水下长大沉管隧道抗震性能及减震措施研究进展

甘长江，赵 杰

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

自1910 年美国开始兴建沉管隧道以来，日本、荷兰和中国等也开始对沉管隧道进行了大量的研究并取得了不错的成果，根据已有统计数据显示，目前世界上已建成的大型沉管隧道已有130 多座，我国也相继建成了港珠澳大桥（东部桥梁，西部沉管隧道）、上海外环越江隧道、大连湾海底隧道等超大型沉管隧道[1]。截至目前，沉管隧道已经有了一百多年的发展历史，与桥梁比起来，它的优势在于不影响海面及江面的通航，受气候、温度影响较小，同时占海面积小，环保经济，建造速度快等。在我国沉管隧道已广泛地运用于核电厂取排水、交通、油气管道输送等各个领域。沉管隧道技术快速发展的同时也带来了一些问题，地震灾害的防治是我们不得不面对的现实问题，如何进行合理的抗震分析、进行怎样的抗震措施才能保证隧道足够的安全。本文简要的介绍了一些隧道震害特点，对沉管隧道震害特点、地震响应计算方法、沉管隧道纵向抗震计算简化方法做了系统地总结，对提高沉管隧道抗震技术有益，并通过总结对比下一步研究展望。

1971 年，在美国的圣菲尔南6.4 级的大地震中，一些排水管道、煤气输送管道出现了裂缝，防水能力下降，VanNor-mannorth 隧道、Balboa 隧道等衬砌出现了裂缝，部分结构出现错位，消防设施被破坏[2]。2008 年，中国汶川发生了8.0 级的特大地震，在对震后的51 座隧道进行的检测中，发现有29 座发生了不同程度的损坏，其中有18 座出现了拱顶塌落、衬砌开裂，其中破坏比较严重的有龙溪隧道、龙洞子隧道等[3]。地震灾害对我国的经济发展、人民生命安全、重要设施安全等，也是潜在的危险。因此隧道的抗震减震问题，关系到我国人民财产安全、国家重要设施安全、国计民生等。隧道的抗震减震也是隧道设计者和地震工作者所面临的巨大挑战，尽管在这方面已经取得了一些成果，积累了宝贵的经验，但未能系统地运用到实际工程中。

1 沉管隧道抗震研究方法

1.1 原型观测

原型观测是通过进行实地测量隧道地震后的位移变形等情况，总结规律、震害机理。原型观测在沉管隧道抗震研究中也发挥着重要的作用，地震前在隧道中安装测量仪器，遇到地震时，可以得到地震记录，获得真实的地震反应数据，验证抗震方法的可行性以及地震响应计算方法的合理性[4]。人类对于地震的认识都是源自于对地震灾害长期的观察和经验的积累，一些抗震方法，都是经过长期对地震的观测总结出的规律，再根据规律提炼出来的。虽然原型观测方法受观测手段、时间和其他条件的限制，但是所测得的数据及特点却能够真实的反映出隧道的地震响应特点[5]。在1970 年的时候，日本学者对松化群发地震中的沉管隧道做了动态应变监测，监测结果表明管线与地基是同时震动的，自身没有发生震动。在此之后，经过对一些隧道的地震观测，认识到地基变形会影响隧道地震响应而不是惯性力[6]。1975 年，美国学者对Humboldt 核电厂进行了地震观测，并将观测的结果和计算的结果做了比较[7]。自此以后，有关地震观测的资料开始不断的积累，尤其是在1995 年，日本发生了阪神大地震，学者专家进行了广泛的地震灾害调研，并收集了大量的震害资料。

目前的地震观测是对震后的结果进行的观测记录，难以实时监测地震时隧道的变形、应力变化、破坏情况，因此更无法知道地震波的输入机制、承受荷载大小以及地基变形等情况，也无法通过控制其他因素，来观察单一因素对地震响应的影响，但是模型试验却可以弥补这些缺点，同时模型试验可以模拟地震波的输入机制以及地震时间等，因此模型实验的研究也越来越多。

1.2 模型试验

为了验证一些理论和计算模型的合理性以及地震作用下沉管隧道的破坏机制，模型实验也逐渐成为一种不可或缺的研究方法。模型试验主要通过激震试验来研究隧道的地震响应规律，有两种方式，一种是振动台试验，另一种是人工震源试验，由于人工震源试验比较难以控制影响因素且操作比较麻烦，所以目前用的很少，而振动台试验能够处理这些方面的问题，可以直观的反映地震破坏过程以及破坏机理，因此被广泛的使用，通过实验能够更好的掌握沉管隧道地震反应特性，进而为沉管隧道的抗震设计提供了理论依据。

闫维明等[8]在振动台试验中加入了新型阻尼器，并通过振动台试验来测试阻尼器的减震效果。程新俊等[9]根据港珠澳大桥沉管隧道的尺寸，按1∶30 比例的沉管隧道模型进行了振动台试验，同时考虑了接头、不同砂土地基基础的影响等。张学明等[10]根据广州洲头咀沉管隧道的尺寸建造了1/60 比例的沉管隧道模型，同时考虑了接头对沉管隧道刚度的影响，通过控制相邻振动台的启动时间来模拟行波效应，进行了大型振动台试验，研究了隧道的整体以及接头的地震响应规律。袁勇等[11]以港珠澳大桥的沉管隧道为工程背景，进行了模型试验，研究了非一致激励下沉管隧道的地震响应规律，并测得了地震作用下接头的最大张开量。OKAMOTO 等[12]将沉管隧道模型简化成了多质点体系模型，并在水下进行了振动台试验，对隧道进行了地震响应分析，这是第一次对沉管隧道做的振动台试验。萧文浩等[13]为了研究压弯荷载对隧道接头刚度度的影响，采用1∶10 比例的沉管接头模型进行了试验。胡指南等[14]利用大型的堆载试验系统研究地基的不均匀沉降对沉管隧道接头受力的影响，并将受力模式分为三个阶段：初步压缩、充分受力、屈服破坏。陈红娟等[15]利用北京工业大学的振动台，进行了沉管隧道地震响应的研究，并且试验中模拟非饱和土地基对沉管隧道地震响应的影响。YANG 等[16]把乔治马西亚沉管隧道作为实际工程背景，研究了沉管隧道在受地震荷载过程中的位移规律，为抗震设计提供了有力的依据。

1.3 理论分析

沉管隧道抗震的理论分析方法主要有解析法和有限元法，使用最多的是有限元法，包括反应位移法、时程分析法、动力有限元法等[17]。魏纲等[18]把港珠澳大桥工程作为工程背景，通过有限元软件ABAQUS 建立了三维有限元沉管隧道模型进行计算分析，同时考虑地基无限域辐射阻尼效应以及初始应力平衡，得出了沉管接头附近容易发生应力集中的结论。严松宏[19]改进了日本学者提出的数学模型，提出了一种新的沉管隧道整体在地震响应中离散化的分析方法，对沉管隧道接头部位的力学性能进行了研究分析。高峰等[20]以南京长江沉管隧道为实际工程背景，模拟沉管管节及接头部位并建立了三维精细的有限元模型，人工边界采用了粘弹性边界，运用Newmark 积分方法分析计算不同工况下的地震响应。刘晶波等[21]对反应位移法中的计算模型进行了改进，加入了桩-土相互作用的模型，以日本大开地铁车站为实例，分析了地震响应规律，与传统反应位移法、时程分析法的计算结果进行了比较，验证了其合理性。刘正根等[22]通过建立三维有限元沉管隧道模型，考虑了止水带与管节混凝土的非线性接触，通过分析计算得出了接头处的应力分布规律。陈贵红等[23]以上海的某个越江隧道为工程背景，建立了沉管隧道-柔性接头-地基土的三维有限元分析模型，考虑了地基土与隧道的相互作用、接头非线性接触等因素，计算分析了隧道整体在地震作用下的变形。

2 沉管隧道纵向地震响应的简化分析方法

目前国内外在沉管隧道抗震设计方面已经提出了很多简化计算方法，但是这些方法一般都是建立在一些假设或者简化的基础之上，因此它的计算精度没有有限元分析方法的高。但是由于实际工程案例比较复杂，做到精确准确难度比较大，且经济成本比较高，所以采用简化的方法进行抗震计算验证又是非常有必要的，简化模型的分析方法具备了涉及的参数少、工作计算量低、分析计算时间少等优势，也逐渐备受设计人员青睐。本文介绍了质点-弹簧模型、梁-弹簧模型、多体动力学模型三种常见的简化分析方法。

2.1 质点-弹簧模型

长大海域沉管隧道纵向抗震分析中运用比较多的简化模型是质点-弹簧模型，该模型也可以运用于其它地下结构抗震分析[24]。一般沉管隧道的纵向长度比较大，纵向地基土层的分布也是不均匀的，导致经验假设计算得出的位移和地震荷载作用下地基土层的实际位移差别比较大，而质点-弹簧模型可以弥补这一缺点。质点-弹簧模型假设了隧道和地基土层一起振动，基岩的表层土的自震不受隧道的影响，且只考虑一阶剪切振动。该模型是将沉管隧道纵向的地基土层根据地质情况剖分成一系列的切片，每个切片简化成土质点，土质点之间用土弹簧连接，土质点与基岩也用土弹簧连接，因此这些质点和弹簧系统构成了质点-弹簧模型。而将沉管隧道简化成一条无限长、有弹性的地基梁，与质点之间用弹簧连接，如图1 所示[25]。质点-弹簧模型的最大优势就是计算简单，但实际工程情况比较复杂，比如沉管隧道自身复杂的结构，接头部位的止水带、剪力键、预应力刚束，构件之间的相互作用，会导致计算结果误差增大，若遇到地基不是基岩的情况，则不再适用于质点-弹簧模型。

图1 质点- 弹簧模型Fig.1 Mass spring model

图1 中，me为对应的土层切片质量；k1为土质点与隧道间的弹簧刚度；k2为相邻土质点之间的弹簧刚度；k3为土质点与基岩之间的弹簧刚度。

韩大建等[26]以珠江沉管隧道工程为背景，在质点-弹簧模型的基础上做了进一步改进，由于珠江隧道的地基多是强风化岩，土层部分比较少，把沉管隧道看作是支撑在弹性地基梁上的梁，再将弹性地基梁简化成质点-弹簧模型，地震波作用于基岩表面。该简化方式还能研究隧道接头刚度对隧道地震响应的影响，接头采用刚性接头时，沉管隧道的内力最大部位为管段自身，当接头为柔性接头时，沉管隧道接头部位的位移比较大，因此在计算实际地震响应要根据接头的情况，合理的确定接头的弹性系数。Li 等[27]在模态等效方法的基础上提出了一种适用于一维粘弹性场地的等效自由度模型，即进一步把土切片等效成更多质点，然后进行一维模态的叠加，再分析计算一维粘弹性场地下的地震动力响应。研究证明，这种自由度体系可以精确地体现地基土的固有频率、滞回阻尼，通过更少自由度计算取得更加精确的地震响应数据。在这基础上将这种方法从一维推广到二维，提出了一种适用于一维粘弹性场地的等效自由度模型，很大程度上改善了质点-弹簧模型的缺点，最后可以用二维的波动理论对结果进行验证[28]。

2.2 梁-弹簧模型

梁-弹簧模型是将实际工程中长隧道简化成了均质且无限长的弹性梁，地基与隧道之间添加地基弹簧和阻尼来模拟两者之间的相互作用力，然后合理地确定弹簧系数和阻尼系数（图2）。目前纵向反应位移法等拟静力法和动力时程分析法较多的运用梁-弹簧模型来简化实体隧道模型[29]。两种方法目前可以通过解析法和数值法来计算分析该弹性地基梁的地震响应，有限元数值方法使用的比较多，尤其比较适合分析更加复杂的结构体系，但在分析复杂结构的同时，计算量和模型处理的难度增大，因此解析法更适合于隧道抗震[30]。

禹海涛等[31]推导了在动荷载作用下隧道纵向动力响应的解析式，从解析式可以看出动荷载作用下隧道的结构稳态与瞬态响应的理论关系，这种分析理论也可以运用其它长大隧道的分析中。该计算中可以将地基简化成Winkler双参数地基模型[32]，即只有阻尼系数和地基弹簧系数两种系数，也可以将其简化成Pasternak 三参数地基模型[33]，即包括阻尼系数、地基弹簧系数、地层剪切刚度三种系数。根据积分变换的原理，将粘弹性地基梁的动力方程进行时间上的拉普拉斯变换和空间上的傅里叶变换，由此高阶偏微分控制方程转化为代数方程，利用卷积定理推导出隧道在地震动力的响应下剪力、位移、弯矩、速度、加速度的表达式。再将解析表达式统一起来，可以获得动荷载作用下隧道纵向地震响应的退化解，总结出型波波速、波长、频率以及地基刚度等参数的取值对于沉管隧道地震动力响应的影响[34]。

2.3 多体动力学模型

多体动力学模型是将建筑物简化成了由基本元件组成的多体模型，元件有质点、弹性体、刚体等，元件之间的相互作用用阻尼铰或者弹性阻尼铰模拟[35]。沉管隧道可以看成是由沉管管节、GINA 柔性接头、地基组成的多体系统，由于管节的刚度要比接头部位的大，同时考虑地基土与沉管结构的相互作用进行简化，管节简化成刚体，接头部位的受力作用用弹性阻尼铰来模拟，地基简化成刚体，地基-沉管隧道相互作用用阻尼铰模拟如图3 所示[36]。根据沉管隧道在地震作用下的受力特点，分别对多体系统接头铰及地基阻尼铰赋予相应的力学特性，由于多数沉管隧道接头采用柔性接头或者半柔性接头，刚体间接头铰的刚度变化是非线性的，根据接头的剪切动力响应规律，将剪切铰的刚度主要分为两个阶段[11]。

图3 沉管隧道多体动力学模型Fig.3 Multi body dynamics model of immersed tunnel

袁勇等[37]将沉管隧道简化成了多刚体—弹性阻尼铰—阻尼铰模型，依据多体动力学理论中的MS-DT-TMM 原理（离散时间传递矩阵法） 推导出与之相对应的表达式，通过工程实例验证了纵向地震响应时程分析计算的有效性，结果与传统有限元数值模拟分析结果相吻合，证明MS-DT-TMM 法的合理性、有效性，为沉管隧道纵向地震响应分析提供了一种新的研究手段。

3 沉管隧道抗震措施

地下结构的震害主要是由于周围地质岩土介质的相对变形而引起建筑物的相对破坏。对于隧道及地下结构抗震研究的起步还是比较晚，在二十世纪六七十年代，地下建筑物的抗震方法大多数都是采用了地上建筑物抗震减隔震的设计方法，直到20 世纪70 年代以后，地下建筑物的抗震方法逐渐才开始进行了深入的研究，在日本开始有了广泛的运用，涉及油气输送管道、重要厂取水隧道等[38-39]。近年来，随着我国地震灾害的频发和沉管隧道的数量增多，抗震减震问题已经迫在眉睫。

目前国内有关沉管隧道抗震的规范比较少，尚未有系统的抗震措施，但近些年已有很多专家做了研究，并提出了一些抗震、减震措施。采用比较合理的隧道简化模型和计算方法来计算隧道在地震作用下的结构内力，根据内力分布特点，设计出具有柔性的结构以及能够吸收地震能量的装置，同时又不损坏其自身承载力。Yu 等[40]从能量消散以及地震损伤积累的角度考虑，提出了沉管隧道在强震作用下耗散能量的措施，由于沉管接头是减震的关键部位，在地震作用下接头部位通常不能进入塑性工作，地震作用的能量不能得到消耗或者吸收。可以在接头部位加入减震耗能装置来消耗吸收能量，应对塑性变形等，减少接头的变形量，达到减震的效果，从而降低地震作用对隧道结构的影响。禹海涛等[35]也开发出了一种新的减震装置，这些装置包含了剪力连接键、可以更换的屈曲构件等，安装在接头部位以达到减震效果，并且通过试验结果证明，该装置具有很好的减震效果。地震时由断层活动造成的隧道错动破坏，不能从力学角度考虑，而应对实际工程的地质进行专门的研究，主要通过研究预测断层的活动方式、活动量以及工程运行期间的活动情况，在隧道设计时尽量绕开该断层，如若不能绕开，需要采取特殊措施，比如适当加大隧道的断面并布置相应的隧道变形监测系统，在地震时对隧道的管理采取一定的措施来减少损失。

4 结语

本文在总结了隧道震害特点的基础上，全面系统地阐述了原型观测、模型试验、理论分析三种沉管隧道地震响应计算方法及最新研究进展，基于这些方法，介绍了三种沉管隧道纵向抗震简化分析方法，分别为质点-弹簧模型、梁-弹簧模型、多体动力学模型，并简要总结了沉管隧道的一些减震措施，一定程度上可以反映出国内外沉管隧道地震响应分析以及减震控制研究目前的发展阶段。虽然长大沉管隧道地震响应计算分析的研究取得了不错的进展，但是要做好沉管隧道的抗震性能以及减震措施的研究工作，以及能够达到实际工程的抗震要求，以下几个方面需要进一步优化和改进：

（1） 对于模型试验方法，运用最多的是振动台试验，在接头、地基基岩、隧道环境等方面的模拟时，需要进一步提高模拟精度以降低试验误差；对于理论分析方法，运用最多是有限元数值模拟，尽管已经有很多人做了大量的研究，但在建模分析时，考虑的因素不够全面，比如一些研究模型无法体现出接头部位的相互作用，需要进一步优化有限元模型才能更加贴近实际工程；很少有人将数值模拟的结果将与地震后检测的结果进行比较，验证数值模拟分析结果的合理性。

（2） 水下长大沉管隧道纵向抗震分析运用最多的简化模型就是质点-弹簧模型、梁-弹簧模型以及多体动力学模型，这些简化模型虽然减少了工作量，降低了经济成本，但在简化的同时也增大了地震响应分析计算的误差，简化模型都是基于相对应的假设，但是由于实际工程中沉管隧道构造以及周围的环境都比较复杂，比如沉管隧道接头部位有止水带、剪力键、预应力钢索等，都会影响隧道整体的刚度，导致简化模型误差增大甚至失效。

（3） 对于沉管隧道抗震及减震方面，目前还未有系统全面的方法，需要加强对沉管抗震技术及减震方面的深入研究；对已有的一些减震构件，需要进一步优化，以便适应更复杂的地基环境，在实际工程运用中达到更好的减震效果。