洞體間距對隧道地震響應(yīng)的影響分析

張 鴻 張向榮

地鐵是重要的生命線工程,由于我國不少大中城市都位于高烈度設(shè)防區(qū),因此地鐵結(jié)構(gòu)的抗震分析與研究具有重要的理論與工程意義。在實(shí)際工程中,地鐵線路通常由往返程兩條隧道構(gòu)成。本文結(jié)合具體工程實(shí)例,以非線性分析理論[1]為基礎(chǔ)采用動力有限元法對雙洞口隧道體系中相鄰隧道間距對隧道地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了對比分析,得出了一些有益的規(guī)律和結(jié)論。

1 工程概況和有限元模型的建立

本算例的相關(guān)地質(zhì)與工程資料取自天津地鐵1號線和2號線工程。1號線新建區(qū)段及2號線多數(shù)區(qū)段均采用盾構(gòu)法施工,區(qū)間隧道的斷面形狀為圓形,隧道采用預(yù)制混凝土管片拼裝而成的環(huán)形襯砌結(jié)構(gòu)。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。多數(shù)地區(qū)為Ⅲ類場地。

混凝土環(huán)形襯砌的厚度為0.35 m,其外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,隧道頂距地表10 m。土—隧道體系的有限元計(jì)算區(qū)域取為60 m×40 m。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土體和土體中的襯砌均采用平面四結(jié)點(diǎn)等參元來劃分;土體與襯砌之間設(shè)置面—面接觸摩擦單元。根據(jù)地鐵1號線某區(qū)段的地質(zhì)勘察報告,地基的分層及各層物理力學(xué)參數(shù)見表1;襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)見表2。將計(jì)算區(qū)域底部邊界假定為基巖面,側(cè)向邊界上取為水平向自由而豎向約束。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌混凝土物理力學(xué)參數(shù)

本文采用寧河天津波的南北向地震記錄,該地震波的峰值加速度為145.80 Gal(1 Gal=1 cm/s2=0.01 m/s2),采樣頻率為0.01 s,持續(xù)時間為19.19 s。本文由基巖處輸入水平方向的地震波,為節(jié)約計(jì)算時間,截取 6 s～16 s時間段的加速度曲線。根據(jù)GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定,本算例需按7度設(shè)防烈度、Ⅲ類場地、發(fā)生罕遇地震的標(biāo)準(zhǔn),將加速度最大值調(diào)至310 Gal(3.10 m/s2)。

為了充分考慮土體材料的非線性動力特性以及土與結(jié)構(gòu)接觸面上的非線性特征,本文分別采用多線性隨動強(qiáng)化模型[3]和面—面接觸摩擦單元加以模擬,由于混凝土襯砌的強(qiáng)度、剛度相對較大,本文將其近似視為線彈性體計(jì)算。

2 不同洞體間距的地震響應(yīng)對比分析

為了研究雙洞口隧道體系中洞體間距對隧道地震響應(yīng)的影響,本文將6 m間距雙洞口隧道計(jì)算模型進(jìn)行調(diào)整,分別將兩襯砌凈間距取為1 m,3 m,6 m,10 m以及單洞口(以單洞口來說明間距無限遠(yuǎn)情況)五種情況,通過計(jì)算分別得到各模型的動力反應(yīng)時程。根據(jù)已有的實(shí)算規(guī)律,即水平地震作用下襯砌及其周圍土體的應(yīng)力集中區(qū)呈“X”形分布,選取襯砌X形對角線位置內(nèi)側(cè)結(jié)點(diǎn)782,759,767,775以及對應(yīng)位置洞周土體結(jié)點(diǎn)193,537,546,176為研究對象,將各模型的動力反應(yīng)時程進(jìn)行對比,如圖 1,圖2所示(由于篇幅原因,這里僅列出結(jié)點(diǎn)782,759,193和537的對比情況),進(jìn)而得到以下規(guī)律和結(jié)論:

1)由圖1可見,從總體上看,各種間距情況下襯砌對應(yīng)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變時程曲線的走向基本一致,且數(shù)值相差不大,說明水平地震荷載作用下兩洞口間距大小對襯砌高應(yīng)力區(qū)的動力響應(yīng)影響并不大。

2)由圖2可見,各種間距情況下襯砌周圍土體的應(yīng)力、應(yīng)變時程曲線的走向基本一致,但曲線峰值都有不同程度的差異,主要表現(xiàn)為:當(dāng)間距分別為6 m,10 m乃至單洞口(代表間距無限大情況)時,峰值相差很小;而當(dāng)間距小于3 m時,動力反應(yīng)差值逐漸明顯,間距達(dá)到1 m時峰值差異也達(dá)到最大。以上現(xiàn)象說明間距不同時襯砌周圍土體的動力響應(yīng)也有不同程度的變化,間距大于6 m時動力反應(yīng)情況較接近,間距小于6 m時變化逐漸明顯,間距越小變化越強(qiáng)烈。這一點(diǎn)也從抗震角度證實(shí)了規(guī)范將洞口間距限于6 m以上的合理性。

為了進(jìn)一步比較不同間距情況下體系的應(yīng)變特點(diǎn)和相鄰洞口間的相互作用情況,本文以t=2.9 s(應(yīng)變較大時刻)為例分別對各模型的塑性應(yīng)變進(jìn)行對比分析,如圖3所示,得到如下規(guī)律和結(jié)論:

各間距情況下模型的塑性應(yīng)變的整體分布形態(tài)比較相似,即土體塑性應(yīng)變區(qū)集中分布在兩洞口周圍,并穩(wěn)定地呈現(xiàn)出“X”形分布特征。但同時我們亦可發(fā)現(xiàn),當(dāng)間距為6 m以至10 m時,兩洞口塑性區(qū)趨向分離和彼此獨(dú)立;而當(dāng)間距小于3 m乃至1 m時,左右洞口塑性區(qū)相互靠近以致相互交匯,此時洞口之間土體幾乎完全處于塑性區(qū)域,該受力狀態(tài)對隧道結(jié)構(gòu)體系極為不利,是抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)予避免的。由此也再次證實(shí)規(guī)范中將洞口間距下限值取為6 m的合理性。

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程實(shí)例,以非線性分析理論為基礎(chǔ),采用動力有限元法對雙洞口隧道體系中相鄰隧道間距對隧道地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了對比分析,得到以下規(guī)律和結(jié)論:水平地震荷載作用下相鄰隧道間距大小對襯砌結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響不大;但對襯砌周圍土體動力響應(yīng)有一定影響,當(dāng)間距小于6 m時該影響逐漸明顯,同時洞口間的土體塑性區(qū)相互交匯,這對隧道抗震極為不利。由此也證實(shí)規(guī)范中將洞口間距下限值取為6 m的合理性。

[2]柴穎鵬.淺談隧道施工中的關(guān)鍵要素[J].山西建筑,2008,34(12):321-322.

[3]Besseling J.F..A theory of elastic,plastic,and creep deformations of an initially isotropic materialshowing anisotropic strainhardening,creep recovery,and secondary creep[J].Journal of Applied Mechanics,1958(6):529-536.