土岩组合场地盾构隧道地震响应特征研究

邵广彪，卢立鑫，商金华，董亚楠

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学 工程鉴定加固研究院有限公司，山东 济南 250013；3.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101；4.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

盾构法[1-2]作为隧道施工的主要方法之一，具有施工安全性强、速度快、对周围环境影响小等优点，已广泛应用于城市地下轨道交通工程建设领域[1-2]。近年来，随着城市地铁隧道的发展，在高烈度区域和地震频发区域下，地下结构遭受严重破坏的记录越来越多[3-4]。随着隧道结构截面尺寸和长度的持续增加，隧道大多将处于复杂地层地质构造区域内，尤其是在隧道结构贯穿土层刚度、剪切特性发生急剧突变的过渡界面的抗震研究将会引起重点关注[5]。济南地区由于上部土层及软弱岩石覆盖层较薄，下部土岩过渡地层相互交错叠加，使得隧道横截面同时处于软黏土体和岩体中，致使周围介质的巨大差异性将给隧道结构抗震设计的安全带来更多的未知风险。

在隧道结构纵向抗震[6]和横向抗震[7]计算分析方法方面，已开展大量的理论及试验研究。现有的分析方法从力学特征上可划分为拟静力法[8]和动力分析法[9]两大类，其中动力分析有限元法是目前研究复杂地质条件地震激励下结构与土层介质相互作用最为有效的分析方法之一。程新俊[10]建立了三维有限元模型，分析了沉管隧道在不同场地中的地震反应。王维[11]针对纵向土岩突变地层开展了振动台模型试验，并通过数值模拟，研究了隧道穿越土岩交界面时地震波的输入角度对隧道结构纵向动力响应影响。焦亚磊[12]利用ABAQUS 建立广域二维有限元模型局部三维土体-混凝土管片结构、管环间螺栓的精细化数值模型，得到了大直径盾构隧道穿越软硬突变地层在纵向地震作用下结构响应规律，并进行了风险评估进而确定了结构变形危险区域。总之，已有的研究主要针对隧道纵向地层突变对结构的响应影响或对单一地层和软弱围岩条件下的隧道施工影响，而针对盾构隧道结构横截面贯穿土-岩变化地层的地震响应研究则较少。

依据济南盾构隧道实际工程，建立二维表征地质变化和隧道-地层相互作用的动力分析模型，并开展土岩组合多工况地震响应分析。通过计算分析研究土岩地层-隧道相互应用体系的地震响应相较于单一地层的差异性，揭示了深度方向土岩地质构造变化对盾构隧道的内力、位移和加速度的响应机制，为盾构隧道实际抗震设计提供借鉴。

1 工程背景

以济南轨道交通2 号线盾构隧道穿越土岩二元地层为工程背景，该盾构隧道是一条中心城市东西向骨干线，穿越地层为典型上软下硬不均匀地质条件。盾构隧道区间所穿越地层主要为粉质黏土、黏土，局部为碎石层，土层下伏岩石为全风化、强风化及中风化闪长岩，岩体质量等级为Ⅲ～Ⅴ级，其中全风化、强风化闪长岩地层较薄，平均厚度约为1 ～2 m，隧道横截面范围内由土层迅速变化为强度较高的中风化岩层。全线盾构隧道最大直径为6.4 m、拼装管片厚度为0.3 m、单片管段长度为1.2 m，管片采用C50 混凝土整体预先浇筑而成，隧道抗震设防烈度为8 度。隧道所穿越泉脉地层透水性较强，若地震过程中盾构隧道遭到破坏，地下泉水涌入隧道将造成不可估量的损失，因此，开展相关地质条件下的隧道横向抗震研究至关重要。

2 土岩地层突变场动力响应分析

2.1 土岩突变组合场模型

迈达斯是一种可用于建筑、桥梁、岩土、地下工程等领域的有限元分析软件，采用该软件对土岩组合地层与隧道结构建立二维广域弹塑性有限元模型，分析隧道-土岩突变地层相互作用体系的地震响应特征，隧道穿越地层剖面如图1 所示。地层依次为上部素填土覆盖层，中间粉质黏土、黏土地层以及下部中风化闪长岩层，由于全风化、强风化闪长岩地层较薄，建模时将其合并于黏土地层，隧道埋深为18.2 ～21.5 m。模型尺寸范围取到应力增量或者位移增量可以忽略不计的位置，根据经验一般可取3 倍的隧道横截面尺寸，模型场地的宽度和深度取值分别为120 和60 m。

图1 区间隧道穿越土岩组合地层示意图

隧道管片结构采用等刚度1D 连续梁单元，设0.2 m 厚回填层并采用线弹性本构模型，考虑到隧道管片拼接缝对隧道刚度的影响，将隧道横向刚度按照0.6～0.8 系数进行折减[13]。地层采用二维平面单元，杂填土、粉质黏土及围岩均采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，并精细划分隧道周边地层，数值模型如图2 所示。同时，地震波在土体介质传播时，模型边界在吸收能量的同时也会反弹部分能量，从而对有限元整体分析结果产生误差，因此模型人工边界采用广域二维自由场无限元边界，底部基岩采用固定约束[14]。考虑初始地应力场并将应力传递作用于隧道单元梁结构上，调整使初始位移场清零。

图2 土岩组合场有限元模型建立及自由场无限元边界图

在地震波激励过程中，隧道结构与土体会发生相对滑动或脱离，致使隧道结构与土体之间无法传递土体强制位移施加在其上的应力，为模拟实际接触状况，在隧道与土岩接触面上设置切向刚度、径向受压弹簧与罚摩擦准则，同时将单环回填层简化为均质圆环，考虑到不同材料之间刚度变化在接触面处的摩擦剪切效应，在地层、隧道与回填层之间设置界面单元[15]。在研究隧道结构横截面在二元耦合地层中响应特点过程中，假设沿隧道轴向的土体与围岩物理参数等变化差异性较小，建立盾构隧道模型并对其进行非线性时程分析，得到模型整体的动力响应。

2.2 计算参数选取及工况

为简化模型的场地条件，取剪切波速为500 m/s的地层为地震动输入的基岩，地层的动力特性参数通过一维自由场地等效线性分析获得，取等效动剪切模量来近似反应地层的动力非线性特征，各地层的动力相容特征参数方程曲线如图3 所示，图中横坐标采用对数函数换算表示。对于隧道结构，管片采用C50 混凝土，材料参数依据GB 50010—2015《混凝土结构设计规范》[16]取值，取横向刚度有效率折减系数0.7。对场地进行自由场特征值分析，获得模型最大质量参与系数之和＞85%的前两阶自振周期进行计算。模型材料参数见表1。

图3 地层等效剪切模量、阻尼比与剪应变关系图

表1 模型主要材料物理力学参数表

对两种不同地层组合工况进行模拟计算。方案1 的隧道结构全截面处于单一粉质黏土地层中，并作用0.1g和0.2g峰值加速度地震波激励；方案2的隧道横截面包含软土、围岩两部分，且假设土岩分界面位于隧道横截面1/2 处，作用0.1g峰值加速度地震波激励，两种方案下隧道结构埋深相同。方案1 考虑在相同地震波和地质条件下，不同峰值加速度对隧道结构的影响，相互对比后验证模型的可靠性；对方案1 与2 的计算结果对比分析，研究在相同地震波作用下隧道结构与土岩相互作用体系的内力重分布、位移、加速度的响应差异。

2.3 地震波输入

本次试验通过在模型底部基岩输入x方向地震波，模拟剪切波对隧道结构震害的影响。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[17]，设防等级为8 度、工程场地类型为Ⅱ类、场地特征周期为0.35 s。此次计算采用符合工程场地类别的实测波，即埃尔森特罗EL-Centro 波作为输入地震波，其主频频率为3 Hz、加速度峰值为0.1g和0.2g，调幅与基线校正后的地震波加速度时程曲线如图4 所示；进行特征值分析时，输入地震波持时全程为50 s、时间步为0.02 s。

图4 不同峰值加速EL-Centro 波时程曲线图

3 模型响应结果分析

3.1 隧道结构位移响应分析

在研究土岩盾构隧道横断面震动响应特征规律时，针对隧道结构管环的水平相对位移特征，重点关注隧道拱顶位置与隧道拱底位置水平方向的相对位移，并将其作为计算精确性的参考，进而开展后续的研究工作。方案1 结构全截面处于粉质黏土单一介质中，在距离隧道下方5 倍洞径深度采用基岩，以此来保证模型计算具有良好的收敛性和稳定性。

EL-Centro 地震波从基岩水平入射，沿模型x方向激振，考虑初始地应力与地震波联合作用，隧道结构相对水平位移量，见表2。方案2 土岩组合地层中，与隧道结构下部水平相对位移相比，结构的上部水平相对位移量会在土岩交界面段产生突变，并且隧道结构最大相对位移值位于软土地层一侧，表明隧道结构的水平相对位移会在土层刚度变化的过渡位置发生突变，并且结构的位移量会随地层刚度减小而增大。

表2 隧道结构相对水平位移量表

对比方案1，由于方案2 中隧道结构下部处于围岩的紧密约束下，使隧道结构的整体水平相对位移变形量减小，从看结构位移量方面，土岩组合地层对隧道的抗震是有益处，可以降低隧道地震作用下结构的位移响应值，但是，隧道结构上、下部位移差量占拱底的百分比由方案1 单一地层中的46.2%增加到75%，由于处于围岩约束的部分位移量变化较小，这就会使上下位移量差值的70.1%集中发生在地层分界面段，成为隧道抗震设计的不利截面。

两种方案中的隧道结构在地震波作用下，隧道管片x方向相对水平位移云图如图5 和6 所示。方案1 中隧道结构水平相对位移量最大值，伴随着地震峰值加速的增大，由拱腰顺时针30°位置逐渐过渡到拱顶、拱底逆时针30°位置处，表明隧道结构在强震作用下，结构的相对水平位移会随着加速度的增大逐渐向拱顶位置过渡，同时结构上覆土层压力对隧道的横向变形响应起到约束作用，最终隧道结构的变形呈现45°轴线对称的近似椭圆形，这表明地震作用对结构变形的影响程度随着峰值加速度的逐渐增大而增大。通过对比图5(a)和(b)可知，在相同埋设深度和峰值加速度条件下，围岩的存在对隧道结构的水平变形具有明显的约束作用，从而改变结构的形态。

图5 方案1 隧道结构水平方向相对位移云图

图6 方案2(隧道0.1g 加速度)隧道结构水平方向相对位移云图

3.2 结构加速度响应分析

根据方案2 的计算结果，绘制隧道结构拱顶和拱底的加速度时程曲线，将其进行傅里叶转换，如图7 所示，可以得到土岩组合地层中隧道结构对输入的EL-Centro 地震波不同频段的响应规律。土岩二元组合地层中，围岩侧隧道结构对输入地震波的高频(6～8 Hz 频段)具有放大效应，软土侧隧道结构对中、低频(1.5～2.5 Hz 和4 ～6 Hz 频段)具有放大效应，且隧道拱顶部位对地震波低频波段和高平波段同时具有放大效应，对于低频波段的放大效应明显强于高频波段的放大效应。同时，对比围岩中隧道结构的高频波段的放大效应，隧道拱顶位置处的地震波高频波段占比出现明显下降，据此分析得到，地震波在土层的传播过程中高于8 Hz 的波段会被土层过滤。

图7 方案2 隧道结构加速度傅里叶变换图

获得方案2 中隧道结构1/2 横截面上部(位于岩层段)位置、1/2 横截面下部(位于土层段)位置、隧道结构拱顶位置和拱底位置的加速度时程曲线，如图8 所示。隧道结构的加速度响应与地震波时程曲线的峰值变化趋势基本一致，通过对比结构不同位置的时程曲线分析，随着地层埋设深度的减小，加速度的幅值也会逐渐增大，说明加速度在土岩层组合地层中的传播规律依然具有放大效应。随着地震波传播过程由岩层逐渐过渡到软土地层，波段中的频率成分发生了明显变化，这是由结构-土体相互作用场自振频率的低频率特性和长周期性所致，特别是在地震波低频波段作用下，结构的低阶振型更加趋向于软土的振动特性。

图8 方案2 隧道结构加速度时程曲线图

根据方案1 和2 计算结果，提取得到隧道结构拱顶、拱腰(土岩地层结构取分界面段上、下两部分)和拱顶位置处结构相对于基岩的加速峰值放大系数，如图9 所示。

图9 隧道结构加速度放大系数图

在全粉质黏土地层中，隧道结构加速度放大系数由深到浅大致呈线性增加；方案2 中，在土岩分界面处，对比拱腰土岩过渡段隧道结构上、下两侧的加速度放大系数会在土岩界面处发生突变，随着隧道测点逐渐过渡至拱顶位置，软土侧结构加速度放大系数斜率明显增大，说明土岩组合场地使交界面范围内隧道结构产生的放大效应更加显著，从而导致结构位于软土侧的加速度响应更大，因此在土岩分界面出的结构抗震设计应引起高度重视。

3.3 结构内力响应分析

单一地层与土岩组合地层隧道结构内力值见表3，方案2 中隧道结构在土岩地层分界段处的内力值差异较大，处于软土地层的结构会发生较为严重的破坏，且隧道结构最大内力值也出现在地层分界段范围，可以看出，结构的内力最大值位于软土一侧，围岩一侧的内力较小。

表3 单一地层与土岩组合地层隧道结构内力表

对比方案1 和2 相同位置处隧道结构的应力响应曲线可知，由于围岩使得隧道结构下部约束增强，土岩场地上、下土层间位移差值较方案1 单一土层场地增大，由图10(a)的米塞斯(MISES)应力时程曲线可以看出，方案2 中软土侧隧道结构的应力明显增大，不利于隧道的扛着设计。通过图10(a)和(b)对比可知，与单一地层中隧道结构同一位置处相比，土岩过渡段处上下部隧道结构应力差值由22%增大至76%，过大应力差使结构内部产生次生应力，致使土岩分界面处隧道结构由压弯破坏状态转变成弯剪破坏状态。

图10 隧道结构土岩分界面处MISES 应力时程曲线图

全粉质黏土地层和土岩组合二元地层在地震波作用下隧道管片轴力、剪力和弯矩最大时刻对应的结构应力云图如图11 所示。方案1 中，隧道结构由地震动引起的剪力和弯矩的峰值则出现在结构的顺时针45°轴线上，并关于45°轴线呈反称分布。随着地层深度的增加，地层施加于结构的强制位移会产生较大的剪应力，导致管片弯矩分布状态与剪应力云图大致相同，如图11(c)和(e)所示。

由图11(a)和(b)可以看出，隧道管片在地震波作用下结构是全截面受压。

图11 EL-Centro 波0.1g 加速度作用下隧道结构内力云图

土岩组合地层中由于围岩的刚度、剪切特性与粉质黏土具有较大差异性，由图11 在相同地震荷载等级作用下隧道结构内力图对比分析可得，在土岩地层分界段隧道结构的轴力、剪力和弯矩在此处发生了明显的突变，轴力、弯矩云图分布大致呈轴对称分布。在隧道截面土岩分界面段两侧，土层段结构应力响应较大，原因在于土岩二元地层在地震作用时，隧道管片的主要变形是由周围土层的变形引起的强制位移，特别是在地质参数刚度、密度等突变的地段，是造成结构应力突变的不利区域，因此隧道结构横向抗震设计时应重点考虑地质条件突变的情形。

4 结论

以济南盾构隧道穿越土岩二元地层为研究背景，根据隧道横截面贯穿土岩交界面的不同地质条件设计了分析工况，并结合有限元模拟分析，主要得出以下结论:

(1)S 波作用下，对于相同的埋深条件，结构的加速度时程曲线在土岩二元地层中的传播规律具有明显的差异性，在分界面段有放大效应，经过傅里叶变换，土岩组合场地对地震波的不同频段具有增强效应，表现为放大地震波中围岩地层高频6.0 ～8.0 Hz频段和软土地层低频1.2 ～2.5 Hz 及中频4.0～6.0 Hz频段。

(2)由于隧道管片均为预制结构，处于土岩二元地层中的隧道横截面，结构的变形、轴力、剪力和弯矩都会在土岩交界面段存在明显的突变，并且隧道结构在软土层部分产生的应力大于其在围岩部分产生的应力，与单一地层结构同一位置处相比，土岩过渡段上、下部结构应力差值由22%增至76%，过大的应力差使结构内部出现次生应力，改变了隧道的破坏模式。在进行抗震设计时，应在地层刚度突变段对隧道结构采取抗震构造措施，增强结构局部刚度，提高隧道结构的抗震性能。