复杂地层条件下大断面盾构隧道纵向地震响应分析
0 引言
地下隧道是城市现代化交通工具, 是战争时期重要的人防工程。虽然地下工程结构受周围土层约束作用, 在地震作用下产生的振幅大为减少, 震害程度轻于地面结构, 但较强地震给地下结构带来的危害仍不容忽视。由于隧道结构一旦发生破坏难以修复, 易造成严重的经济损失, 所以加强地下结构抗震性能, 并研究盾构隧道地震响应分析方法及减震措施十分必要。Rostami等
依托深圳市某盾构隧道进行研究, 该隧道全长约7.3km, 穿越淤泥、黏土、砂土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩等多种地层, 工程地质条件非常复杂。通过有限元模拟对地震作用下的地层响应进行分析。
1 有限元模型
1.1 基本条件与假定
进行地下结构地震反应分析时, 为便于分析并尽可能地接近实际情况, 采用以下基本假定: (1) 各岩土介质为均质、各向同性体; (2) 土体在动力作用下满足位移协调条件; (3) 采用总应力分析方法, 不考虑孔隙水压变化及砂土地震液化影响。
1.2 地震波选取
该隧道建筑场地类别为Ⅱ类。抗震设防烈度为7度, 场地特征周期为0.35s。根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》第5.2.1条规定, II类场地设计地震动峰值加速度在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下分别为0.05g, 0.10g, 0.22g
1.3 计算模型及参数
盾构法隧道采用上、下行分离式横断面布局。单线隧道采用内径13.7m、外径15.0m的圆形断面。
图1 地震波加速度时程曲线
Fig.1 Time history curves of seismic waves acceleration
基于有限元软件ABAQUS建立二维模型, 模型长1 327.06m, 深75.79m, 盾构隧道水平方向总长592.50m, 隧道最大埋深43.39m、最小埋深12.94m。根据地质勘察资料, 合并相同种类且参数相近的土层, 主要穿越的土层参数如表1所示。网格以一阶四边形单元为主, 采用减缩积分, 单元数量为30 388。其中, 隧道所在地层单元精细划分, 单元数量为10 482。
表1 土层参数
Table 1 Soil parameters
1.4 边界条件
采用有限元法分析地层动力作用时, 需从半无限地球介质中切取有限计算区。截取地层范围过大将导致结构计算模型太大, 浪费过多的存储空间及计算时间, 甚至导致无法完成计算;而截取地层范围太小又会使散射波在人工边界上发生反射, 导致计算结果存在较大误差甚至错误。目前人工边界一般分为两大类, 一类为全局人工边界 (如边界元) , 具有较高精度, 但由于全局耦合性, 计算需耗费大量时间;另一类为局部人工边界 (透射人工边界) , 由于其具有较好的适用性及时空解耦特性, 计算耗时少。在众多人工边界中, 最简单的局部人工边界为粘性边界, 施加简便且适用性较强, 但不能模拟半无限域地基弹性恢复能力, 在低频动力荷载作用下可能存在低频失稳问题
现有粘弹性边界在具体应用时采用离散的弹簧及阻尼器模拟, 具有简便、精度良好及参数稳定的特点, 实用性强, 便于大型通用软件使用。
2 地层响应分析
将盾构隧道穿越的地层分为3个区域, 分别为下降段、平稳段、上升段。在每个区域选择1～2个断面, 尽可能选择盾构隧道穿越的最复杂地层 (见图2) 。因此, 下降段区域选择A断面, 平稳段区域选择B断面, 上升段区域选择C, D断面。
图2 区域划分
Fig.2 Regional division
A断面土层自下而上依次为 (10) 5, (10) 4, (10) 3, (10) 2, (10) 1, (8) 1, (5) 2, (5) 1, (3) , (1) ;盾构隧道穿越的土层自下而上依次为 (10) 1 (拱底) 、 (8) 1 (拱腰) 、 (5) 2 (拱肩) 、 (5) 1 (拱顶) 。B断面土层自下而上依次为 (10) 4, (10) 3, (10) 1, (8) 2, (8) 1, (5) 2, (5) 1, (3) , (1) ;盾构隧道穿越的土层自下而上依次为 (10) 4 (拱底) 、 (10) 3 (拱腰) 、 (10) 2 (拱顶) 。C断面土层自下而上依次为 (10) 4, (10) 3, (10) 2, (8) 1, (5) 1, (3) , (1) ;盾构隧道穿越的土层自下而上依次为 (10) 4 (拱腰以下) 、 (10) 3 (拱腰以上) 。D断面土层自下而上依次为 (10) 4, (10) 3, (10) 2, (10) 1, (8) 1, (6) 4, (6) 3, (6) 2, (6) 1, (5) 1, (3) , (1) ;盾构隧道穿越的土层自下而上依次为 (8) 1 (拱腰以下) 、 (6) 4, (10) 1, (6) 3, (6) 1。
在模型底部施加加速度荷载, 提取断面A, B, C, D加速度峰值数据, 设定模型底部高程为0.000m, 加速度放大倍数与高程关系曲线如图3所示, 图3中高程越大隧道埋深越小。
图3 不同区域断面加速度放大倍数-高程曲线
Fig.3 Curves of acceleration amplification multiplier and elevation
由图3可知, 隧道埋深越大其穿越的地层地震动加速度放大倍数越小, 隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小。因为隧道埋深越大, 所处地层越坚硬, 对地震动放大效应不明显。此外, 埋深越大地震动加速度放大效应越小, 隧道穿越地层越复杂隧道拱顶及拱底加速度放大倍数差值越大。因为地震动在传播过程中不断穿越不同地层接触面后发生反射和折射, 经叠加后的地震动加速度因频率不同而被放大或缩小。某条地震波频率被放大, 导致加速度放大效果显著。地震动加速度放大倍数在岩石层中较小, 在砂土层中较大, 在 (10) 4微风化混合花岗岩中, 放大倍数为1.008倍/m左右, 而在 (3) 淤泥中, 放大倍数为1.1倍/m左右。
3 隧道穿越复杂地层风险分析
反应位移法认为结构产生的附加地震应力、应变是由地层位移差引起的, 而相对位移差可通过地层间的应变反映, 地层间应变较大的区域位移相对较大, 进而可评价隧道结构的安全性。
在4条地震波作用下, 分析各时间段盾构隧道穿越的土层应变, 认为土体出现最大应变时隧道变形最大。分别分析下降段、平稳段、上升段区域土层应变, 整个时程分析过程中将各时间段地层应变最大、最小值间进行3等分, 根据应变值分为地震破坏重灾区、一般灾区、轻灾区。根据盾构隧道结构特点, 某一区域处于重灾区时包含该区域的隧道整环均为重灾区。仅取地震波1作用下的地层应变进行分析, 结果如图4所示。
由图4a可知, 下降段重灾区在盾构井及距盾构井约19.51m的区域, 最大应变发生在 (3) 淤泥与 (5) 1黏土交界面处, 说明此区域隧道拱肩以上部位会发生较大变形, 易发生破坏。一般灾区与重灾区相邻, 区域纵向长36.71m。其余为轻灾区。
图4 灾区分布
Fig.4 Distribution of disaster areas
由图4b可知, 平稳段重灾区有2处, 第1处长约77.31m, 距平稳段左端12.97m;第2处长约25.22m, 距平稳段左端106.53m。最大应变发生在 (10) 2强风化混合花岗岩与 (10) 1全风化混合花岗岩交界面处, 说明此区域隧道拱肩以上部位会发生较大变形, 易发生破坏。一般灾区与重灾区相邻, 共存3处, 纵向长度分别为12.97, 16.24, 16.40m。其余为轻灾区。
由图4c可知, 上升段重灾区位于盾构井及距盾构井约43.91m处, 最大应变发生在 (6) 4粗砂、 (6) 1淤泥质黏土、 (6) 3黏土交叠处, 说明此区域隧道拱肩部位会发生较大变形, 易发生破坏。一般灾区与重灾区相邻, 区域纵向长约32.99m。其余为轻灾区。
需注意的是, 隧道穿越的地层在下降段与平稳段过渡区域及平稳段与上升段过渡区域 (隧道转弯处) 应变有所增加, 但变化幅度较小, 根据应变值仍可认为是轻灾区。
综上所述, 均质地层或土层参数相近的复杂地层均为轻灾区或一般灾区, 隧道发生破坏的可能性较小。而地层参数变化较大, 特别是多种地层交叠地段, 在地震作用下应变较大, 为重灾区。应变较大部位多为拱腰及以上部位, 且埋深越浅应变越大, 更易发生破坏。在受到纵向地震作用时, 上升段重灾区与断面D处于同一区域, 说明处于此区域的盾构隧道可能发生更大的震害。
4 结语
通过ABAQUS软件建立整个盾构隧道区间所在复杂地层的二维数值模型, 并在模型边界处设置粘弹性边界, 通过纵向施加不同地震激励作用, 对盾构隧道所在地层进行响应分析, 并对地震灾害区域进行划分, 得到以下结论。
1) 盾构隧道埋深越大其所在地层地震动加速度放大倍数越小, 隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小。在实际工程条件允许的情况下, 应尽可能加大隧道埋深, 减弱地震作用下的灾害。
2) 隧道穿越地层越复杂隧道拱顶及拱底地震动加速度放大倍数差值越大, 隧道发生破坏的概率越高。在隧道选线工作中, 应尽量使隧道穿越均质地层。
3) 当隧道穿越上软下硬地层时, 隧道拱腰及以上部位会发生较大变形, 且隧道埋深越浅变形越大, 更易发生破坏。在隧道结构设计时, 应适当加强隧道结构上部区域。同时, 在上软下硬、左软右硬等复杂地层中, 地层参数差异越大隧道变形越大, 处于此区域的隧道结构应根据地质情况进行加强, 用以减弱地震作用下的灾害。
4) 提出一种确定震害灾区的分析方法, 即将地层加速度响应分析与地层应变响应分析结合, 确定地震作用下盾构隧道所在广域范围内的危险区间, 在危险区间对盾构隧道进行加强, 用以减弱地震作用下的灾害。
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