近断层地震动对跨活动断层隧道动力响应研究

周宇锴，张志强

(西南交通大学土木工程学院地下工程系，四川成都 610031)

活动断层错动不仅造成巨大的位错量，同时释放出的能量以地震波的形式通过周围岩层介质向四周传播，对于跨越活动的隧道无疑会造成破坏。2008年汶川8.0级地震后，多条隧道遭受严重损伤，且大部分靠近发震断层，即受到近场地震波的作用，如都汶高速龙溪隧道、烧火坪隧道[1-2]。近断层的严重震害引起了地震工程学家的广泛重视，系统研究近断层地震动依赖于观测记录的积累和理论分析方法的提高[3]。在对上述的特大地震记录中发现，近场地震的特性有：上盘效应、近断层破裂的方向性效应、滑冲效应、近断层速度大脉冲和竖向效应，这些近场地震动效应与远场地震动特性显著不同。因此研究近场地震动效应具有重要的意义。

本文以乌鲁木齐4号线跨越碗窑沟逆断层为研究对象，碗窑沟断层具备发生6.5～6.9级地震的构造条件，该地震震级对近断层区域的隧道结构具有巨大的破坏性，因此研究隧道结构在近场地震动作用下动力响应分析具有一定的科学价值，为实际工程提供一定的参考。

1 有限元模型建立与参数设置

1.1 模型建立

采用有限差分软件FLAC 3D建立三维动力计算有限元模型，模型的左右边界取2～3倍洞径，下边界从仰拱往下取2～3倍洞径，根据4号线地勘资料，隧址区埋深为15 m，断层带宽度取36 m，断层倾角58 °，交角50 °。根据设计资料，初期支护采用厚度为300 mm的C25混凝土，二衬采用厚度为600 mm的C45混凝土。

采用实体单元来模拟围岩、初支和二衬，采用interface单元来模拟活动断层上下盘以及围岩与衬砌之间的接触关系，其法向刚度和切向刚度为10倍于周边单元体最硬的等效刚度。模型的四周采用自由场边界来模拟无限大的地质区域、底部采用粘性边界来防止地震波的反射和折射。最终的模型尺寸为长×宽×高=135.0m×40.0m×43.6m，如图1所示。

图1 三维计算模型

1.2 阻尼设置

结构体系采用瑞丽阻尼，即结构阻尼矩阵C可由结构质量矩阵M和刚度矩阵K线性组合而得，如下式所示：

[C]=a0[M]+a1[K]

其中：a0为与质量成比例的系数；a1为与刚度成比例的系数。

1.3 监测点布置

选取二衬断面的拱顶、左拱腰、左拱脚、左墙脚和仰拱等关键点进行监测，其横断面监测示意图如图2所示。此外，在断层面处、上盘和下盘正常带地表各设置了一个监测点。

图2 横断面监测点

2 地震波选取分析

本文是研究近断层地震动对隧道结构动力响应影响，故选取了2条近断层地震动，再选取2条非近断层地震动作为对比分析。近断层地震动均选自1999年台湾Chi-Chi地震动，属于向前方向性地震动[4]，记录台站分别是TCU049和TCU116，普通地震动选自EI-Centro地震波和Taft地震波。计算中，4条地震动峰值加速度均调整为0.3g。为节约计算成本，截取TCU049地震动包含峰值加速度在内的10～24 s段形成对应的计算用地震波，截取TCU116地震动16～36 s段形成对应的计算用地震波，截取EI-Centro地震波0～15 s段形成对应的计算用地震波，截取Taft地震波0.5～15.5 s段形成对应的计算用地震波。

地震波截取之后，并把地震动峰值加速度调到0.3g，然后进行滤波和基线矫正处理，使处理后的地震波能为计算所用。对4条地震波进行傅里叶变换得到其傅里叶谱值，其中傅里叶幅值谱表征地震动能量在各频率范围的分布[5]。近断层地震动卓越频率主要分布在低频段0～1 Hz范围内，普通地震波的卓越频率分布在高频段2～10 Hz，可见近断层地震波属于长周期地震波，其低频带能量丰富，普通地震波高频带能量丰富。

4条地震动速度时，经滤波和基线处理后，发现最终的速度为零，可见，截取的地震波时程曲线可以用于动力计算。近断层地震动有高速脉冲的特性，主要指的有较长的周期、速度峰值与加速度峰值比(PGV/PVA)较大[6]。其中TCU116地震动和TCU049地震动的峰值加速度均较大，也具有近断层速度大脉冲的特性，特别是TCU116地震动。其PGV/PGA的比值自然也较大，TCU116地震动PGV/PGA比值为0.20。

3 计算结果分析

3.1 地表加速度响应

4条地震波施加方向为衬砌结构的横断面，即以剪切波的形式进行加载。加速度响应的波形与输入地震波波形基本一致，说明计算结果是可靠的。各地表节点的加速度响应均有不同程度的放大，各节点呈现的规律为破碎带>下盘≈上盘，即围岩级别相差越大，加速度响应放大效应越明显。

从加速度响应峰值来看，4种工况下最大值是Taft地震作用下产生的，值为0.805 g；其次是EI-Centro地震波作用下的0.752g，最小的加速度响应是TCU049地震波下的0.714g，可见，加速度放大效应中最大值为2.68倍，最小也有2.38倍。说明相同峰值加速度情况下，近断层地震动作用下的地表加速度放大效应并没有比普通地震波作用下的地表加速度放大效应大。

3.2 衬砌结构加速度响应

将各个监测点加速度响应在4条地震动作用下的峰值提取出来，绘制图3和图4所示的图形，由图可知，在相同峰值加速度地震作用下，衬砌结构的加速度响应具有不同程度的放大效应，放大效应最大的是TCU116地震波作用下的2.083倍，最小的是Taft地震波作用下的1.170倍。在同一监测断面下，地震波产生的衬砌结构加速度响应由大到小依次是TCU116波、EI-Centro波、TCU049波和Taft波，这也说明近断层地震动作用下衬砌结构的峰值加速度响应并没有比普通地震动作用下的显著。

图3 S5断面峰值加速度响应

图4 F0断面峰值加速度响应

3.3 衬砌结构速度响应

图5和图6分别为S5断面和X5断面的峰值速度响应，由图5、图6知，在同一工况下，各监测点的速度响应基本相同，且有不同程度的放大，从与断层面距离来说，S5断层的各监测点的峰值速度响应略低于F0断层的速度响应，但是值相差并不明显，说明在围岩与衬砌结构的互相作用下，围岩级别对衬砌结构的速度响应有一定的影响。

图5 S5断面峰值速度响应

图6 F0断面峰值速度响应

F0断面下，4条地震动作用下峰值速度放大倍数分别为2.32倍、2.08倍、1.82倍和1.72倍，这也体现近断层地震动具有高速脉冲、较大的PGV/PGA值。

3.4 衬砌结构应力响应

衬砌结构最大主应力响应如图7和图8所示，S5断面各节点应力响应规律为拱顶>左拱腰>左拱脚≈左墙脚≈仰拱，F0断面的应力响应规律为拱顶<左拱腰<左拱脚<左墙脚<仰拱。

图7 S5断面最大主应力响应

图8 F0断面最大主应力响应

相同断面下，4条地震波作用下应力响应呈现的规律为：TCU116>TCU049>EI-Centro>Taft，近断层地震动的应力响应比非断层地震动大很多。以F0断面为例，TCU116地震波下的仰拱最大主应力是EI-Centro波和Taft波的3.81倍、6.37倍，左墙脚最大主应力是EI-Centro波和Taft波的4.05倍、6.87倍。TCU049地震波下的仰拱最大主应力是EI Centro波和Taft波的1.96倍、3.28倍，左墙脚最大主应力是EI-Centro波和Taft波的1.70倍、2.88倍。

4 结论

本文以乌鲁木齐轨道交通4号线跨越碗窑沟逆断层为研究背景，利用数值软件建立三维有限差分模型，对比分析近断层地震动与普通地震动对跨活动断层隧道动力响应的差异，主要有以下结论：

(1)近断层地震动属于长周期地震动，其低频带能量丰富，普通地震动高频带能量丰富；近断层地震动具有高速脉冲特点，具有较高的PGV/PGA值。

(2)地表加速度响应和衬砌结构加速度响应均有不同程度放大，即围岩级别相差越大，加速度响应放大效应越明显。近断层地震动作用下加速度响应放大效应并没有比普通地震动显著。

(3)近断层地震动作用下的衬砌结构速度响应和应力响应都比普通地震动大，且围岩级别越差，应力响应越大，因此，需采取措施提高跨活动断层隧道在近断层区域的抗震性能。