盾构隧道施工扰动对隧道与车站地震响应的影响分析

摘要：

盾构隧道施工扰动会改变隧道周围土体的应力状态和力学性质，从而影响隧道与车站后期的地震响应。通过数值模拟，分析不同程度的应力状态改变和剪切模量衰减对地震时隧道周围土体、管片结构以及车站结构地震响应的影响。结果表明：（1）应力状态改变程度越大（地层应力释放率越大），隧道周围土体的初始剪应力越大，隧道底部土体的剪应变越大，超静孔隙水压力越大;同时，地震引起的管片弯矩和轴力越大（应力释放率30%时地震引起的左拱肩峰值管片弯矩和轴力增量分别是应力释放率10%时的165%和527%），车站侧墙和柱的相对水平位移越大。（2）剪切模量衰减程度越大，隧道周围土体的剪切模量越小，隧道周围土体越软，隧道底部土体的剪应变越大，超静孔隙水压力越大;同时，地震引起的管片弯矩和轴力越小（模量衰减大时地震引起的左拱肩峰值管片弯矩和轴力增量分别是模量无衰减时的67%和40%），车站侧墙和柱的相对水平位移越小。因此，盾构隧道的施工扰动程度对后期隧道与车站的地震响应有明显影响，在隧道与车站的抗震设计时应考虑盾构隧道前期施工对周围土体应力状态及力学性质改变的影响。

关键词：

盾构隧道; 施工扰动; 应力状态; 模量衰减; 地震响应

中图分类号： U455.43""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2025）01-0069-13

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221219001

Impact of shield tunnel construction on the seismic

responses of tunnels and stations

JIA Rui1，2，YANG Gang1，2，ZHENG Gang1，2，LI Qingzhuo1，2，XU Jingming1，2

（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China;

2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300350，China）

Abstract：

Disturbances caused by shield tunnel construction alter the stress state and mechanical properties of the surrounding soil， thereby affecting the seismic responses of the tunnel and station. Numerical simulations were conducted to analyze the effects of different degrees of stress state changes and shear modulus degradation on the seismic responses of the soil around the tunnel， as well as the segment and station structures， during an earthquake. Results indicate that： （1） As the degree of stress state change （stress release rate） increases， the initial shear stress of the soil around the tunnel， shear strain at the tunnel bottom， and excess pore-water pressure also increase. In addition， the bending moment and axial force in the tunnel segment， as well as the relative horizontal displacement between the side wall and column of the station， increase. For example， the peak bending moment and peak axial force at the left arch shoulder of the segment caused by the earthquake with a 30% stress release rate are 165% and 527% higher than those with a 10% stress release rate， respectively. （2） As shear modulus degradation increases， the shear modulus of the soil around the tunnel decreases， leading to higher shear strain and excess pore-water pressure at the tunnel bottom. At the same time， the bending moment and axial force in the segment caused by the earthquake and the relative horizontal displacement between the side wall and the column of the station decreases. The larger the shear modulus degradation was， the smaller the bending moment and axial force of the segment caused by the earthquake， the smaller the relative horizontal displacements between the side wall and the column of the station. For example， the peak bending moment and axial force at the left arch shoulder of the segment caused by the earthquake with considerable modulus degradation were only 67% and 40%， respectively， of those without any modulus degradation. Therefore， the disturbance degree from shield tunnel construction evidently influences the subsequent seismic responses of the tunnel and station. Consequently， the influence of early shield tunnel construction on the changes in the stress state and mechanical properties of the surrounding soil should be considered in the seismic design.

Keywords：

shield tunnel; construction disturbance; stress state; modulus degradation; seismic response

0 引言

随着我国城市地下空间的开发利用，城市轨道交通工程建设得到了快速发展，已经建成并运营的盾构隧道和车站数量逐渐增加。由于我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频发且强度较大，而且建设有大量地铁结构的大城市大部分都位于高烈度区［1-2］。虽然地下结构有周围土体的约束，一般比地面结构拥有更好的抗震性能，但实践表明，地下结构在地震作用下同样会产生重要的损伤，甚至破坏，如在1995年的阪神地震、1999年的集集地震和2008年的汶川地震中，地下隧道与车站结构都产生了不同程度的受损和破坏［3-4］。另外，地铁隧道和车站因其造价高、使用周期长，一旦发生破坏，修复困难、经济损失巨大。因此，有必要开展盾构隧道与车站地震响应分析的研究，为我国盾构隧道与车站的抗震设计提供参考。

已有很多学者通过模型试验和数值模拟研究了隧道和车站的地震响应规律。杨林德等［5］利用有限差分软件FLAC3D对地铁车站接头结构进行了三维数值模拟，分析了车站结构和区间隧道的加速度响应、土-结构间的动土压力值，以及结构的动应变值，并与振动台模型试验结果进行了对比分析。陈健云等［6］建立了浅埋软土地铁车站的动力计算模型，分析了地震时车站结构的水平相对位移和加速度响应，研究了地铁车站结构的埋深对结构位移的影响。李林等［7］通过振动台试验和数值模拟对浅埋隧道在不同围岩条件下的地震响应特性进行了研究，发现围岩加速度随着高程的增加有明显的放大效应，隧道共轭45°方向的内力值较大。庄海洋等［8］研究了双层多跨大型地铁车站结构在静、动力耦合作用下的力学反应及其地震成灾机制，分析了车站结构的薄弱位置及其破坏规律。程选生等［9］通过振动台模型试验研究了黄土隧道结构在不同地震波及降雨条件下的地震响应和橡胶减震层的减震效果，结果表明隧道拱脚位置处应变变化较大，容易发生应力集中现象，在设置减震层之后衬砌不同位置处的应变值均有减小。

盾构隧道施工会造成地层应力释放，使周围土体应力状态发生改变，剪切模量发生衰减。易宏伟等［10］将盾构隧道周围扰动土体分为挤压、剪切和卸荷扰动区。徐永福等［11］通过对现场监测数据进行分析，指出盾构隧道周围土体的扰动度越大，其初始剪切模量越小，不排水强度也越小。郑刚等［12］通过室内模型试验分析了盾构隧道开挖过程中周围土体的扰动情况，指出开挖后隧道拱顶压力急剧降低，土体损失率越大，周围土压力变化越大。白廷辉等［13］通过在现场试验研究了盾构掘进速度对地层扰动的影响，结果表明顶进速度的降低会导致土压力的改变范围和程度减小。

因此，有学者研究了隧道施工引起的土体应力状态改变对盾构隧道地震响应的影响。Gomes［14］通过数值模拟分析了不同应力释放对静力和动力阶段隧道管片内力的影响，指出在静力阶段，应力释放率越大，管片的轴力和弯矩越小;在动力阶段，应力释放率从5%增加到50%时，轴力比增加了184%，弯矩比增加了126%。Sun等［15］采用收敛限制法模拟了隧道施工的不同应力释放，指出应力释放引起的应力状态改变对地震时隧道管片的轴力和弯矩均有不利影响，且对轴力的影响要大于对弯矩的影响。另外，有学者研究了隧道周围土体模量对地震时管片内力的影响。Sun等［16-17］采用数值模拟研究了软土层对隧道地震响应的影响，结果表明软土层的存在会显著降低隧道管片的内力，尤其是管片弯矩，可见隧道周围土体模量对隧道结构的地震响应也有较大影响。

由上可知，盾构隧道施工扰动会改变隧道周围土体的应力状态，并使土体的剪切模量发生衰减，而隧道周围土体的初始应力和模量大小会影响隧道与车站的地震响应。但目前已有隧道与车站地震响应分析中大部分都没有考虑前期盾构隧道施工扰动的影响，直接采用土体原位应力和扰动前的土体模量进行分析。因此，本文通过数值模拟研究了盾构隧道施工扰动引起的周围土体应力状态和剪切模量改变对隧道与车站地震响应的影响，系统分析了不同应力释放程度和模量衰减程度对隧道周围土体变形、超静孔隙水压力、管片弯矩、管片轴力和车站结构变形的影响。研究结果有助于准确分析隧道与车站的地震响应，为我国盾构隧道与车站结构的抗震设计提供参考。

1 隧道与车站地震响应数值模拟

1.1 数值模型的建立

采用有限差分软件FLAC3D对隧道与车站的地震响应进行数值模拟，所建立的数值模型如图1（a）所示，模型宽度为97.6 m，高度为65.6 m，纵向长度为30 m，车站顶部埋深为7 m，隧道顶部埋深13.2 m，隧道半径为3 m。简化的两层三跨车站结构模型的尺寸如图1（b）所示，车站结构立面图和剖面图分别如图1（c）、（d）所示。车站结构与隧道的连接方式为刚接［18］，模型最大网格尺寸为1 m，小于地震波最高频率对应波长λ的1/10［19］。

计算分为模拟隧道开挖的静力分析和施加地震荷载的动力分析两个阶段。静力计算时，模型顶部为自由边界，四周水平位移为0，底部竖向位移为0;动力计算时，模型底部为固定边界，四周为自由场边界。

1.2 本构模型及参数

根据天津地铁2号线建国道—天津站区间的土层进行分析，土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，基本物理力学参数列于表1［20］。表中的土体密度为干密度，在FLAC3D的流固耦合分析中，会根据输入的土体干密度、孔隙率和水的密度计算土体的饱和密度。管片采用Shell单元模拟，管片厚度为0.3 m，管片本构模型采用弹性模型，考虑接头对管片环整体刚度的影响，弹性模量E取为35 GPa，泊松比为0.2。

FLAC3D可以进行非线性动力反应分析，通过滞后阻尼反映出土体在动力作用下的滞回曲线和滞回圈，可以直接采用动力试验中的模量衰减曲线［21］。FLAC3D中的动力计算可以采用任意的本构模型，如Mohr-Coulomb模型。图2为采用剪切模量（无滞后阻尼）以及最大动剪切模量（有滞后阻尼）的剪应力-剪应变曲线，可见滞后阻尼可以很好地模拟土体在小应变下的非线性特征。由于地震的时间较短，可近似为不排水条件，FLAC3D动力计算时假定超静孔隙水压力与土体的塑性体积应变增量有关，本文采用Finn模型计算塑性体积应变增量以及累积超静孔隙水压力。

1.3 地震波的反演和输入

采用的地震波为天津波，持续时间为8.6 s。首先根据天津设防烈度将测量地震波的加速度峰值调整为0.3g。由于测量地震波为地表的加速度响应，利用Proshake软件将其反演至模型底部，反演前、后的地震波如图3所示。计算时将反演后的地震波沿水平横向（垂直于隧道轴向）施加于模型底部。

1.4 盾构隧道施工扰动的模拟

盾构隧道施工扰动会造成地层的应力释放，使周围土体的应力状态发生改变。本文通过不同应力释放模拟施工扰动造成的不同程度的应力状态改变。采用“收敛限制法”模拟应力释放［22］，即盾构隧道开挖后周围土体会出现径向不平衡力F，先确定土体中应力释放的比例k，然后提取每一点的F并乘以系数（1-k）反向施加到各节点，模型计算平衡后施加管片，再撤去反力后计算至平衡状态。k的取值在0～1之间，其值大小表示应力释放的程度，当k=0时，表示无应力释放;当k=1时，表示应力完全释放。

盾构隧道施工扰动会改变周围结构性土体的最大动剪切模量及剪切模量随剪应变的衰减速率［23］。本文通过不同剪切模量-剪应变关系模拟盾构隧道施工造成的不同程度的剪切模量衰减。模量无衰减、模量衰减小、模量衰减大三种情况下的剪切模量-剪应变关系曲线如图4所示。初始剪切模量分别取Gmax、0.9Gmax、0.8Gmax，Hardin-Drnevich模型中表征剪切模量随剪应变的衰减速率参数γref分别取0.24、0.15、0.1。

2 施工扰动引起应力状态改变的影响

本节分析了不同程度的应力状态改变（应力释放率为10%、20%、30%）对地震时隧道周围土体变形、超静孔隙水压力、管片弯矩、管片轴力和车站结构变形的影响。理论上隧道周围土体应力状态改变的同时，结构性土体的剪切模量也会发生衰减，且应力释放率越大，剪切模量衰减范围及程度也越大。但为了明确分析应力状态改变的影响，本节中假设不同应力释放时隧道周围土体的剪应力-剪应变关系曲线相同。

2.1 土体变形及超孔压

图5（a）为不同应力释放时D-D截面［图1（d）］隧道底部土体的剪应变时程变化曲线。可以看到，应力释放率越大，隧道底部土体的剪应变越大，这是因为应力释放率越大，隧道周围土体的初始剪应力越大，在相同地震作用下土体的剪应变越大。

图5（b）为不同应力释放率时D-D截面隧道底部土体的孔隙水压力时程变化曲线。可以看出，应力释放率越大，隧道底部土体的累积超静孔隙水压力越大。这是因为应力释放率越大，土体的初始剪应力越大，在相同地震作用下土体的累积塑性体积应变越大［24］，从而导致累积超静孔隙水压力随着应力释放率的增加而增大。

2.2 隧道管片弯矩

图6为不同应力释放时E-E截面［图1（d）］隧

道左拱肩管片环向弯矩的时程变化曲线。可以看出，随着应力释放率的增加，地震前的管片弯矩逐渐减小，但地震时的管片峰值弯矩逐渐增大，表明地震引起的管片弯矩增量随着应力释放率的增加而增大。应力释放率为20%时地震引起的管片左拱肩弯矩增量是应力释放率10%时的132%;应力释放率为30%时地震引起的管片左拱肩弯矩增量是应力释放率10%时的165%。

图7（a）为不同应力释放率时E-E截面地震前和地震时的管片弯矩分布图。由图7（a）中（Ⅰ）可以看出，地震前管片弯矩最大值在拱顶和拱底处，且管片弯矩随应力释放率的增加而明显减小，表明在静力荷载作用下隧道发生“横鸭蛋”变形，且这种变形趋势随应力释放率的增加而减小。由图7（a）中（Ⅱ）可知，地震时管片弯矩最大值在拱肩和拱脚处，随着应力释放率的增加，管片弯矩逐渐增大，表明在动力荷载作用下隧道发生45°方向的“横鸭蛋”变形，且这种变形趋势随应力释放率的增加而增大。这主要是因为应力释放率越大，隧道周围土体的初始剪应力越大，剪切模量相对越小，在相同地震力下作用在管片上的力越大，管片弯矩越大。由图7（a）可知，地震时最大正弯矩和最大负弯矩的位置与地震前不同，且其绝对值都大于地震前的值，在对管片

进行设计时应予以考虑。

图7（b）为不同应力释放率时靠近车站的D-D截面地震前和地震时的管片弯矩分布图。由图可知，地震前管片弯矩最大值的位置、管片弯矩随应力释放增加的变化规律，以及地震时管片弯矩最大值的位置、管片弯矩随应力释放增加的变化规律与E-E截面相同，但D-D截面地震前和地震时的整体弯矩都明显低于E-E截面。这是由于车站的刚度较大，靠近车站的土体相对于车站会产生相对向下的位移，因此作用在靠近车站管片上的力相对较小，导致地震前和地震时D-D截面处的管片弯矩都远小于E-E截面处。

2.3 隧道管片轴力

图8为不同应力释放时E-E截面［图1（d）］隧道左拱肩管片环向轴力的时程变化曲线。可以看出，随着应力释放率的增加，地震前管片轴力逐渐减小，但地震时逐渐增大，表明地震引起的管片轴力增量随着应力释放率的增加而增大。应力释放率为20%时地震引起的管片左拱肩轴力增量是应力释放率10%时的324%;应力释放率为30%时地震引起的管片左拱肩轴力增量是应力释放率10%时的527%。

图9（a）为不同应力释放率时E-E截面［图1（d）］地震前和地震时的管片轴力分布图。由图9（a）中（Ⅰ）可知，地震前管片轴力随应力释放率的增加而明显减小，这是因为应力释放率越大，地震前作用在管片上的力越小。由图9（a）中（Ⅱ）可知，地震时管片轴力随应力释放率的增加而增大，这是因为应力释放率越大，隧道周围土体的初始剪应力越大，剪切模量相对越小，在相同地震荷载下作用在管片上的力越大，导致管片的轴力越大。由图9（a）可知，地震时的最大轴力位置与地震前不同，且其数值大于地震前的值，在对管片进行设计时应予以考虑。

图9（b）为不同应力释放率时靠近车站的D-D截面地震前和地震时的管片轴力分布图。由图可知，与E-E截面相同，地震前管片轴力随应力释放

率的增加而减小，而地震时随应力释放率的增加而增大，但D-D截面地震前的整体轴力明显低于E-E截面。这是因为D-D截面处的土体相对于车站向下位移，会导致作用在管片上的力变小。D-D截面地震时的最大轴力略大于E-E截面，但在地震时其出现了较大的拉力。

由上可知，无论是在靠近车站的D-D截面还是在远离车站的E-E截面，地震引起的管片弯矩和轴力以及地震时的管片最大弯矩和轴力都随着应力释放率的增加而增大，这是因为应力释放率越大，在相同地震力下作用在管片上的力越大。

2.4 车站结构变形

在受到地震作用时地下结构与土体存在相互作用力，一方面结构对土体的变形具有约束作用，另一方面结构也要顺从土体发生一定的变形，这是结构在地震中发生破坏的重要原因［1］。本节分析了当地震波达到峰值时，不同应力释放率时车站结构的变形。

图10为不同应力释放率下地震波达到峰值时车站结构放大100倍的水平位移。可以看出，侧墙和柱的水平位移随着高度的增加而逐渐增大，应力释放率越大，车站结构的整体水平位移越大。

图11（a）为不同应力释放率下地震波达到峰值时不同位置侧墙的相对水平位移（侧墙不同高度水平位移与底部水平位移之差）。可以看出，同一应力释放率下，由于端墙的限制，侧墙相对水平位移随着离端墙距离的减小而减小，例如，当应力释放率为10%时，A-A、B-B、C-C截面［图1（c）］侧墙的相对水平位移最大值分别为7.02、5.02和2.62 mm。

随着应力释放率的增加侧墙相对水平位移逐渐增大，应力释放率为10%、20%和30%时C-C截面侧墙的相对水平位移最大值分别为2.62、3.74和4.70 mm。这是因为应力释放率越大，隧道周围土体的初始剪应力越大，在相同地震作用下土体的变形越大，导致车站结构的相对水平位移越大。

图11（b）为不同应力释放率下地震波达到峰值时左前柱的相对水平位移。可以看到，与侧墙相对水平位移随应力释放率增加的变化规律相同，应力

释放率越大，左前柱的相对水平位移越大，应力释放率为10%、20%和30%时，相对水平位移最大值分别为6.74、9.78和12.48 mm。表明应力释放率越大，地震时作用在车站结构上的力越大。

3 施工扰动引起土体模量衰减的影响

本节通过不同剪切模量-剪应变关系曲线（图4）分析不同程度的土体模量衰减对地震时隧道周围土体变形、超静孔隙水压力、管片弯矩、管片轴力和车站结构变形的影响。理论上，土体模量的衰减程度随着离隧道距离的增加而减小，但为了明确分析土体模量衰减的影响，将土体模量衰减范围设定为1倍的隧道半径，且衰减范围内所采用的土体剪应力-剪应变关系曲线相同。另外，也没有考虑应力释放对周围土体应力状态改变的影响。

3.1 土体变形及超孔压

图12（a）为不同程度模量衰减时D-D截面［图1（d）］隧道底部土体的剪应变时程变化曲线。由图可知，模量衰减程度越大，隧道底部土体的剪应变越大。这是因为模量衰减程度越大，在同一剪应变下土体的剪切模量越小，因此在相同地震作用下土体的剪应变越大。

图12（b）为不同程度模量衰减时D-D截面隧道底部的孔隙水压力时程变化曲线。可以看出，孔隙水压力在2 s后有明显增大，峰值加速度过后其变化量较小。模量衰减程度越大，土体的剪切模量越小，在相同地震作用下土体的塑性体积应变越大，地震时隧道底部土体的超静孔隙水压力越大。

3.2 隧道管片弯矩

图13为不同程度模量衰减时E-E截面［图1（d）］隧道左拱肩管片弯矩的时程变化曲线。由图可知，地震前的管片弯矩相同，随着模量衰减程度的增加，地震时的管片峰值弯矩逐渐减小，表明地震引起的管片弯矩增量随模量衰减程度的增加而减小，模量衰减小时地震引起的管片弯矩增量是模量无衰减时的79%，模量衰减大时地震引起的管片弯矩增量是模量无衰减时的67%。

图14（a）为不同程度模量衰减时E-E截面［图1（d）］地震时的管片弯矩分布图。由图可知，随着模量衰减程度的增加，地震时的管片弯矩逐渐减小。这是因为模量衰减程度越大，隧道周围土体的剪切模量越小，土体越软，作用在管片上力越小，管片弯矩越小。

图14（b）为不同程度模量衰减时靠近车站的D-D截面地震时的管片弯矩分布图。由图可知，地震时管片弯矩也随模量衰减程度的增加而减小，但由于靠近车站的D-D截面地震前的弯矩较小（与图9类似），地震时的整体弯矩也明显低于远离车站的E-E截面的值。

3.3 隧道管片轴力

图15为不同程度模量衰减时E-E截面［图1（d）］隧道左拱肩管片轴力的时程变化曲线。可以看出，随着模量衰减程度的增加，地震时的管片峰值轴力逐渐减小，表明地震引起的管片轴力随着模量衰减程度的增加而减小。模量衰减小时地震引起的管片轴力增量是模量无衰减时的61%，模量衰减大时

地震引起的管片轴力增量是模量无衰减时的40%。

图16（a）为不同程度模量衰减时E-E截面地震时的管片轴力分布图。由图可知，地震时管片轴力随模量衰减程度的增加而略有减小，这是因为模量衰减程度越大，相当于周围土体越软，地震引起的管片轴力越小。

图16（b）为不同程度模量衰减时D-D截面地震时的管片轴力分布图。可以看到，与E-E截面相同，地震时管片最大轴力随模量衰减程度的增加而减小，但D-D截面地震时的最大轴力大于E-E截面，且D-D截面在地震时出现了较大的拉力，这与图12的情况类似。

由上可知，无论是靠近车站的D-D截面还是远离车站的E-E截面，地震引起的管片弯矩和轴力以

及地震时的管片弯矩和轴力都随着模量衰减程度的增加而减小，这是因为模量衰减程度越大，在相同地震力下作用在管片上的力越小。

3.4 车站结构变形

图17（a）为不同程度模量衰减下地震波达到峰值时不同位置侧墙的相对水平位移。从图中可以看出，同一模量衰减程度下，由于端墙的限制，侧墙相对水平位移随着与端墙距离的减小而减小，例如，模量无衰减时，A-A、B-B和C-C截面［图1（c）］侧墙的相对水平位移最大值分别为12.35、8.66和4.84 mm。

随着模量衰减程度的增加，侧墙的相对水平位移逐渐减小。模量无衰减、模量衰减小和模量衰减大时C-C截面的相对水平位移最大值分别为4.84、3.79和3.22 mm。

图17（b）为不同程度模量衰减下地震波达到峰值时左前柱的相对水平位移。可以看到，与侧墙相对水平位移随模量衰减程度增加的变化规律相同，模量衰减程度越大，左前柱的相对水平位移越小，模量无衰减、模量衰减小和模量衰减大时左前柱的相对水平位移最大值分别为11.72、8.95和7.61 mm。表明土体剪切模量衰减越大，地震时作用在车站结构上的力越小。

4 讨论

盾构隧道施工应力释放及施工扰动，会使周围土体应力状态发生改变，还会使结构性土体的剪切模量发生衰减，从而影响隧道与车站的地震响应。但目前在进行隧道与车站地震响应分析时，基本都没有考虑盾构隧道施工扰动的影响，直接采用施工扰动前土体的原位应力和剪切模量。

本文的数值模拟结果表明，盾构隧道施工应力释放率越大，隧道周围土体的应力状态改变程度越大、初始剪应力越大，地震时隧道底部土体的剪应变和超静孔隙水压力越大，管片弯矩和轴力以及车站结构的变形程度越大，表明相同地震荷载时作用在隧道和车站上的力越大;盾构隧道施工引起的结构性土体的剪切模量衰减程度越大，隧道周围土体的最大剪切模量及在同一剪应变下的剪切模量越小，隧道周围土体相对越软，地震时隧道底部土体的剪应变和超静孔隙水压力也越大，但管片弯矩和轴力以及车站结构的变形程度越小，表明相同地震荷载时作用在隧道和车站上的力越小，这可能是因为隧道周围土体的剪切模量变小，导致隧道和车站随土体的整体位移变大，但隧道与车站的相对变形反而会变小。

理论上，盾构隧道施工扰动对周围土体应力状态及力学性质的改变往往是相互关联的，即施工应力释放及扰动程度越大，隧道周围土体的应力状态改变程度越大，结构性土体的剪切模量衰减程度也越大。但这需要在盾构隧道施工模拟时，土体的本构模型采用能够反映土体结构性强度及其随塑性应变逐渐损伤的结构性本构模型，准确分析不同施工扰动程度下隧道周围不同范围土体的应力状态改变程度及剪切模量的衰减程度（与结构性的损伤程度有关）。而本文采用的本构模型虽然可以通过应力释放率的大小计算得到应力状态的改变程度，但不能同时反映出剪切模量的衰减程度和衰减范围。因此，为了明确分析应力状态改变和剪切模量衰减的影响，在分析应力状态改变的影响时，周围土体采用的剪切模量-剪应变关系曲线相同;在分析剪切模量衰减的影响时，周围土体的应力状态相同；另外，将剪切模量衰减范围假定为1倍的隧道半径，衰减范围内采用相同的剪切模量-剪应变关系曲线。

由上可知，由于本文的数值模拟中采用的本构模型不能反映施工扰动对结构性土体应力状态改变和剪切模量衰减的耦合影响，当隧道周围土体为结构性土体时，计算结果可能与实际情况存在一定的差异。接下来将采用更能反映结构性土体真实特性的结构性本构模型进行数值计算，或者开展盾构隧道施工扰动对结构性土体应力状态改变和剪切模量衰减的模型试验，准确分析盾构隧道不同施工扰动程度下隧道周围不同范围土体的应力状态改变程度以及剪切模量的衰减程度，进一步分析盾构隧道施工诱发的隧道周围结构性土体应力状态和剪切模量改变对隧道与车站地震响应的综合影响。

5 结论

通过数值模拟研究了盾构隧道施工扰动引起的隧道周围土体应力状态及剪切模量改变对隧道与车站地震响应的影响，分析了不同程度的应力状态改变和土体模量衰减对土体变形、超静孔隙水压力、管片弯矩、管片轴力和车站结构变形的影响，主要结论如下：

（1） 盾构隧道施工引起的应力状态改变对地震响应的影响：随着应力状态改变程度（地层应力释放率）的增加，隧道周围土体的初始剪应力逐渐增大，隧道底部土体的剪应变逐渐增大，超静孔隙水压力逐渐增大;地震前管片弯矩和轴力逐渐减小，而地震时逐渐增大，表明地震引起的管片弯矩和轴力逐渐增大，应力释放率30%时地震引起的管片左拱肩弯矩和轴力增量分别是应力释放率10%时的165%和的527%;车站侧墙和柱的相对水平位移逐渐增大。表明应力释放率越大，地震时作用在隧道管片和车站结构上的力越大。

（2） 盾构隧道施工引起的土体模量衰减对地震响应的影响：随着模量衰减程度的增加，隧道周围土体的剪切模量逐渐减小，隧道周围土体越软，隧道底部土体的剪应变逐渐增大，超静孔隙水压力逐渐增大;地震前的管片弯矩和轴力相同，而地震时的管片峰值弯矩和轴力逐渐减小，表明地震引起的管片弯矩和轴力逐渐减小，模量衰减大时地震引起的管片左拱肩弯矩增量是模量无衰减时的67%，模量衰减大时地震引起的管片左拱肩轴力增量是模量无衰减时的40%;车站侧墙和柱的相对水平位移逐渐减小。表明土体剪切模量衰减程度越大时，地震时作用在隧道管片和车站结构上的力越小。

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（本文编辑：张向红）