大跨度明挖现浇隧道工程结构抗震分析

◇华设设计集团股份有限公司 杜伟

本文以苏州市某浅埋明挖城市隧道为研究对象，采用静力计算法和非线性动力时程分析法，对隧道复杂大跨结构的抗震性能进行对比分析，分析了典型软土地层中浅埋隧道结构的抗震安全性能，分析结果表明，在设防地震作用下，地震对结构的安全性影响较小，结构未进入塑性阶段，对工程实践具有一定的参考意义。

城市地下隧道是城市交通和生命线的重要组成部分，隧道结构的抗震性能对保证城市交通安全非常重要[1]。1995年日本Kobe 大地震[2]城市地铁大开车站和上泽车站的严重倒塌破坏地震作用导致地下结构大量倒塌破坏的第一次记录[3]，之后关于地震作用下结构破坏的报道逐渐增多，如1999年土耳其Duzce7.8级大地震[4]，1999年我国台湾集集7.3 级地震[5]，2008年汶川8.0级地震[6]，2013年雅安7.0级地震[7]等。这些强震区地铁车站和区间隧道工程遭受了大量破坏，促进了各国学者逐渐意识到地下结构抗震问题的重要性，推动了地下结构抗震分析和评价理论的进步和发展。

1 工程概况

本文依托苏州市某城市隧道工程，采用明挖法施工，主线隧道为设计速度80km/h的双向六车道城市快速路，隧道暗埋段结构为两孔一管廊结构型式，根据建筑方案，折板拱断面型式用于覆土深及分合流鼻端，分合流鼻端折板拱结构单孔净宽22.85m，净高8.15～9.30m。

图1 主体结构横断面示意图（单位：m）

2 抗震设计标准

依据《建筑工程抗震设防分类标准》《中国地震动参数区划图》《建筑与市政工程抗震通用规范》《地下结构抗震设计标准》，抗震设防标准如下所示。

（1）结构设计使用年限：100年。

（2）抗震设防烈度为：结构按7度抗震设防烈度要求进行结构抗震承载能力、变形验算，并按8度设防采取相应的抗震构造措施。

（3）地表设计地震加速度幅值：设防（E2）地震取50年超越概率10%的0.125g（III类场地）、0.1g（II类场地）；罕遇（E3）地震取50年超越概率2%的0.220g（III类场地）、0.220g（II类场地）。

（4）工程抗震设防分类：乙类（重点设防）。

（5）抗震等级：三级。

3 静力计算分析

主体结构静力计算简图见图2。

图2 荷载计算简图

主体结构承载能力极限状态基本组合及正常使用极限状态标准组合的内力计算结果如图3～4所示。根据计算结果知，在主线顶板中支座、主线顶板跨中、主线底板跨中、主线底板中支座、主线中隔墙底部、主线中隔墙顶部等部位弯矩值大，对配筋和结构尺寸起作用控制。

图3 承载能力极限状态基本组合弯矩图

图4 正常使用极限状态准永久组合弯矩图

4 地震作用计算分析

时程分析法将地震运动视为一个随时间而变化的过程，并将地下结构物和周围岩土体介质视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度记录，在满足变形协调条件的前提下分别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度，以及应变和内力，并进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。

4.1 地震波

两条实测波选用典型地震波EIcent-t波和Kobe波，人工波选用场地地震安全性评价报告提供的苏州波，在设防和罕遇作用下的地震动加速度时程如下。

（1）E2地震作用（重现期475年）：50年超越概率10%的地震波时程，加速度幅值76.356cm/s2，积分步长0.02s，持时40s。

图5 人工波设防地震动加速度时程曲线

（2）E3地震作用（重现期2450年）：50年超越概率2%的地震动时程，加速度幅值-138.324 cm/s2，积分步长0.02s，持时40s。

图6 人工波罕遇地震动加速度时程曲线

在采用以上三条地震波开展时程分析法时，按照相应设防地震和罕遇地震的地表设计地震加速度峰值为基准进行调幅。

4.2 抗震计算模型

横向地震作用时程分析建立非线性时程分析计算模型及隧道结构模型见图7。场地类别为II类场地，模型深度取覆盖层厚约50m，两侧范围分别取大于结构宽度的3倍长度进行延展，模型两侧采用自由场边界，底部水平向自由，竖向约束，并通过大质量法输入基岩加速度。

图7 非线性时程分析模型

图8 隧道结构模型

4.3 截面内力

在横向设防地震作用下，分别计算地震作用下对应的内力值。

（1）设防地震作用下结构内力结果（见图9）。

图9 设防地震作用下弯矩图

（2）截面抗震验算。

将不同荷载和方向下的地震工况下的轴力、剪力和弯矩值分别列于下表之中，通过对比发现，抗震工况对本结构不起控制作用。

（3）罕遇地震作用下隧道结构变形结果。

表1 控制截面内力验算表

表2 罕遇地震作用下隧道结构变形验算

5 结论

本文以某城市隧道分合流段复杂结构为研究对象，采用非线性时程分析法，对设防地震作用下结构的抗震性能以及罕遇地震作用下结构的变形情况进行了分析，主要结论如下：①在设防地震作用下，对各个断面的关键控制截面进行了配筋验算、抗剪验算、裂缝控制验算，构件各截面及配筋均满足抗震设计要求。各构件截面尺寸及配筋均由正常使用极限状态的准永久组合使用工况下的计算控制，地震工况不起控制作用。结构未进入或局部进入弹塑性工作阶段，抗震变形验算满足抗震规范要求。②结构总体满足抗震设防性能要求，抗震设计的重点是加强抗震构造措施。抗震措施按照本地区抗震设防烈度提高一度的要求确定。