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1、盾构隧道纵向地震响应分析摘 要:为了探讨盾构隧道的纵向地震响应特性,采用地层-隧道整体三维有限元模型,对武汉长江越江盾构隧道的地震响应进行了分析,主要研究了合理的盾构隧道力学模型、隧道与地层之间的相互作用以及隧道的振动特性.通过隧道与地层的整体分析,得到了盾构隧道位移和应力的分布及其随时间的变化曲线.计算结果表明:压缩波引起的纵向拉、压应力和剪切波引起的扭曲变形是隧道抗震设计的关键.关键词:盾构隧道;三维有限元法;地震响应分析12目前常采用反应位移法和时程响应法进行隧道纵向抗震设计.反应位移法认为地震时地下结构对地层的反应具
2、有追随性,结构的加速度和位移都随地层的响应而反应,结构产生的附加地震应力和应变是由于地层位移差产生的.该方法概念明确,计算简便,在均匀地层中得到较好应用[1,2].用时程响应法计算地下结构的地震响应时,将结构和土层作为一个整体,考虑结构与土层的相互作用,建立整个系统的运动微分方程,通过直接输入地震加速度时程曲线,求得各时刻结构的加速度、速度、位移和应力.此方法能较好地反映动力响应的全过程,并且能比较直观地估计结构的变形和识别结构的薄弱环节,在沉管隧道等结构中得到了较好的应用[3,4].近年来,随着盾构隧道的大量修建,其抗震性
3、能受到极大关注,但目前这方面的研究成果较少,特别是对盾构隧道纵向抗震性能的研究更薄弱.原因在于:(1)盾构隧道由管片通过环向螺栓连接成环后,再用纵向螺栓把各环通过通缝或错缝拼装而成,环间接头具有相对柔性,使得盾构隧道的纵向刚度不一致,如何考虑盾构隧道纵向接头对抗震性能的影响较困难.(2)隧道结构长度和计算边界的处理较困难.计算隧道纵向地震响应时,边界长度的确定既要能体现隧道线状结构的纵向特性,考虑计算能力的可行性,还要设法消除人工边界导致的地震波反射作用.目前在盾构隧道纵向地震响应分析中,或将带有接头的隧道用等效质量弹簧模型
4、模拟[1,3,4],或按地震波沿隧道纵向呈正弦分布简化计算[5],这2种方式都与实际情况不完全相符.本文中采用三维瞬态动力学分析方法,对武汉长江越江盾构隧道进行了纵向抗震分析,对隧道纵向刚度和边界条件作了适当处理,采用100a超越概率为2%的人工地震波,运用行波理论计算了3种不同工况下盾构隧道的纵向地震响应.1计算模型12武汉长江盾构隧道内径5.0m,外径5.5m,幅宽2.0m,隧道以九等分管片错缝10°拼装.该隧道纵向地震响应整体分析模型见图1,计算范围在z,x,y轴方向即长、宽、高分别为1000,60和30m.
5、模型按隧道的实际地层情况建立,底部为泥质粉砂岩,自下而上分别为厚15.0,3.5,11.5m的粉细砂岩、中粗砂岩和粉细砂岩,其物理力学参数见表1.盾构隧道用梁单元模拟,地层边界用弹簧和阻尼器并联而成的弹簧阻尼单元模拟,这样可以有效消除边界能量,较好地反映边界上波的透射,避免由于固定约束引起的能量全反射.2纵向刚度的等效处理前已述及,把盾构隧道简化成刚度沿纵向不变的连续梁时,必须考虑环间纵向接头的影响.根据等效变形的原则,可以求得盾构隧道分别在拉(压)、剪切和弯矩作用下的刚度折减系数[7].以纵向拉(压)为例,把m环长度为ls
6、的管片等效为m/n环长度为nls的管片的等效轴向拉(压)刚度模型见图2.12设在轴力N作用下,轴向实际伸长则根据u1=u2,可以计算出轴向刚度折减系数式中:ls为盾构隧道管片的幅宽;EA为管片环的轴向拉(压)刚度;KN为隧道纵向接头轴向拉(压)弹簧的弹性系数.同理,可以分别求得盾构隧道纵向等效剪切刚度折减系数ηQ和纵向等效弯曲刚度折减系数ηM:式中:GA为管片环的剪切刚度;KQ为隧道纵向接头剪切弹簧的弹性系数;EI为管片环的弯曲刚度;KM为隧道纵向接头弯曲弹簧的弹性系数.计算中,纵向1000m共500环,等效成1环进行刚度等
7、效处理.3地震波输入方式为了解地层的振动特性,首先根据成层重复反射理论,用一维土柱模型分析该盾构隧道场地地层的动力响应.选取隧道处的实际地层进行分析,基岩为泥质粉砂岩,采用弹性本构关系.表层地层则采用与应变相关的材料特性(动剪切弹性模量和阻尼比)表征其非线性特性.按照输入场地地质条件合成的人工地震波(100a一遇概率水准为2%的前10s),加速度峰值为1.431m/s2,如图3.从基底进行单向激励,计算出地层的地震响应,包括加速度、速度、位移和层间剪应力响应.根据场地地层的地震响应分析结果,各地层的加速度、位移和剪应力响应最
8、大值都发生在大约3~8s间,8s以后呈较强的衰减趋势[8].12地震波在地壳中传播时,地层介质的阻尼和粘滞作用会使其衰减和被过滤,同时,地层具有一定的柔性和变形能力,因此,地震波的速度、强度和频率特性都受地层介质物理性质的控制.地震波在地层介质中按一定方向、以一定速度传播,使地层中的结构依
