明挖隧道地震响应计算及关键性问题浅析

2024-06-20华中良刁庆乐

交通科技与管理 2024年12期

关键词：桥隧内力层间

华中良刁庆乐

摘要目前地下结构的地震反应和抗震设计越来越受到重视。文章采用时程分析法对某明挖隧道工程中标准段及桥隧共建节点、顶板开孔节点进行了地震响应计算，并对计算结果进行了比较和分析，对类似工程有一定的借鉴意义。

关键词明挖隧道；桥隧共建；顶板开孔；地震响应计算；时程分析法

中图分类号 U231.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0023-04

0 引言

在1995年日本阪神大地震中，共有5座地铁车站及区间隧道遭受了不同程度的损坏，颠覆了此前对地下结构抗震性能良好的认知，从而引起了业内对地下结构抗震的重新思考，开启了新一轮研究热潮。

随着对地下结构抗震研究的不断深入，我国的地下结构抗震设计标准体系逐渐完善，国家和地方颁发了相应的设计标准[1-2]。但地下结构的发展速度很快，建设规模日益增大，新的结构体系不断涌现，抗震研究方面仍然相对滞后。该文以某明挖隧道工程为例，采用时程分析法对其标准段和特殊节点进行了详细的地震响应计算和分析，对于类似工程具有一定的参考意义。

1 依托项目概况

某明挖隧道工程总长度约3 km，结构形式包括敞开段、单层两孔箱涵和四孔箱涵等。单层四孔箱涵及桥隧共建节点（桥梁为双向两车道规模，因隧道较宽，桥墩立于隧道中隔墙上）和顶板开孔特殊节点（考虑通风要求）分别如图1～4所示。

2 工程地质和水文地质

（1）工程地质。根据勘察报告，拟建场地主要为正常沉积区，局部涉及古河道沉积区。拟建场地在勘察深度范围内，按其沉积年代、成因类型及物理力学性质的差异，可划分为7个大层、若干亚层，各土层的一般物理力学参数见表1。

（2）场地类别划分。根据勘察报告，拟建场地的地貌单元为滨海平原类型，覆盖层厚度大于80 m，浅部场地土的类型属软弱土，场地类别为Ⅳ类。

3 抗震设防目标

该工程结构安全等级为一级，设计工作年限为100年，抗震等级为二级，抗震设防烈度为7度。根据《地下结构抗震设计标准》[1]，抗震设防分类为重点设防分类（乙类）。

4 地震响应计算及分析

4.1 标准段地震响应计算及分析

下面以单层四孔箱涵为例进行分析。结构混凝土强度等级为C35，采用动力时程法分析。采用壳-弹簧三维模型计算，其中壳单元模拟地下结构，弹簧单元模拟结构和地基土之间的相互作用，法向弹簧为单向受压弹簧，切向弹簧为双向弹簧。地震波在模型底部输入，采用上海人工波、EI-Centro波和Kobe波。考虑设防烈度地震、罕遇地震两个水准的工况，其地震波峰值加速度分别为100 cm/s2和220 cm/s2。地震波加速度时程曲线如图5～7所示，计算模型如图8所示：

从表2～3可以得出以下结论：

（1）明挖隧道由于在使用阶段需要抵抗较大的水土压力、覆土荷载等，其结构尺寸、配筋一般较大，地震工况一般不控制结构设计。《地下结构抗震设计标准》[1]考虑地下结构受损后影响面大且修复困难，且很多也是抗震救灾的基础设施，对于乙类地下结构提高为“中震不坏，大震可修”，但是因为地震工况不控制结构设计，这种“提高”对于提高明挖隧道的抗震性能没有意义。

（2）中隔墙为明挖隧道的主要竖向受力构件，静力工况下在结构对称时一般尺寸相对较小，且仅按构造配筋。但在地震工况下，其承载力安全度最小，因此中隔墙是抗震薄弱部位，特别是抗震设防烈度较高时应予以重视。

4.2 桥隧共建节点地震响应计算及分析

4.2.1 计算模型

依据相关规范[1-2]、地勘资料及前人研究成果[3-5]，计算模型高度取为70 m，宽度取为500 m。计算模型底部边界为竖向固定，侧向边界采用自由场边界，顶部边界自由。隧道结构用壳单元模拟，桥梁墩柱采用杆单元模拟，场地土体采用三维实体单元模拟。为了与实际情况一致，设定隧道与周围土体变形协调。计算模型见图9所示。

地震波及其加速度时程曲线同标准段。考虑设防烈度地震和罕遇地震两个水准的工况。

4.2.2 计算结果分析

地震对地上结构影响最大的是惯性力，而地下结构主要受周围岩土的影响。对于桥隧共建节点，上部高架桥的惯性力必然给下部隧道的地震响应带来影响，下面分别统计了桥隧共建和不共建时的隧道顶板加速度峰值值、内力和层间位移角（图10为仅地震作用下的弯矩标准值）。

从图11及表4～6可以看出，桥隧共建改变了明挖隧道以往地震工况下的受力模式，由于高架桥惯性力的影响，桥隧共建节点处的隧道顶板加速度峰值、内力及层间位移角明显较标准段大。前述标准段分析表明，地震工况一般不控制结构设计，但是桥隧共建节点内力和变形均明显大于标准段，抗震分析时应重点研究，保证地震工况下的结构安全。

4.3 顶板开孔节点地震响应计算及分析

楼板开孔对于地上结构的地震响应有一定影响。为研究楼板开孔对地下结构地震响应的影响，下面对结构顶板开孔段进行了地震响应的计算及分析。

4.3.1 计算模型

计算模型尺寸、边界条件等同桥隧共建节点，顶板开孔及结构尺寸详见图3～4。地震波在模型底部输入，地震波及其加速度时程曲线同标准段。同样考虑设防烈度地震和罕遇地震两个水准的工况。

4.3.2 计算结果分析

表7～8分别为顶板开孔段结构内力（弯矩）最大值和层间位移角：

从表7～8与表2～3对比看，顶板开孔对于隧道顶板的内力和层间位移角基本没有影响，开孔两侧的横梁和纵梁基本可以保证隧道结构在抗震工况下的整体性。

5 结语

该文对某明挖隧道的单层四孔箱涵标准段以及桥隧共建、顶板开孔等特殊节点进行了地震响应计算及分析，结论如下：

（1）明挖隧道由于在使用阶段需要抵抗较大的水土压力、覆土荷载等，其结构尺寸、配筋一般较大，地震工况一般不控制结构设计。

（2）由于高架桥惯性力的作用，桥隧共建节点处的隧道顶板加速度峰值、内力及层间位移角明显较标准段大，抗震分析时应重点研究，保证地震工况下的结构安全。

（3）对于顶板开孔段，开孔两侧的横梁和纵梁基本可以保证隧道结构在抗震工况下的整体性，顶板开孔对于隧道顶板内力和层间位移角基本没有影响。