盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法的研究_1

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1、盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法的研究摘要：为了研究盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法，进行了一系列振动台模型试验，并对试验应用了二维有限元动力分析。提出两种基于土体-隧道复合有限元模型和梁-弹簧有限元模型的静力分析方法，这种方法通过振动台模型试验得到验证。这项研究涉及隧道和土体动力反应性质，隧道和土体的相互作用及对不同的抗震设计方法的评价。研究结果表明：隧道位移及横向动力特性由周边土体决定；作者提出的静力分析方法可以直接用做隧道横向上的抗震设计中。关键词：地震特性；抗震结构设计；盾构隧道，振动台试验；

2、地震变形方法1.介绍在日本、中国和许多其它国家的城市地区，生命线建筑中广泛采用盾构隧道。然而，一些地区处于地震高发区，过去曾经发生多次地震活动。从1985年墨西哥地震和1995年八户南部地震，盾构隧道的地震破坏就有报道。如今，抗震设计已经成为盾构隧道建设中一项重要的主题。在盾构隧道抗震设计中---这种设计分析的重点放在隧道的纵向和周边土体上---，人们都常认为，这种设计观点适用于中小型外直径的盾构隧道。近年来，具有复杂的横截面和大尺寸横截面的盾构隧道数量增长很快，要求在横截面部位进行抗震设计的情况越来越多。然而，

3、盾构隧道和周边土体之间的动力相互作用相当复杂，适用的盾构隧道横向上抗震设计方法还未形成。在过去十年间，许多工程师和研究人员一直致力于适用的盾构隧道横向抗震设计方法的发展研究。通常，当研究盾构隧道横向上动力特性时，可以采用土体-隧道复合模型的二维或三维动力分析。但是，在动力分析时，输入和输出的数据庞大，并且分析结果也很复杂，很难理解，还没有得到广泛应用的适用的抗震设计方法。地震变形方法是一种静力分析方法。在此方法中，自由土体反应位移被看作是施加在隧道结构上的地震荷载。PWRI和JSCE建议，把此方法当作一种盾构隧道

4、纵向抗震设计的适用方法。据建议，基于地震变形方法的这种概念，其理论解可大致评估价在土体运动下，盾构隧道纵向上的最大截面应力。然而，这种盾构隧道横向上动力特性还未弄清；而且，这种建议的理论解也不能直接用在处于非规则土体中的盾构隧道上。为了充分研究这种地震行为进行了一系列振动台试验。另外，在本项研究中，对这些试验应用了静力、动力分析，对不同的抗震方法进行了评价。.振动台模型试验.1隧道土体测试原型和模型测试原型是外直径为10米的双线地下盾构隧道。盾构隧道为预应力砼扁平箱型截面，1米宽，米厚。假设盾构隧道位于一个冲击层

5、上。假设冲击层和盾构隧道埋深分别为30米和14米，土体基础处在一个非常坚硬的洪积层上，在抗震设计中，可以把它看作为刚性体。在振动台模型试验中，依据相似原理选择土体和隧道材料。引用物理量的比例系数时，是依照如下假设：土体惯性力和弹性力是相互独立的物理量。冲击层和盾构隧道分别用硅胶和聚乙烯模拟。为了方便制造隧道模型，忽略了截面横向和圆周向的连接点。而且，隧道模型分成个相互独立的圆环，之间间隔用软的合成橡胶环填充。这样，纵向的地面边界对模型中央截面的影响可尽量减少。土体模型宽900毫米，侧面上看作是自由边界。根据前面基

6、本的动力分析，在土体模型宽度大于900毫米情况下，土体模型中央处的振动特性与侧面半无限体边界时相比，变化很小，甚至是土体模型边界看作是自由边界时也是如此。.2试验概要所有的度量传感器均安置在试验模型的中央截面。记录绝对加速度时程的加速度计分别放在振动台上；并且，分别量测每个截面上的弯曲应变和轴向应变。记录水平位移时程的激光位移计放在土体一侧。分别进行了单一土体模型和土体-隧道复合模型振动台模型试验。试验模型底部固定在振动台上，在振动台上输入单向水平激振波。试验按如下步骤进行：首先，用正弦波激振模型，加速度设为80

7、gal，频率从2HZ变到50HZ，然后，来自Tokachi-Oki地震、Ei-Centro地震及Hyogo-Ken地震的地震记录分别用做激振波，它们的时间基数缩短至实际时间的十分之一，最大加速度设为300gal。所有的试验均在弹性范围内进行，隧道和土体之间没有出现滑动位移。.数值分析方法.1动力有限元分析为了解释试验现象，证明动力分析在抗震设计中的适用性，在振动台模型试验中采用了二维动力有限元分析。可以把试验模型的中央全截面看作平面应变状态，并作为分析的目标截面。土体和隧道分别用等参固体单元和梁柱单元来模拟。假设

8、隧道和土体之间未发生滑动位移。为了模拟试验模型的边界条件，基础可看作刚体，土体侧面看作是自由边界。分析中应用了时程综合反应方法。在数值模型中。土体的阻尼衰减常数通过试验中测得的土体加速度谐振曲线来计算。由于隧道重量比挖去了的土体重量小得多，隧道的阻尼在分析中忽略不计。从土体底面输入试验中从振动台上量测得到的加速度时程。.基于地震变形方法的静力分析.应用土体-隧道复合有限元