基于振动台试验的平行隧道近距离下穿地铁车站结构地震响应研究
2024-01-01项吴桐王国波
摘要： 目前对于单一地下结构抗震性能的研究十分丰富，而相互穿越地下结构体系在地震时的相互作用机理和影响规律的研究还不够成熟。基于1g振动台试验，探究近距离隧道平行下穿车站体系对场地土以及地下结构之间的影响规律。对比分析表明：（1）地下结构的存在可降低地表加速度响应，最大降低幅度可达25%;（2）上部车站的存在可以降低下穿隧道的加速度响应，最大降低幅度可达25%，而下穿隧道对上部车站加速度响应的影响则相对复杂，没有体现出一般规律性;（3）地下结构的加入对体系动力特性（主要是基频）的影响十分有限，从工程应用的角度可不予考虑。研究成果可为地下结构穿越体系的地震响应分析和初步设计提供参考。
关键词： 振动台试验; 单一结构体系; 隧道下穿车站; 地震响应; 动力特性
中图分类号： U435 文献标志码：A 文章编号： 1000-0844（2024）06-1364-09
DOI：10.20000/j.1000-0844.20220628001
Shaking table test on the seismic response of parallel
tunnels closely crossing beneath a subway station
XIANG Wutong1， WANG Guobo2
（1. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， Hubei， China;
2. College of Civil Engineering and Architecture， Wenzhou University， Wenzhou 325035， Zhejiang， China）
Abstract： The seismic performance of underground structure systems is extensively studied， but research on the interaction mechanism and influence law of underground structure crossing systems during an earthquake is limited. In this study， the influences of parallel tunnels crossing beneath a subway station system on the site soil and the underground structure were investigated with a 1g shaking table test. Test results show that （1） the underground structure would reduce the surface acceleration response by up to 25%; （2） the upper station would reduce the acceleration response of the underpass tunnels by up to 25%， and the influence of the underpass tunnels on the acceleration response of the upper station is complex and has no general regularity; （3） the influence of the underground structure on the dynamic characteristics （mainly the fundamental frequency） of the system is extremely limited and can be ignored in practical engineering. The research results could provide a reference for the seismic response analysis and preliminary design of the underground structure of a crossing system.
Keywords： shaking table test; single-structure system; tunnel crossing beneath station; seismic response; dynamic characteristics
0 引言伴随城市化进程的加快，城市交通压力日益严峻，大量地铁车站等地下结构的开发随之增加，它们在建设的过程中往往会遇到近距离相互交叉或穿越的情况。地下结构大部分位于人口密集的区域并发挥着重要功能。近年来我国各大城市不断修建地铁工程，由于已建地铁及车站的存在，新建地铁工程与已建地下结构不可避免地产生交叉穿越。地下结构一旦受到震害便会带来巨大的损失［1-2］，因此研究近距离地下穿越结构的抗震性能显得尤为重要。
目前对单一隧道［3-4］、单一车站［5-7］体系有比较成熟的研究，而地下交叉、穿越结构的相关研究相对较少。对于地铁车站相互穿越体系，王国波等［8］总结大量实际工程并将其分为三类：车站相互穿越体系、隧道相互穿越体系以及车站-隧道穿越体系，其中车站-隧道穿越体系最为常见。地下立体式交叉结构在地震作用下的变形受力状态更加复杂，且相互作用显著［9］。随着对地下结构破坏机理的深入了解，学者们对车站-隧道体系提出了许多抗震分析方法并取得了大量成果：张波等［10-11］分析了超近距离下穿隧道对地铁车站地震动力响应的影响，结果表明：下穿隧道的存在可以减弱上部车站结构的位移和加速度响应，且越靠近隧道的车站部位，其减弱幅度越大;林辉［12］、黄俊等［13］、张润东［14］研究并发现与单一车站体系相比，隧道下穿车站体系的底部隧道具有吸收地震波的作用，从而使上部车站的地震响应减弱，减弱幅度随车站与隧道之间夹层土厚度的增加而减小;Zhuang等［15］探究了微倾斜地面液化对于直接穿越体系抗震安全性能的影响;Liu等［16］提出了预制开环管片与现浇车站结构之间的特殊结构节点，以提高两平行盾构隧道扩建地铁车站的抗震性能。由上述已有研究成果来看，目前针对地下近距离穿越复杂结构体系的研究还不够成熟，缺乏试验研究和系统的参数分析。
本文主要通过自由场体系、单一地下结构体系及隧道平行下穿车站结构体系的1g振动台试验，基于试验数据，探讨地下结构对土体以及近距离地下结构地震响应之间的影响，确定地下结构地震响应规律及结构之间的相互影响规律。
1 振动台试验方案设计
1.1 振动台与模型箱
试验在北京工业大学9子台振动台台阵系统进行。本次试验使用了其中4个子台，横向台间距为1.19 m，纵向台间距为1.5 m。模型箱内部尺寸为3.8 m（长）×2.8 m（宽）×1.1 m（高），在模型箱内部内置厚度为0.15 m的泡沫板以减弱边界效应，则模型土体实际尺寸约3.50 m（长）×2.50 m（宽）×1.0 m（高）。主动箱位于模型箱两端，并固定在振动台台面上，由于本文暂不考虑行波效应，只考虑一致输入的情形，因此将主、从动箱用钢板通过螺栓连起来。振动台与模型箱布置如图1（a），模型箱实物如图1（b）所示。
1.2 相似比设计
根据Bukingham定理，以长度、弹性模量及加速度为基本物理量，根据相似关系［式（1）］可确定其余的相似系数。几何相似比由模型箱尺寸确定为1/30;结构模型采用微粒混凝土浇筑，其弹性模量为15 GPa，密度2 100 kg/m3，原型结构选取标准 C40混凝土，弹性模量为32.5 GPa，密度2 500 kg/m3，得到弹性模量相似比为0.462;加速度相似比依据振动台性能取2。根据以上相似比可以推导其他物理量的相似系数（表1）。
SE/SρSaSl=1 （1）
式中：SE、Sρ、Sa、Sl分别表示弹性模量、等效质量密度、加速度和长度相似比（表1）。
1.3 模型的设计与制作
试验模型包含隧道模型、车站模型及模型土。
（1） 隧道模型
根据隧道原型，按几何相似比1/30换算得出模型隧道长2 m，外直径200 mm，壁厚15 mm。隧道截面如图2，模型实物如图3所示。
隧道模型采用微粒混凝土制作，其配合比列于表2，最终测量得到的抗压强度、弹性模量等结果列于表3。
（2） 车站模型
原型车站为单层两跨框架结构，根据几何相似比换算得出车站模型长1.05 m，横截面尺寸为628 mm（宽）×229 mm（高）;中柱高172 mm，截面尺寸为20 mm（长）×30 mm（宽）;车站整体平面布置如图4（a），横截面如图4（b）所示，车站模型实物及其在模型土中的位置分别如图4（c）和图4（d）所示。车站模型制作所采用的材料配合比等参数均与隧道模型相同。
（3） 模型土
模型土采用北京地区某地铁车站工地的粉质黏土。土体分多次倒入模型箱中，每填充10 cm后用重物夯实，逐步填至1 m深。每层土压实后，通过环刀试验测得平均密度为1 850 kg/m3，通过弯曲元得到土体剪切波速为50 m/s，泊松比按经验取0.3，则可得模型土剪切模量与弹性模量分别为6.06 MPa、15.76 MPa。
1.4 加载工况
为考虑不同地震动特性的影响，本次振动台试验输入波包括：用于体系扫描的白噪声、经典的El-Centro波（EL波）、脉冲波Northridge波（NR波）、取土地区的北京人工波（BJ波）和用于检验模型箱边界效应的正弦波（SIN波）。边界效应的验证参见文献［17］。根据时间相似比对地震波调整，处理得到如图5所示的地震波时程及频谱图，加载工况如表4所列，每种工况结束后都进行白噪声扫描，以确定体系频率和阻尼变化，故白噪声工况未在表4中列出。由图5可见EL波卓越频率在9 Hz附近，峰值比较单一，NR 波则存在两个峰值，而BJ波在5～20 Hz内频率成分十分丰富。规定X向沿模型箱3.5 m方向（水平横向），Y方向沿2.5 m方向（水平纵向），Z向沿深度方向（竖向），本次试验仅考虑地震动沿X向输入（图6）。
1.5 监测方案
振动台台面上布置有T1、T2、T3加速度传感器以监测台面加速度，作为后续数值计算的输入。土体表面沿Y向布置有A1、A2、A3加速度传感器［图6（a）］，纵向剖面测点布置见图6（b）。车站顶板与中柱结合处设C1、C2加速度测点，隧道拱顶分别设有S1～S3和S4～S6加速度测点。
2 地震响应分析
2.1 地下结构对土体响应的分析
对4种结构体系地表测点A2的加速度响应进行对比，可分析地下结构对土体加速度响应的影响。定义地下结构对地表加速度响应影响系数（k1）为3种包含地下结构体系相较于自由场时地表测点加速度幅值变化量与自由场时地表加速度幅值的比值，即：
k1=AUS-AFF/AFF×100% （2）
式中：AUS和AFF分别为含地下结构和自由场时地表测点加速度峰值。
各体系地表加速度响应影响系数如图7所示（显然，自由场工况时地表加速度影响系数为0）。由图7可见：
（1） 单一车站体系的影响系数均小于0，表明单一车站结构的存在降低了地表加速度（-19%～-14%），主要是车站结构尺寸相对较大，阻隔了地震波向正上方地表的传播;
（2） 单一隧道体系的影响系数在0.1g地震波时也以降低为主，但幅度不大（-4%～-2%），主要是隧道结构尺寸相对较小对地震波传播影响不大，反而在较大地震动（0.2g）时放大了地表响应;
（3） 隧道下穿车站体系的影响系数在地震动幅值较小（0.1g）时降低了地表响应，且降低幅度最大（-25%～-20%），但在地震动较大（0.2g）时有放大也有降低，体现了地震波在更多界面上复杂的反射现象；
（4） 从地震波类型来看：在BJ波作用下影响系数的变化幅度最大，NR波下最为平缓，主要是北京波的强震时间最长，且其按相似比调整的卓越频率［图5（c）］与体系基频最接近［17］。
地表A2测点在0.1g、0.2g EL地震波作用下的时程、频谱图见图8。由图8可知，与自由场相比，加入地下结构后体系的主频略有减小，但影响程度都有限，4种体系时地表加速度响应的频谱分布基本一致，即地下结构对体系动力特性影响不显著，从工程角度可忽略不计。
2.2 车站对隧道响应的影响分析
以单一隧道体系为基准，通过对比单一隧道体系与隧道平行下穿车站体系时隧道拱顶加速度响应，可分析车站对下穿隧道加速度的影响。定义车站对隧道加速度的影响系数为k2［式（3）］，以隧道纵向跨中截面上测点S5响应为例进行分析。该测点在各工况下的影响系数如图9所示，其在0.1g、0.2g EL地震波作用下的时程、频谱图如图10所示。
k2=AST-AT/AT×100% （3）
式中：AST和AT分别表示隧道下穿车站体系、单一隧道体系中隧道拱顶测点的加速度幅值。
由图9、图10可知：在3种地震波的作用下，测点S5的加速度影响系数均小于0，即上部车站的存在降低了下穿隧道的加速度响应；从影响程度来看，BJ波对隧道加速度的减弱程度最为明显（25%），其次是EL波，而NR波的影响最小（10%以内）。其原因还是在于BJ波的强震时间长，其卓越频率与体系基频接近，而且NR波为脉冲波，强震作用时间较短。与此同时，车站的刚度大于邻近土体，车站与隧道间距较小，车站的存在增加了对隧道的约束，从而降低了隧道的整体响应。另外，两种体系的主频基本一致，隧道体系中加入车站对于整个体系动力特性的影响十分有限。
2.3 隧道对车站响应的影响分析
以单一车站体系为基准，通过对比土-车站体系与隧道下穿车站体系时车站顶板加速度响应，分析隧道对上部车站加速度的影响。定义隧道对车站加速度的影响系数为k3［式（4）］，以车站顶部测点C2响应为例进行分析。该测点在各工况下的影响系数如图11所示，其在0.1g、0.2g EL地震波作用下的时程、频谱图如图12所示。
k3=ATS-AS/AS×100% （4）
式中：ATS和AS分别表示隧道下穿车站体系和单一车站体系中车站顶板对应测点的加速度幅值。
由图11可见：隧道对车站的影响没有明显的规律，与前面对场地土影响分析类似，如EL波时降低了车站响应，而NR和BJ波时则放大了车站响应，主要原因在于隧道与车站诸多界面致使地震波存在大量的反射现象，其进一步的规律尚需借助数值方法进行系统的参数分析。另外，单一车站体系与隧道平行下穿车站体系的主频一致，即在车站下穿越隧道对结构整体动力特性的影响非常有限。
3 结论
本文基于1g振动台试验数据对比分析，初步探讨了近距离地下穿越结构对场地土以及地下结构之间地震响应的影响规律，可得如下结论：
（1） 地下结构的存在在一定程度上可降低地表加速度响应，且尺寸大、埋深小的车站降低幅度最大，尺寸小、埋深大的隧道则易于放大地表加速度响应;
（2） 由于车站结构的存在增加了对隧道的约束作用，车站结构降低了下穿隧道的响应，其中以强震作用时间长、卓越频率与场地土基频接近的BJ波降低幅度最大;
（3） 由于隧道和车站诸多界面的影响，隧道对车站响应的影响没有体现出一定的规律，还有待进一步的数值参数分析;
（4） 地下结构的存在对体系动力特性的影响十分有限，从工程应用的角度可不考虑。
本文仅仅是对试验结果的初步分析，考虑到试验工况有限以及地下结构的变形监测困难，监测数据不够全面。因此，后续还需利用试验结果验证数值模型，并基于验证的数值模型进行广泛的关键因素参数分析，以期获得隧道下穿车站体系更一般的地震响应规律。
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（本文编辑：张向红）
