[12]。D=ξmin=5%。经计算得到αL为 0.157 1。另外，根据经验，隧道衬砌结构的局部阻尼系数取0.10。数据模拟计算参数见表1。

表1 数据模拟计算参数

2.3 计算工况

根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[13]的要求，考虑地铁隧道受力特点和隧道横向抗震特征，数值模拟时均单向水平输入地震波。

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[14]规定：抗震设防采取三水准设防措施。多遇地震，50年超越概率63%，重现期50年；设防烈度地震，50年超越概率10%，重现期475年；罕遇地震，50年超越概率2%，重现期 1 641～2 475 年。同时，根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[15]，西安市区地震动峰值加速度为0.20g。按表2中的5种工况计算。

表2 数值模拟计算工况

2.4 地震荷载处理

地震波大部分能量集中在低频部分，利用Butterworth方法进行低通滤波校正。先过滤地震波中频率大于10 Hz的高频部分，再对原始的加速度时程或速度时程进行积分，得到的最终位移并不为0，这将导致计算结束时模型底部产生残余位移，使得计算结果不准确。因此，数值模拟采用Linear方法对输入的地震波数据进行基线校正。先根据下式将地震波速度时程转化为应力时程，然后将应力施加在模型底部黏性边界上。

σn=-2ρCPvn

(2)

σs=-2ρCSvs

(3)

式中：σn和σs分别为施加在黏性边界上的法向和切向应力;ρ为介质密度;CP和CS分别为P波和S波在介质中的传播速度;vn和vs分别为法向和切向地震波速度分量。

3 模拟结果与分析

3.1 竖向土压力增量

为了研究地震作用下邻近地裂缝地铁隧道场地竖向土压力特征，定义土体任意一点在地震作用下最大竖向土压力与静止状态下竖向土压力的差值为竖向土压力增量。分别输入5种不同地震波，得到隧道拱顶(埋深z=10 m)和底板(埋深z=20 m)竖向土压力增量在各监测点的变化曲线，见图2。

图2 竖向土压力增量变化曲线

分析图2可得：从整体上看各监测点的竖向土压力增量随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。同一工况中地裂缝下盘各监测点的竖向土压力增量相差不大。地震作用下地裂缝上盘和下盘的竖向土压力增量差异显著，地裂缝上盘的竖向土压力增量明显大于下盘。土压力增量曲线在地裂缝和地铁隧道处出现2个峰值，且在地铁隧道处的峰值较大。

3.2 竖向土压力

不同工况下隧道拱顶处竖向土压力时程曲线见图3。可见：在施加地震荷载后拱顶处竖向土压力迅速上升，RG-63，RG-10，RG-2，EL，KB竖向土压力相比初始竖向土压力增幅分别为21.68%，67.26%，93.69%，60.23%，54.72%。由此说明工况RG-2时地震荷载对拱顶处竖向土压力影响最大。