高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

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1、公路隧道2011年第3期(总第75期)高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析刘继国郭小红程勇(中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉430056)摘要运用FLACm软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论：①与单纯自重应力场作用下相比，地震作用会造成结构内力增大，拱顶及拱腰为其受力薄弱部位；②在重力及地震共同作用下，衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近，最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值，拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落；③衬砌结构的最大受力

2、和位移一般发生在地震2—6s的时间段；④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律；⑤隧道衬砌最大水平位移为3．6cm，最大竖向位移为3．7cm。关键词海底隧道高地震烈度超大直径盾构地震响应分析决定了其抗震分析方法的特点。对地下隧道结构，其抗震设计方法会因不同的施工工艺(如明挖法，盾1引言构法等)而有所不同_2]，但综合来看其响应分析的研近年来，随着我国经济建设步伐的加快，越来越究方法大致可分为两大类：一类为波动法，它以求解多的城市开始修建地铁及跨越江海的水下隧道。地波动方程为基

3、础，将地下结构视为无限线弹性(或弹铁的修建广泛采用小直径盾构，而跨越江海的水下塑性)介质中孔洞的加固区，将整个系统作为对象进隧道则一般选用大直径盾构。目前，国内关于小直行分析，求解其波动场和应力场；另一类为相互作用径盾构隧道的抗震研究比较全面、深入，但对于高地法，这是以求解结构运动方程为基础，将土介质的作震烈度条件下(Ⅷ度)超大直径(直径在14m以上)用等效为弹簧和阻尼。本文采用动力有限元法对高盾构隧道的地震响应研究较少。本文结合汕头苏埃地震烈度条件下超大直径盾构隧道的地震响应进行湾海底隧道，对高地

4、震烈度条件下(Ⅷ度)超大直径研究。(直径在14m以上)盾构隧道的地震响应进行研究。2工程概况目前，地下隧道结构抗震问题的研究方法主要有_1J：原型观测，实验研究以及理论分析。原型观测拟建的海底隧道为三车道高等级公路隧道，位就是通过实测地下隧道结构在地震时的动力特性来于汕头市海湾大桥和磐石大桥之间，起点接天山南了解其地震响应特点。它主要包括震害调查和现场路，跨越汕头市内海湾，终点接安海路，工程附近水试验两大类。震害调查很难对地震过程中的动力响域宽约3500m。推荐方案盾构段长3700m，盾构外应进行量

5、测，也无法控制地震波的输入机制和边界直径14．9m，内径13．60m；采用单层衬砌方案，管片条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进为C60混凝土，厚度650mm，宽度2000mm(图1)。行有目的、多角度的研究。故有时就不得不借助于现场试验，它可以在一定程度上弥补这一缺陷L1]。实验研究就是通过激震实验来研究隧道结构的响应特性。它可以分为人工震源实验和振动台实验。通过实验人们可以更好的掌握地下隧道结构的工作特性，进而为抗震分析的理论发展奠定基础。对隧道结构这种大型结构，以上的两种方法在实际运用

6、中都不可避免地会有代价昂贵的问题，因此理论研究无疑是不可缺的研究途径。理论分析的主要基础是波动理论和有限元方法。地下隧道结构的震害、动力反应及结构自身(纵向尺寸远大于横向尺寸)特点图1隧道横断面图·1·公路隧道2011年第3期(总第75期)隧道最大覆土厚度为27m，最小覆土厚度为3hi16m。海域地段上部为淤泥及淤泥质粘土，淤泥质粘一3一㈤tAt。土呈深灰色，软塑状；下部为中粗砂，呈深灰或灰色，式中：ID为密度；hi为速度；t为时间；为应力中密状，以中粗砂为主，局部为细砂，含较多泥质或夹分量；为加速

7、度。淤泥质土团块，中粗砂渗透系数为0．37×10m／s；节点位移可表示为下伏基岩为花岗岩，其中全强风化层厚度约2～14m，强～弱风化岩面标高一般为一60m左右，局部“(￡+At)一()+(￡+-~)At(6)为一25m左右，单轴抗压强度为67．3～148MPa。将四边形单元分成两对相互覆盖的常应变三角全风化花岗岩渗透系数为0．2×10一m／s。形单元，对任意一个三角形单元有项目区地震基本烈度为Ⅷ度。一专(蓑+(7)3计算原理由(5)式可得地下结构的地震反应分析，主要有在模型外边O／ti1一Eftz△

8、x(8)界施加各种人工透射边界解决能量向无限远辐射的如对于三角形单元，式(8)可展开为波动分析方法，以结构为主体，地基的作用通过相互作用力求解的相互作用分析方法，以及在外边界施一1l(+~2)O~k／xXl+(+加不同边界条件的惯性力方法。本文采用人工边界)AXl++(+)△X2I模拟波向无穷远辐射的结构一地基土一体化计算方(9)法。采用将输入地震动参数转化为作用于人工边界同理可得Oiti上的等效荷载的方法来实现波动输入。这种一体化，进而可求出△。应力增量可模型实际上