沉管隧道抗震研究综述

2020-01-01杨万理宁杰钧秦军武

四川建筑 2020年2期

杨万理，宁杰钧，杨通，秦军武

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

沉管隧道即为用沉管法修建的水底隧道，自1910年世界上首座沉管隧道——美国底特律水底铁路隧道修成以来，沉管隧道已有百余年的发展历史。与桥梁结构相比，沉管隧道以其不影响水面船只正常航行、受气候因素影响较小、抗震性能较好等特点，在大型越江、跨海工程中得到了广泛应用。20世纪90年代前，日本学者认为地震引起隧道的振动是和大地同步的，因此隧道能承受地震引起的振动，能保证隧道交通的安全。但在1995年日本阪神大地震发生之后，当地的地铁隧道发生严重的破坏，这种严重的破坏当时在日本属于首次，推翻了日本专家认为隧道结构抗震能力强、安全的定论[1]。我国地属地震高发区，地震的频发同样从不同程度上造成了隧道结构的损坏，沉管隧道的抗震研究越来越引起重视。本文总结了大量国内关于沉管隧道抗震研究的文献资料，并通过这些文献研究的成果对下一步的研究进行展望。

1 研究方法进展

针对沉管隧道所开展的抗震研究一般可分为两类——模型试验与数值模拟，模型试验往往需要投入大量人力物力，试验进行的周期较长，且在地震波输入方式、相似理论设计、模型箱设计等存在的问题还未能找到有效的解决方法[2]。关于数值模拟理论基础的研究已比较透彻，能够有效地模拟沉管隧道在各种工况下受到地震波的作用，操作简便，结果也较为接近实际的数据。

1.1 数值分析方法的研究进展

目前，常见的用于沉管隧道抗震分析的计算方法主要有：反应位移法、BART法、质点-弹簧法、动力有限元法等。反应位移法是由日本学者于20世纪70年代提出的，较早应用于日本规范中，该方法首先需要计算地震作用下地基土体的位移，并将此位移作为地震荷载作用到采用地基梁来模拟隧道结构上，充分考虑了地下结构地震作用的反应特点，能较为真实反映其受力特性。BART法是用于美国旧金山市海湾快速轨道运输系统(BRAT)的抗震设计方法，该方法主要是以已知的地震波动为基础求出其地震参数，并根据地基土参数和隧道结构自身的刚度，求出其地震作用下的振幅与波长，从而求出隧道结构的地震响应[3]，但该方法只能求出某种特定的地震波作用下的地震响应，局限性较大。日本学者对其缺点作出改进，提出了质点-弹簧法，充分考虑了轴向地基不均匀性而导致地震波特性发生改变的情况，将土体-隧道结构简化成一系列沿纵向划分的质点-弹簧模型，以振动理论为基础求解其地震作用下的响应，该方法的计算精度较高，直到近代以来仍有许多沉管隧道工程是以这种方法来进行计算的，但此方法无法真实模拟管节及节段接头动力特性。动力有限元法则是将整体的隧道结构划分成有限元单元网格，合理考虑边界条件后，输入地震波进行动力响应分析[4]，精度较高，能较好模拟实际的工程情况，但往往计算量比较大，然而随着计算机技术的不断发展和有限元软件功能的日益强大，此方法已逐渐成为沉管隧道抗震分析的主流方法。

国内许多学者同样对抗震分析方法研究的发展作出了很大的贡献。韩大建等[5-6]基于质点-弹簧模型提出了时程响应法与行波法的抗震分析方法，并分别对广州珠江水下隧道进行了实例计算。严松宏[7]在日本学者所提出的沉管隧道数学模型的基础上进行了改进，提出隧道整体地震反应的离散化分析方法，并以此为基础建立了南京长江沉管隧道的离散化分析模型，针对沉管隧道接头的力学性能进行了分析[8]。高峰等[9]采用三维有限元模型分析南京长江沉管隧道管段和接头处的应力响应，以粘-弹性人工边界来模拟地基的无限性，运用Newmark隐式时间积分方法计算了各个工况下沉管隧道的地震反应。刘晶波等[10]针对工程中运用反应位移法的一些问题，提出了采用土-结构相互作用模型进行分析的整体式反应位移法，采用此方法对阪神地震中遭到严重破坏的大开地铁车站为背景进行抗震计算分析，并与动力时程法、传统反应位移法所求得的结果进行对比分析，验证了其可行性。

1.2 模型试验的研究进展

国内针对沉管隧道抗震开展的模型试验研究起步较晚，一是花费巨大，二是尚存在许多理论问题有待解决。数值模拟只是通过计算机进行数值计算来求得相应结果，往往不具有说服力；模型试验相比于数值模拟来说更能反映实际工程情况，更能直观地分析工程问题，因此，对沉管隧道抗震研究来说，模型试验也是十分重要的。

袁勇等[15]以港珠澳大桥沉管隧道为工程背景，基于由4台面振动台组成的线状多功能试验系统，考虑沉管隧道非一致地震激励，开展了超长沉管隧道的多点振动台模型试验，设计并制作了由4个主动箱和8个随动箱组成、长达40 m的节段式模型箱，用于振动台多点输入，试验最终获得了隧道管节振动特征、特定部位的加速度、管节接头最大张开量等数据。闫维明等[16]进行了关于沉管隧道减震方面的研究，基于调谐液体阻尼器TLD理论，设计出了一种阻尼器腔体与受控结构刚性连接的颗粒阻尼器-隔舱式颗粒阻尼器，并在1/60的沉管隧道缩尺模型上进行了有、无阻尼器两种情况下的振动台试验，由实验结果对比分析得，隔舱式颗粒阻尼器能够有效地降低主体结构纵向的响应峰值、纵向基频等，减震效果较为显著。程新俊等[17]以港珠澳大桥沉管隧道为工程背景，进行了几何相似比为1/30的沉管隧道振动台试验，考虑了管节接头、地基土以及上覆水的影响，设计了干砂场地、饱和砂土场地、饱和砂土场地包含上覆水3个试验，分别研究了其对沉管隧道地震作用的影响。并对结果进行了分析与比较。张学明等[18]为了研究沉管隧道结构及其接头的抗震性能，以广州洲头咀沉管隧道为工程背景，进行了几何相似比为1/60的大型振动台试验，对相邻振动台作动器的启动设置相应的时间差来模拟行波效应，研究其对沉管隧道整体及其接头的地震响应。

2 沉管隧道抗震研究进展

2.1 沉管隧道地震响应研究

沉管管节通常是由工厂预制而成的，刚度较大，整体性较好，在地震作用下发生严重破坏的可能性较小，管节接头是连接各个节段的重要结构，在水下的受力情况复杂，对密封防漏性能有着极高的要求，其中又含有GINA止水带、OMEGA止水带、剪力键等关键部件，因此对接头处的地震响应问题尤为值得关注。其中，文献[8、11-13、19-27]等都对沉管隧道接头处的地震响应做出了深入研究，其相对位移、止水带张开量、荷载等物理量是衡量沉管隧道整体抗震性能的重要指标。

2.2 水对地震响应的影响

在以往的沉管隧道抗震研究中，将沉管隧道简化成质点-弹簧体系模型来进行计算，通常都是不考虑水的作用，在有些研究中则是以附加质量来代替水的影响[19]，这都与实际工程的情况有所出入，无法很好地模拟水与固体-土体的耦合作用。彭海阔等[20]运用有限元分析软件ANSYS建立了以上海外环线沉管隧道为工程背景的沉管隧道-土壤-流体相互作用的有限元模型，采用Newmark积分方法研究了不同水深条件下动水压力对结构抗震的影响，分析结果得出了在水平地震作用下动水压力对结构影响较小，在竖向地震作用下动水压力影响则较大等结论，并指出在结构发生竖向振动时流-固耦合作用不能忽略。程新俊等[17]在其模型试验中考虑了地基土中的水以及上覆水对结构的影响，主要考察了模型土层的加速度、结构的加速度、结构应变以及土层孔压等物理量，得出了在有上覆水的饱和砂土中，地震模型结构的上述物理量无显著影响的结论，而干砂地基与饱和砂土地基的条件下，结构的地震响应存在较大的差异，同样印证了水对结构的地震响应有很大影响。

2.3 地震波入射角度对地震响应的影响

地震波入射角度在沉管隧道的抗震研究中经常被忽视，在过往许多学者的研究中，地震波入射往往都是采取与结构垂直的入射方式，然而在实际工程中，地震发生的方位难以进行准确的预测，空间关系较为复杂，因此在地震波斜入射情况下的地震响应问题也应该予以重点考虑。张旭等[12]在研究天津海河沉管隧道接头抗震问题时，考虑了地震波入射角度的问题，在建立三维有限元模型后，对地震波入射的角度进行了调整，得出了当地震波入射角度为90°时引起的管节接头相对位移最大的结论。周鹏等[22]利用有限元分析软件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整体三维有限元模型，采用粘-弹性人工边界，考虑了海水与海床土的耦合效应，将地震作用转化为人工边界上的等效荷载，分析地震P波从不同的角度入射对隧道结构的影响，在其研究中指出了沉管隧道结构的地震动力响应会随着地震动入射角度不同发生很大变化，在抗震设计时应予以考虑。

2.4 非一致激励对地震响应的影响

沉管隧道一般都为长线型结构，地震波沿轴向传播过程中往往会存在相位差，因此在不同边界点上产生的地震响应存在差异。周云东等[26]人工合成考虑了地震动随机性和传播特性的多点地震动，在场地土基岩层底部分别施加一致输入、行波效应、相干波及行波加相干波的地震激励对有限元模型进行抗震研究，计算结果表明，非一致激励会显著增加隧道结构的地震响应。张学明等[18]进行了考虑行波效应的沉管隧道模型振动台试验，设计了装配式模型箱来模拟非一致地震激励的工况，得到了各个工况下土与隧道的加速度响应、接头加速度响应、接头轴力、接头弯矩与变形等数据，分析并指出地震一致激励下，隧道结构与周围土体的运动情况较为一致，这与其他学者在数值模拟中得到的结论相似；在地震行波激励下，隧道结构与周围土体会产生相对滑移，且地震响应比一致激励的情况下大。

2.5 温度变化对地震响应的影响

与一般的地下结构不同，沉管隧道结构长期在水下工作，且埋设深度一般较浅。由于水的比热容较大，在白天受到阳光直射，温度上升较快，夜晚温度则迅速降低，会产生一定的温度差，温度的变化在季节的更替中更为明显。沉管隧道管节接头中含有GINA止水带等橡胶制成的重要部件，温度变化会对其工作性能产生一定的影响，因此温度变化对沉管隧道接头处地震响应产生的影响问题同样值得去深入研究。李贞新等[14]采用其提出的超长沉管隧道地震响应快速分析方法，对港珠澳大桥沉管隧道分别在升温及降温工况下进行了抗震分析，指出季节变化导致的温度变化会对节段式沉管隧道地震响应产生较大的影响，尤其是对沉管的管节接头变形量、竖向剪力键剪力、水平剪力键剪力等。李万里等[27]基于反应位移法的基本原理建立了考虑接头弹簧刚度和土弹簧刚度影响的纵向梁-弹簧有限元模型，并采用地震波非一致激励的输入方式，研究升降温工况下沉管隧道接头的地震响应，研究得出升温工况下管节接头的刚度提升、张开量减小，对抗震是有利的；降温工况下管节接头的刚度降低、张开量增大，对抗震是不利的，在抗震设计中应以降温工况作为控制工况。

3 研究展望

我国关于沉管隧道的研究起步较晚，但随着港珠澳大桥沉管隧道工程的顺利建成通车，标志着我国沉管隧道建造技术已经步入世界前列。由于地震产生的巨大破坏性以及发生的不可预知性，抗震研究应始终着重关注，要深入了解沉管隧道在地震作用下的受力作用，才能有效提高沉管隧道结构的安全性。沉管隧道的抗震研究今后还可以从以下几个方面进行深入探索。