基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的平行隧道近距離下穿地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究

摘要： 目前對(duì)于單一地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究十分豐富，而相互穿越地下結(jié)構(gòu)體系在地震時(shí)的相互作用機(jī)理和影響規(guī)律的研究還不夠成熟?；?g振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探究近距離隧道平行下穿車站體系對(duì)場(chǎng)地土以及地下結(jié)構(gòu)之間的影響規(guī)律。對(duì)比分析表明：（1）地下結(jié)構(gòu)的存在可降低地表加速度響應(yīng)，最大降低幅度可達(dá)25%;（2）上部車站的存在可以降低下穿隧道的加速度響應(yīng)，最大降低幅度可達(dá)25%，而下穿隧道對(duì)上部車站加速度響應(yīng)的影響則相對(duì)復(fù)雜，沒有體現(xiàn)出一般規(guī)律性;（3）地下結(jié)構(gòu)的加入對(duì)體系動(dòng)力特性（主要是基頻）的影響十分有限，從工程應(yīng)用的角度可不予考慮。研究成果可為地下結(jié)構(gòu)穿越體系的地震響應(yīng)分析和初步設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn); 單一結(jié)構(gòu)體系; 隧道下穿車站; 地震響應(yīng); 動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)： U435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 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 引言伴隨城市化進(jìn)程的加快，城市交通壓力日益嚴(yán)峻，大量地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的開發(fā)隨之增加，它們?cè)诮ㄔO(shè)的過程中往往會(huì)遇到近距離相互交叉或穿越的情況。地下結(jié)構(gòu)大部分位于人口密集的區(qū)域并發(fā)揮著重要功能。近年來我國各大城市不斷修建地鐵工程，由于已建地鐵及車站的存在，新建地鐵工程與已建地下結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生交叉穿越。地下結(jié)構(gòu)一旦受到震害便會(huì)帶來巨大的損失^［1-2］，因此研究近距離地下穿越結(jié)構(gòu)的抗震性能顯得尤為重要。

目前對(duì)單一隧道^［3-4］、單一車站^［5-7］體系有比較成熟的研究，而地下交叉、穿越結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究相對(duì)較少。對(duì)于地鐵車站相互穿越體系，王國波等^［8］總結(jié)大量實(shí)際工程并將其分為三類：車站相互穿越體系、隧道相互穿越體系以及車站-隧道穿越體系，其中車站-隧道穿越體系最為常見。地下立體式交叉結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形受力狀態(tài)更加復(fù)雜，且相互作用顯著^［9］。隨著對(duì)地下結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的深入了解，學(xué)者們對(duì)車站-隧道體系提出了許多抗震分析方法并取得了大量成果：張波等^［10-11］分析了超近距離下穿隧道對(duì)地鐵車站地震動(dòng)力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：下穿隧道的存在可以減弱上部車站結(jié)構(gòu)的位移和加速度響應(yīng)，且越靠近隧道的車站部位，其減弱幅度越大;林輝^［12］、黃俊等^［13］、張潤東^［14］研究并發(fā)現(xiàn)與單一車站體系相比，隧道下穿車站體系的底部隧道具有吸收地震波的作用，從而使上部車站的地震響應(yīng)減弱，減弱幅度隨車站與隧道之間夾層土厚度的增加而減小;Zhuang等^［15］探究了微傾斜地面液化對(duì)于直接穿越體系抗震安全性能的影響;Liu等^［16］提出了預(yù)制開環(huán)管片與現(xiàn)澆車站結(jié)構(gòu)之間的特殊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，以提高兩平行盾構(gòu)隧道擴(kuò)建地鐵車站的抗震性能。由上述已有研究成果來看，目前針對(duì)地下近距離穿越復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的研究還不夠成熟，缺乏試驗(yàn)研究和系統(tǒng)的參數(shù)分析。

本文主要通過自由場(chǎng)體系、單一地下結(jié)構(gòu)體系及隧道平行下穿車站結(jié)構(gòu)體系的1g振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討地下結(jié)構(gòu)對(duì)土體以及近距離地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)之間的影響，確定地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)之間的相互影響規(guī)律。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)臺(tái)與模型箱

試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)9子臺(tái)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)進(jìn)行。本次試驗(yàn)使用了其中4個(gè)子臺(tái)，橫向臺(tái)間距為1.19 m，縱向臺(tái)間距為1.5 m。模型箱內(nèi)部尺寸為3.8 m（長）×2.8 m（寬）×1.1 m（高），在模型箱內(nèi)部內(nèi)置厚度為0.15 m的泡沫板以減弱邊界效應(yīng)，則模型土體實(shí)際尺寸約3.50 m（長）×2.50 m（寬）×1.0 m（高）。主動(dòng)箱位于模型箱兩端，并固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，由于本文暫不考慮行波效應(yīng)，只考慮一致輸入的情形，因此將主、從動(dòng)箱用鋼板通過螺栓連起來。振動(dòng)臺(tái)與模型箱布置如圖1（a），模型箱實(shí)物如圖1（b）所示。

1.2 相似比設(shè)計(jì)

根據(jù)Bukingham定理，以長度、彈性模量及加速度為基本物理量，根據(jù)相似關(guān)系［式（1）］可確定其余的相似系數(shù)。幾何相似比由模型箱尺寸確定為1/30;結(jié)構(gòu)模型采用微?；炷翝仓鋸椥阅Ａ繛?5 GPa，密度2 100 kg/m³，原型結(jié)構(gòu)選取標(biāo)準(zhǔn) C40混凝土，彈性模量為32.5 GPa，密度2 500 kg/m³，得到彈性模量相似比為0.462;加速度相似比依據(jù)振動(dòng)臺(tái)性能取2。根據(jù)以上相似比可以推導(dǎo)其他物理量的相似系數(shù)（表1）。

S_E/S_ρS_aS_l=1 （1）

式中：S_E、S_ρ、S_a、S_l分別表示彈性模量、等效質(zhì)量密度、加速度和長度相似比（表1）。

1.3 模型的設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶淼滥Ｐ?、車站模型及模型土?/p>

（1） 隧道模型

根據(jù)隧道原型，按幾何相似比1/30換算得出模型隧道長2 m，外直徑200 mm，壁厚15 mm。隧道截面如圖2，模型實(shí)物如圖3所示。

隧道模型采用微?；炷林谱?，其配合比列于表2，最終測(cè)量得到的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等結(jié)果列于表3。

（2） 車站模型

原型車站為單層兩跨框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)幾何相似比換算得出車站模型長1.05 m，橫截面尺寸為628 mm（寬）×229 mm（高）;中柱高172 mm，截面尺寸為20 mm（長）×30 mm（寬）;車站整體平面布置如圖4（a），橫截面如圖4（b）所示，車站模型實(shí)物及其在模型土中的位置分別如圖4（c）和圖4（d）所示。車站模型制作所采用的材料配合比等參數(shù)均與隧道模型相同。

（3） 模型土

模型土采用北京地區(qū)某地鐵車站工地的粉質(zhì)黏土。土體分多次倒入模型箱中，每填充10 cm后用重物夯實(shí)，逐步填至1 m深。每層土壓實(shí)后，通過環(huán)刀試驗(yàn)測(cè)得平均密度為1 850 kg/m³，通過彎曲元得到土體剪切波速為50 m/s，泊松比按經(jīng)驗(yàn)取0.3，則可得模型土剪切模量與彈性模量分別為6.06 MPa、15.76 MPa。

1.4 加載工況

為考慮不同地震動(dòng)特性的影響，本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入波包括：用于體系掃描的白噪聲、經(jīng)典的El-Centro波（EL波）、脈沖波Northridge波（NR波）、取土地區(qū)的北京人工波（BJ波）和用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溥吔缧?yīng)的正弦波（SIN波）。邊界效應(yīng)的驗(yàn)證參見文獻(xiàn)［17］。根據(jù)時(shí)間相似比對(duì)地震波調(diào)整，處理得到如圖5所示的地震波時(shí)程及頻譜圖，加載工況如表4所列，每種工況結(jié)束后都進(jìn)行白噪聲掃描，以確定體系頻率和阻尼變化，故白噪聲工況未在表4中列出。由圖5可見EL波卓越頻率在9 Hz附近，峰值比較單一，NR 波則存在兩個(gè)峰值，而BJ波在5～20 Hz內(nèi)頻率成分十分豐富。規(guī)定X向沿模型箱3.5 m方向（水平橫向），Y方向沿2.5 m方向（水平縱向），Z向沿深度方向（豎向），本次試驗(yàn)僅考慮地震動(dòng)沿X向輸入（圖6）。

1.5 監(jiān)測(cè)方案

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上布置有T1、T2、T3加速度傳感器以監(jiān)測(cè)臺(tái)面加速度，作為后續(xù)數(shù)值計(jì)算的輸入。土體表面沿Y向布置有A1、A2、A3加速度傳感器［圖6（a）］，縱向剖面測(cè)點(diǎn)布置見圖6（b）。車站頂板與中柱結(jié)合處設(shè)C1、C2加速度測(cè)點(diǎn)，隧道拱頂分別設(shè)有S1～S3和S4～S6加速度測(cè)點(diǎn)。

2 地震響應(yīng)分析

2.1 地下結(jié)構(gòu)對(duì)土體響應(yīng)的分析

對(duì)4種結(jié)構(gòu)體系地表測(cè)點(diǎn)A2的加速度響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，可分析地下結(jié)構(gòu)對(duì)土體加速度響應(yīng)的影響。定義地下結(jié)構(gòu)對(duì)地表加速度響應(yīng)影響系數(shù)（k₁）為3種包含地下結(jié)構(gòu)體系相較于自由場(chǎng)時(shí)地表測(cè)點(diǎn)加速度幅值變化量與自由場(chǎng)時(shí)地表加速度幅值的比值，即：

k₁=A_US-A_FF/A_FF×100% （2）

式中：A_US和A_FF分別為含地下結(jié)構(gòu)和自由場(chǎng)時(shí)地表測(cè)點(diǎn)加速度峰值。

各體系地表加速度響應(yīng)影響系數(shù)如圖7所示（顯然，自由場(chǎng)工況時(shí)地表加速度影響系數(shù)為0）。由圖7可見：

（1） 單一車站體系的影響系數(shù)均小于0，表明單一車站結(jié)構(gòu)的存在降低了地表加速度（-19%～-14%），主要是車站結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，阻隔了地震波向正上方地表的傳播;

（2） 單一隧道體系的影響系數(shù)在0.1g地震波時(shí)也以降低為主，但幅度不大（-4%～-2%），主要是隧道結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小對(duì)地震波傳播影響不大，反而在較大地震動(dòng)（0.2g）時(shí)放大了地表響應(yīng);

（3） 隧道下穿車站體系的影響系數(shù)在地震動(dòng)幅值較小（0.1g）時(shí)降低了地表響應(yīng)，且降低幅度最大（-25%～-20%），但在地震動(dòng)較大（0.2g）時(shí)有放大也有降低，體現(xiàn)了地震波在更多界面上復(fù)雜的反射現(xiàn)象；

（4） 從地震波類型來看：在BJ波作用下影響系數(shù)的變化幅度最大，NR波下最為平緩，主要是北京波的強(qiáng)震時(shí)間最長，且其按相似比調(diào)整的卓越頻率［圖5（c）］與體系基頻最接近^［17］。

地表A2測(cè)點(diǎn)在0.1g、0.2g EL地震波作用下的時(shí)程、頻譜圖見圖8。由圖8可知，與自由場(chǎng)相比，加入地下結(jié)構(gòu)后體系的主頻略有減小，但影響程度都有限，4種體系時(shí)地表加速度響應(yīng)的頻譜分布基本一致，即地下結(jié)構(gòu)對(duì)體系動(dòng)力特性影響不顯著，從工程角度可忽略不計(jì)。

2.2 車站對(duì)隧道響應(yīng)的影響分析

以單一隧道體系為基準(zhǔn)，通過對(duì)比單一隧道體系與隧道平行下穿車站體系時(shí)隧道拱頂加速度響應(yīng)，可分析車站對(duì)下穿隧道加速度的影響。定義車站對(duì)隧道加速度的影響系數(shù)為k₂［式（3）］，以隧道縱向跨中截面上測(cè)點(diǎn)S5響應(yīng)為例進(jìn)行分析。該測(cè)點(diǎn)在各工況下的影響系數(shù)如圖9所示，其在0.1g、0.2g EL地震波作用下的時(shí)程、頻譜圖如圖10所示。

k₂=A_ST-A_T/A_T×100% （3）

式中：A_ST和A_T分別表示隧道下穿車站體系、單一隧道體系中隧道拱頂測(cè)點(diǎn)的加速度幅值。

由圖9、圖10可知：在3種地震波的作用下，測(cè)點(diǎn)S5的加速度影響系數(shù)均小于0，即上部車站的存在降低了下穿隧道的加速度響應(yīng)；從影響程度來看，BJ波對(duì)隧道加速度的減弱程度最為明顯（25%），其次是EL波，而NR波的影響最小（10%以內(nèi)）。其原因還是在于BJ波的強(qiáng)震時(shí)間長，其卓越頻率與體系基頻接近，而且NR波為脈沖波，強(qiáng)震作用時(shí)間較短。與此同時(shí)，車站的剛度大于鄰近土體，車站與隧道間距較小，車站的存在增加了對(duì)隧道的約束，從而降低了隧道的整體響應(yīng)。另外，兩種體系的主頻基本一致，隧道體系中加入車站對(duì)于整個(gè)體系動(dòng)力特性的影響十分有限。

2.3 隧道對(duì)車站響應(yīng)的影響分析

以單一車站體系為基準(zhǔn)，通過對(duì)比土-車站體系與隧道下穿車站體系時(shí)車站頂板加速度響應(yīng)，分析隧道對(duì)上部車站加速度的影響。定義隧道對(duì)車站加速度的影響系數(shù)為k₃［式（4）］，以車站頂部測(cè)點(diǎn)C2響應(yīng)為例進(jìn)行分析。該測(cè)點(diǎn)在各工況下的影響系數(shù)如圖11所示，其在0.1g、0.2g EL地震波作用下的時(shí)程、頻譜圖如圖12所示。

k₃=A_TS-A_S/A_S×100% （4）

式中：A_TS和A_S分別表示隧道下穿車站體系和單一車站體系中車站頂板對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的加速度幅值。

由圖11可見：隧道對(duì)車站的影響沒有明顯的規(guī)律，與前面對(duì)場(chǎng)地土影響分析類似，如EL波時(shí)降低了車站響應(yīng)，而NR和BJ波時(shí)則放大了車站響應(yīng)，主要原因在于隧道與車站諸多界面致使地震波存在大量的反射現(xiàn)象，其進(jìn)一步的規(guī)律尚需借助數(shù)值方法進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)分析。另外，單一車站體系與隧道平行下穿車站體系的主頻一致，即在車站下穿越隧道對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性的影響非常有限。

3 結(jié)論

本文基于1g振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，初步探討了近距離地下穿越結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地土以及地下結(jié)構(gòu)之間地震響應(yīng)的影響規(guī)律，可得如下結(jié)論：

（1） 地下結(jié)構(gòu)的存在在一定程度上可降低地表加速度響應(yīng)，且尺寸大、埋深小的車站降低幅度最大，尺寸小、埋深大的隧道則易于放大地表加速度響應(yīng);

（2） 由于車站結(jié)構(gòu)的存在增加了對(duì)隧道的約束作用，車站結(jié)構(gòu)降低了下穿隧道的響應(yīng)，其中以強(qiáng)震作用時(shí)間長、卓越頻率與場(chǎng)地土基頻接近的BJ波降低幅度最大;

（3） 由于隧道和車站諸多界面的影響，隧道對(duì)車站響應(yīng)的影響沒有體現(xiàn)出一定的規(guī)律，還有待進(jìn)一步的數(shù)值參數(shù)分析;

（4） 地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)體系動(dòng)力特性的影響十分有限，從工程應(yīng)用的角度可不考慮。

本文僅僅是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的初步分析，考慮到試驗(yàn)工況有限以及地下結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)困難，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不夠全面。因此，后續(xù)還需利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型，并基于驗(yàn)證的數(shù)值模型進(jìn)行廣泛的關(guān)鍵因素參數(shù)分析，以期獲得隧道下穿車站體系更一般的地震響應(yīng)規(guī)律。

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（本文編輯：張向紅）