盾构法施工的车站-通道-出入口建筑物体系的地震响应分析*

袁 勇 黎若寒 陈 鸿 李新星

(1. 同济大学地下建筑与工程系， 200092， 上海； 2 .同济大学土木工程防灾国家重点实验室，200092， 上海；3. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院， 200235， 上海∥第一作者， 教授)

在软土地层采用盾构法建造车站时[1]，需要重点关注车站结构、连接通道及出入口建筑物结构在地震作用下的安全性。

不同于区间盾构隧道，盾构法施工大直径隧道衬砌车站-连接通道-出入口建筑物(以下简为“车站-通道-出入口建筑物”)体系在空间上具有不对称性，且各部分的轴线相互交叉，结构刚度差异显著。在地震作用下，盾构法施工的大直径隧道衬砌局部开洞区域及各部分的连接部位可能会产生应力集中，造成结构的破坏。对此，有必要开展车站-通道-出入口建筑物体系地震安全性研究，分析地震作用下的薄弱环节及最不利位置，总结盾构法施工车站的动力响应规律。

隧道连接刚度变化段的地震响应规律，主要针对隧道-出入口建筑物以及隧道-联络通道两类体系。文献[2]模拟分析了盾构隧道与端头竖井连接处的管片及接头震害机制及影响因素，发现该连接处接头易发生剪切破坏。文献[3]基于连续多尺度桥域耦合动力分析方法研究了青草沙隧道与竖井连接节点的地震响应，发现隧道与竖井连接处存在较大的应力集中。文献[4]推导了纵向激励下竖井-隧道结构地震响应的解析解，发现竖井在地震作用下的转动一定程度上决定了隧道地震响应的大小。文献[5]通过振动台试验和数值模拟相结合的方式，研究了地铁车站-隧道结构连接的地震响应，发现车站与隧道之间强烈的变形不一致性是导致连接处发生位错破坏的原因。文献[6]采用振动台试验研究了竖井-隧道体系的地震响应，结果表明管片接缝的张开量取决于竖井和隧道之间地震响应的差异。文献[7]通过数值模拟分析了联络通道对盾构隧道抗震性能的影响，认为联络通道的影响范围大致为联络通道两侧各2.5倍通道直径的距离。文献[8]采用数值模拟对隧道与横通道组成的空间交叉结构进行了抗震性能研究，认为隧道与横通道连接部位的顶部是抗震的薄弱部位，需要采取加固措施。文献[9]建立了隧道联络通道地基系统的三维有限元模型，研究了双线隧道联络通道的地震响应，结果表明横向加载时联络通道对隧道的影响比纵向加载时大。文献[10]基于有限差分软件，建立了双线并行隧道及联络通道的三维数值模型，探讨了联络通道直径和长度对连接处地震响应的影响，结果表明联络通道越长越细，对隧道的不利影响越显著。针对连接通道的抗减震设计，一些文献对采用了不同连接方式[11]、加固地层[12]、不同接头的刚度[13]进行了研究。然而，对于更为复杂的车站-通道-出入口建筑物体系的地震响应，还少有研究报道。

本文以上海地区拟建的某盾构法施工车站为研究对象，采用三维有限元建立了车站-通道-出入口建筑物体系的三维数值模型，研究车站-通道-出入口建筑物体系在不同地震输入方向下的地震响应，确定地震作用下的最不利位置，以及不同地震输入方向下车站-通道-出入口建筑物体系的特征变形模式。

1 研究背景

拟建车站采用单层衬砌结构，设计覆土厚度为15 m，盾构衬砌外径为15.5 m，内径为14.2 m，预制管片厚0.650 m。衬砌环分为10块(包括1块封顶块、2块邻接块及8块标准块)，其采用通用衬砌环以满足直线段及曲线段施工，以及施工纠偏等需要，见图1。在衬砌管片拼装设计中，封顶块中线与水平线的夹角分别为0°、141.429°和205.716°，形成错缝衬砌管环。

尺寸单位:mm注：B为标准块;L为邻接块;F为封顶块。图1 衬砌管片示意图Fig.1 Diagram of lining segment

根据建筑布置要求，在车站站厅设连接通道，将车站隧道与出入口附属厅相连，连接通道结构内底面与车站主体结构的隧道轴线的竖向距离为2.3 m。站厅层出入口连接通道尺寸为 8.0 m×4.5 m，长12.6 m。需在隧道的4环衬砌管片上设置开口块，开口处衬砌环改用钢管片。施工时要求将连接通道与车站主隧道钢管片开口的四周间隙填充完整。出入口建筑物尺寸为32.00 m(平行于车站隧道轴线方向)×16.00 m(垂直于车站隧道轴线方向)×15.22 m(竖向)(结构设计示意见图2)。

2 数值模型的建立

2.1 模型设计

采用ABAQUS有限元软件建立地层-结构数值计算模型(以下简为“数值模型”)。模型包括地层、车站、连接通道、出入口建筑物，以及各部分间的连接。车站-通道-出入口建筑物结构模型见图3。

2.1.1 场地模型

车站所处土层分层较多，土层性质变化大。如图4所示，地层竖向(y向)共分为17层，其整体尺寸为120 m(x向)×70 m(y向)×100 m(z向)。采用SHAKE91软件计算可得每层土体的等效线性化参数[14]，作为地层数值模型中各层的动力参数。

2.1.2 车站结构模型

盾构法施工的车站结构衬砌分为C60混凝土管片和钢管片。在计算模型中，管片混凝土选取塑性损伤本构[15]，弹性模量为36 GPa、泊松比为0.2、体积质量为2 500 kg/m3。在前期试算中发现，管片开口影响范围约为8环管片。因此，开口管片两侧各8环管片采用精细化建模，远端管片根据刚度等效原则等效为均质管片(如图3所示)。钢管片等效为均质等厚管片，钢材采用理想弹塑性本构，弹性模量折减为80 GPa、泊松比为0.3、体积质量折减为6 780 kg/m3；管片间连接螺栓采用线弹性本构模型，弹性模量为200 GPa、泊松比为0.3、体积质量为7 850 kg/m3。

a) 衬砌管片开口

b) 剖面图

c) 平面图尺寸单位：mm图2 车站-通道-出入口建筑物结构设计示意图

图3 车站-通道-出入口建筑物结构示意图Fig.3 Diagram of station-passage-entry/exit building structure

图4 地层模型示意图Fig.4 Diagram of stratum model

2.1.3 连接通道及竖井模型

连接通道及出入口建筑物结构采用C60混凝土。连接通道截面宽度为8.0 m，高度为4.5 m，厚度为0.5 m；出入口建筑物结构长度为32.00 m，宽度为16.00 m，高度为15.22 m，壁厚0.8 m。由于本研究重点关注车站衬砌结构与连接通道的地震响应规律，故在数值模型中将出入口建筑物结构的材料设置为线弹性。

连接通道与车站连接段由顶管机头切割后内部浇筑混凝土而成，因此，该连接段设置为理想弹塑性本构模型，考虑刚度等效，弹性模量折减为47 GPa，泊松比为0.3，体积质量折减为3 460 kg/m3。

2.2 动力计算的边界设置

地下结构动力计算的数值模型有多种边界。从实用角度来看，等位移边界这类虽构建简单却能反映物理实质的人工边界条件，更便于实际应用。

由此y向剪切波传播为：

(1)

式中：

u(x,y,t)——t时刻质点的位移；

cs——剪切波速。

由式(1)可知，介质质点运动与坐标x无关，即边界上同一高度的介质质点运动时位移保持一致。设置等位移边界，即约束场地模型两侧相同高度节点的位移量，可模拟y向剪切波传播时的侧边界变形，并避免侧边界反射波干扰分析结果。

2.3 接触面设置

在数值模型中，土层-管片衬砌、土层-通道结构、土层-出入口建筑物结构、管片-管片、管片-螺栓等接触面较多。接触面作用方式主要有以下几种。

1) 嵌入。在数值模型中，螺栓均采用梁单元进行模拟，最终所有螺栓梁均嵌入与之接触的管片模型内部。

2) 摩擦接触。管片间，以及管片与土层间的表面为直接接触，定义为切向摩擦、法向硬接触的接触形式。其中，管片间切向摩擦系数取0.6，管片与土层间切向摩擦系数取0.3。

2.4 地震波输入

以地层-结构模型的底面作为地震波输入面，输入不同方向的加速度时程。输入地震波为50年超越概率10%(设防地震)的上海人工波，其地表加速度峰值为0.12g(g为重力加速度)，分为x向和z向输入。上海人工波加速度时程及傅里叶谱见图5。

a) 加速度时程

3 计算结果分析

3.1 结构应力

3.1.1 横向地震输入

在横向地震输入下，盾构法施工车站结构连接处的主应力云图如图6所示。基于最大拉应力理论，如某处最大主应力达到极限值，则认为该处发生破坏。由图6 a)可见：车站管片结构最大主应力为3.01 MPa，位于衬砌开口的底部管片转角处；通道结构最大主应力为2.35 MPa，位于通道与车站连接部位的底部转角处。由图6 b)可见：车站管片结构最小主应力为-3.92 MPa，位于管片开口的底部转角处；通道最小主应力为-6.07 MPa，位于通道与车站连接部位的顶部转角处。虽通道结构最大主应力超过了混凝土抗拉强度设计值，但其余部位未超过材料极限强度，故认为通道仍处于安全阶段。

a) 最大主应力

b) 最小主应力注：应力以受拉为正，受压为负。图6 盾构车站横向地震输入时结构主应力云图

管片环向螺栓及纵向螺栓的最大拉应力如图7所示。由图7可以看到，管片开口处下方纵向螺栓的最大拉应力为382 MPa，小于螺栓极限抗拉强度。故该处螺栓处于安全阶段。

单位：Pa图7 横向地震输入时的螺栓最大拉应力

3.1.2 纵向地震输入

类似地，纵向地震输入下盾构法施工车站的主应力云图如图8所示。由图8 a)可见：车站管片结构最大主应力为3.89 MPa，位于衬砌开口的底部转角处；通道最大主应力为3.81 MPa，位于通道与车站连接部位的底部对应转角处。由图8 b)可见，车站结构管片最小主应力为-7.57 MPa，位于管片开口的底部转角处；通道最小主应力为-13.45 MPa，位于通道与车站连接部位的底部转角处。通道结构最大主应力超过混凝土抗拉强度设计值，而其余部位主应力未超过材料极限强度，仍处于安全阶段。

a) 最大主应力

b) 最小主应力图8 盾构车站纵向地震输入时结构主应力云图

如图9所示，管片开口处右上侧的环向螺栓最大拉应力为380 MPa，小于螺栓极限抗拉强度。

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图9 纵向地震输入下螺栓最大拉应力云图

3.2 混凝土损伤

混凝土的损伤因子取值为0～1，其中0代表混凝土没有发生损伤，1代表混凝土完全破坏。

3.2.1 横向地震输入

横向地震输入下车站结构衬砌管片及通道结构的混凝土损伤如图10所示。通道结构混凝土的受拉损伤因子最大值为0.963，位于与车站连接部位的转角处，而车站衬砌管片受拉损伤因子最大值仅0.004，车站和通道结构的混凝土受压损伤因子最大值仅为0.007。

a) 拉伸损伤

b) 受压损伤图10 横向地震输入下的最大损伤云图

3.2.2 纵向地震输入

车站结构衬砌管片及通道结构的混凝土最大损伤如图11所示。混凝土最大受拉损伤位于通道与车站连接部位的转角处，损伤因子值为0.977；车站衬砌管片最大受拉损伤因子为0.113。受压损伤主要分布在连接通道与车站连接部位的转角处，损伤因子最大值为0.101，而车站管片的受压损伤较小，受压损伤因子最大值为0.002。

3.3 变形规律

将车站-通道-出入口建筑物体系特征变形放大3 000倍，得到变形示意图见图12。由图12可知：

1) 在横向地震作用下，出入口建筑物呈现典型的摇摆变形。由于出入口建筑物与车站运动的不一致，出入口建筑物通过连接通道对车站产生了横向的挤压，使得车站开口处出现较大的挤压变形。

2) 在纵向地震作用下，出入口建筑物由于纵向较大的变形刚度，没有表现出显著的摇摆变形。由于出入口建筑物与车站运动的不一致，出入口建筑物通过连接通道使车站产生了较大的扭转变形。因此，车站-通道-出入口建筑物体系变形主要取决于出入口建筑物与车站之间非一致的变形，车站在横向地震作用下呈现挤压变形，在纵向地震作用下呈现扭转变形。

a) 拉伸损伤

b) 受压损伤图11 盾构车站纵向地震输入下的最大损伤云图

a) 横向地震输入

b) 纵向地震输入

3.4 最不利位置

车站-通道-出入口建筑物体系在不同地震输入方向下的地震响应指标见表1。

表1 车站-通道-出入口建筑物体系地震响应汇总

由表1可以发现：车站管片和连接通道的最大应力及最大混凝土损伤均位于连接通道与车站开口处的连接部位；连接通道与出入口建筑物的连接部位在纵向地震输入时也存在较大的混凝土受拉损伤。因此，对于车站-通道-出入口建筑物体系，最不利位置为连接通道与车站的连接部位，以及连接通道与出入口建筑物的连接部位。相比于横向地震输入，纵向地震输入时车站-通道-出入口建筑物体系的应力和损伤更大，因此纵向地震输入相比于横向地震输入更不利。

4 结语

本文以上海地区拟建的某盾构法施工车站结构为研究对象，建立了车站-通道-出入口建筑物体系的三维数值模型，研究了车站-通道-出入口建筑物体系在上海地区设防地震作用下的响应规律，得到了以下结论：

1) 在横向地震作用下：车站-通道-出入口建筑物体系最大主应力为2.90 MPa，最小主应力为-6.07 MPa，均位于连接通道与车站开口处的连接部位；最大螺栓拉应力为382 MPa，位于管片开口处下方的纵向螺栓；最大受拉损伤为0.963，位于连接通道与车站开口处的连接部位；最大受压损伤为0.007，位于连接通道与出入口建筑物的连接部位。

2) 在纵向地震作用下：车站-通道-出入口建筑物体系最大主应力为4.17 MPa，最小主应力为-13.45 MPa，均位于连接通道与车站开口处的连接部位；最大螺栓拉应力为380 MPa，位于管片开口处右侧的环向螺栓；最大受拉损伤为0.977，最大受压损伤为0.101，均位于连接通道与车站开口处的连接部位。

3) 对于车站-通道-出入口建筑物体系，最不利位置为连接通道与车站的连接部位，以及连接通道与出入口建筑物的连接部位。纵向地震输入比横向地震输入更不利。

4) 车站-通道-出入口建筑物体系变形模式主要取决于出入口建筑物与车站之间非一致的变形。车站在横向地震作用下呈现开口处的挤压变形，在纵向地震作用下呈现扭转变形。