明挖隧道预制结构三维地震响应分析

薛 源 张银屏 刘 涛 袁 勇

1. 上海申通地铁集团有限公司 上海 201103；

2. 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 上海 200123；

3. 上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司 上海 200335；

4. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海 200092

明挖隧道主体结构采用现浇混凝土工艺，施工技术简单，是城市隧道首选的施工方法之一。然而，明挖法施工时会阻断既有道路交通，浇筑混凝土会产生噪声，且清洗泵车时将产生污水。明挖工法采用预制混凝土拼装隧道箱涵结构，不仅可以消除现浇混凝土的缺陷，还有利于节省施工工期，从而减小对交通和环境的影响。但预制拼装结构的拼接方式和接缝会影响其结构行为，包括地震作用下的性能。

隧道结构抗震研究的文献很多，张旭等[1]运用非线性弹簧元简化模型模拟沉管隧道接头，通过三维有限元分析研究沉管隧道在地震作用下的变形和内力响应。刘鹏等[2]模拟分析了地震作用时沉管隧道接头处的相对位移和止水带的变形情况。Ding等[3]在考虑材料非线性和接触非线性的条件下模拟了沉管隧道的整体抗震性能，并揭示了结构薄弱部位。禹海涛等[4]通过三维精细化模型研究了变形缝对盾构隧道纵向抗震性能的影响规律。王程等[5]对比三维与二维数值模型的计算结果，分析了错缝拼装对大直径盾构隧道抗震性能的影响。董飞等[6]比较了不同分块形式下大直径盾构隧道的地震响应，分析了管片接头对隧道抗震性能的影响。显然，对隧道抗震性能的数值分析研究主要集中于沉管隧道和盾构隧道，而现有的技术规范[7-8]尚无针对预制拼装式箱涵结构的规定，对浅埋矩形隧道抗震的研究则侧重于对比分析垫层厚度的影响[9]。由此可见，明挖法施工的预制拼装式箱涵隧道结构抗震性能研究仍比较欠缺。

本文以上海武宁路快速通道改造工程为背景，结合该明挖隧道工程预制箱涵结构的特点，建立考虑预制件间接缝的三维数值模型，采用在底部黏弹性边界上施加等效节点力方法输入设防地震上海人工波，分析了静力作用和叠加地震波作用下箱涵隧道预制结构内力和层间位移以及各接缝的动力响应特征。

1 工程概况

武宁路快速通道改造工程位于上海市普陀区，西起大渡河路西侧，线路沿现状武宁路布置，过大渡河路、兰溪路、曹杨路、中山北路等交叉口，东至东新路，主线全长2 490 m。隧道主体结构大部分采用明挖法配合现浇混凝土施工，但在隧道西侧靠近敞开段处的K0＋755～K0＋800区段采用预制装配式混凝土箱涵结构体系，预制区段位置如图1所示。

图1 隧道预制区段所处位置

预制区段长度45 m，隧道结构主要由21节宽度2 m的预制拼装节段错缝拼装组成，每一节段由上盖拼装块与下部拼装块构成，根据横断面错缝所处位置，可将隧道纵缝区分为高拼纵缝和低拼纵缝。相邻2个拼装节段的构成如图2所示。

图2 预制拼装节段的构成

2 三维有限元模型

2.1 隧道和土体模型

根据预制区段隧道的实际尺寸建立隧道结构有限元模型，依据地质勘察报告建立隧道周围的土体模型。为了减小人工边界的影响，模型底部取至地表以下70 m，隧道两侧土体各取3倍隧道宽度。为考虑实际工程中相邻整浇节段对预制区段的约束作用，在隧道纵向前后各建立与预制区段隧道等长的约束段隧道模型。整体模型大小为135 m×141.4 m×70 m，节点总数为183 762，单元总数为150 867。其中，隧道预制混凝土结构和土体均采用8节点六面体实体单元，纵向前后两个约束段隧道结构采用考虑厚度的8节点连续壳单元。预制区段隧道拼装节段纵缝采用不考虑侧向滑动的粗糙接触rough进行模拟，节段间接缝通过Hussein等[10]推荐的黏结滑移接触traction-separation来模拟。隧道模型和土体模型分别如图3和图4所示。

图3 隧道结构模型

图4 土体模型

2.2 边界条件

地震波将从覆盖层－70 m处垂直入射，土体模型四周施加等位移边界条件。

针对土体底部的约束条件，如果施加常规的竖向约束而让水平方向自由，当地震波传到边界时将会发生反射作用，从而对模型的动力响应造成额外的附加影响。为了消除这种效应，参考王振宇等[11]的研究，在土体底部施加黏弹性边界，并将地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现地震波输入。

2.3 计算参数

输入地震波采用设防上海人工波。本工程隧道结构混凝土等级采用C35，具体参数如表1所示，分析中采用线弹性材料模型来模拟该种材料。

表1 混凝土C35性能参数

工程场地属滨海平原地貌类型，工程沿线地势较平坦，地面标高3.22～6.58 m。地表以下70 m深度范围内主要有8个沉积时代的地层，依据成因类型及土性变化进一步划分为11个亚层。隧道周围土体视作考虑瑞利阻尼的线弹性材料[12]。根据岩土工程详勘报告选取各层土体参数，物理力学性能如表2所示，泊松比均取0.3。

表2 地基土物理力学性能参数

2.4 计算工况

研究过程中对不同纵缝位置的预制节段展开分析，根据荷载和作用的种类以及地震波输入方向，细分为6种工况进行计算，工况内容及编号如表3所示。

表3 计算工况

3 计算结果

3.1 结构内力

为考察隧道结构在地震作用下的内力分布情况，读出各工况下单个拼装节段绕隧道纵向y轴的弯矩分布，如表4所示。

表4 预制拼装节段弯矩分布单位：kN·m

从表4可以看出，所有工况中，2种预制拼装节段最大正负弯矩均出现在相同的位置。对工况1b和工况2b进行分析后可知，在横向地震动作用下，最大负弯矩出现在横梁与中隔墙相交的位置，高拼纵缝节段为－1 340.2 kN·m，低拼纵缝节段为－1 566.0 kN·m；最大正弯矩出现在底板跨中位置，高拼纵缝节段为658.7 kN·m，低拼纵缝节段为632.1 kN·m。

为进一步考察动力作用对结构内力的影响，将扣除静力部分后单纯由地震作用引起的弯矩值与静力工况弯矩值的比值以百分数形式列于表5，以此显示动力作用对结构弯矩的影响程度。

表5 动力作用对结构弯矩的影响单位：%

从表5可以看到，在工况1b和工况2b中，横向地震动作用对结构弯矩影响最显著的位置位于侧墙上部，影响程度均超过200%，其中高拼纵缝节段为225.9%，低拼纵缝节段为243.7%。对工况1c和工况2c进行分析后可知，纵向地震动作用对结构弯矩值的影响较小，影响最显著的位置位于预制节段的低拼纵缝处，影响大小为2.2%。

3.2 层间位移角

考察层间位移随动力作用时间的变化，得到2种预制节段的层间位移时程曲线，如图5所示。

图5 层间位移时程曲线

隧道结构层高5.85 m，可通过层间位移换算得到层间位移角。由图5可知，工况1a和工况2a中静力荷载引起的初始层间位移值为0.1 mm，对应初始层间位移角1/58 500。工况1b和工况2b中，层间位移值在横向地震动作用下发生明显波动，高拼纵缝节段最大层间位移达到1.4 mm，低拼纵缝节段达到1.3 mm，对应层间位移角分别为1/4 179和1/4 500。工况1c和工况2c中，纵向地震动作用下，层间位移大小几乎不发生变化，纵向动力作用对层间位移角的影响很小。可见，所有工况均满足抗震规范对层间位移角不大于1/550的限值要求。

3.3 接缝张开量

在研究预制拼装隧道的抗震性能时，除了需要关注结构内力和层间位移以外，还要关注预制件间接缝的张开量大小，以下考察模型预制拼装节段纵缝以及相邻节段间接缝的张开量。

在地震动作用的全过程中，高拼纵缝始终保持闭合，低拼纵缝和节段间接缝则随动力作用发生张开，张开量时程曲线如图6和图7所示。

图6 低拼纵缝张开量时程曲线

图7 节段间接缝张开量时程曲线

静力荷载作用下，节段低拼纵缝的初始张开量为0.032 mm。在横向地震动作用下，低拼纵缝张开量达到0.061 mm，横向动力作用对张开量的影响为90.6%。在纵向地震动作用下，低拼纵缝最大张开量为0.034 mm，纵向动力作用对张开量的影响为6.2%。

静力工况中，节段间接缝的初始张开量为0.029 mm。在横向地震动作用下，节段间接缝张开量达到0.041 mm，横向动力作用对张开量的影响为41.4%。在纵向地震动作用下，节段间接缝最大张开量为0.034 mm，纵向动力作用对张开量的影响为17.2%。

4 结语

相较于整体现浇工法，在明挖隧道施工中应用预制拼装工法可以节省工期并提高混凝土构件质量，对城市中心区域施作的明挖工程具有一定推广价值，但在结构抗震设计时必须考虑接缝存在造成的影响。

本文选取上海市武宁路快速通道工程改造工程西侧预制混凝土区段箱涵隧道作为分析对象，通过三维有限元模拟开展了设防地震波作用下的结构抗震分析，得到了以下4条主要结论：

1）地震动作用下，最大负弯矩出现在横梁上靠近中隔墙的位置，最大正弯矩出现在底板跨中。

2）横向地震动作用下，动力影响最显著的位置位于侧墙上部，影响程度达到200%以上；纵向地震动作用下，动力作用对弯矩值的影响较小，最大仅为2.2%。

3）结构层间位移角满足规范限值要求。横向地震动作用下，结构层间位移随时间发生波动，最大层间位移角达到1/4 179；纵向地震动作用下，层间位移几乎不发生变化，地震动作用对层间位移角的影响较小。

4）地震动作用过程中，节段高拼纵缝始终未发生张开；横向地震动作用下，低拼纵缝张开量达到0.061 mm，节段间接缝张开量达到0.041 mm，动力影响分别为90.6%和41.4%；纵向地震动作用下，低拼纵缝和节段间接缝最大张开量均为0.034 mm，动力影响分别为6.2%和17.2%。