盾构隧道地震系数法的抗震分析

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1、第２期（总第１９３期）华东公路Ｎｏ．１（ＴｏｔａｌＮｏ．１９２）２０１２年４月２０日ＥＡＳＴＣＨＩＮＡＨＩＧＨＷＡＹＡｐｒｉｌ２０１２文章编号：１００１－７２９１（２０１２）０２－０２６－０４文献标识码：Ｂ盾构隧道地震系数法的抗震分析曹久林１，应础斌２，张征亮３（１．重庆交通大学，重庆市４０００７４；２．浙江省交通规划设计院，浙江杭州３０００６１；３．西南交通大学，四川成都６１００３１）摘要：地震荷载使盾构隧道的最不利荷载位置、大小与常时荷载都有所不同，这种变化在抗震设计中应该予以考虑。以成都地铁区间盾构隧道为例，采用地震系数法对不同地震烈度和不同埋深条件下的隧道进行数值模拟

2、，分析了上覆土柱引起的水平地震力与侧压力增量对衬砌结构内力的影响；隧道的主要破坏形式。关键词：盾构隧道；抗震计算；地震系数法［６］［７］１引言萍，ＫａｚｕｈｉｋｏＫａｗａｓｈｉｍａ等用反映位移法对地下盾构隧道在城市修建地铁中发挥了重要作用，对［８］［９］结构的抗震计算进行了研究，林志、刘晶波等采用盾构隧道抗震研究是当今地震工程界重要的研究方了时程分析法对盾构区间隧道衬砌结构的地震反映进向。在以往的盾构隧道设计中，认为地下结构的抗震行了计算。但在我国现行的设计规范中，规定采用地［１］能力比地面结构强，所以没有充分考虑地震作用。震系数法进行隧道的抗震计算［１０－１１］，本文采用地

3、震系近年来，随着地下结构数量的增多和地下结构震害的数法对常时荷载与地震荷载分别作用及其共同作用下频繁出现，地下结构抗震问题日益受到世界各国地震的隧道结构进行分析，以期发现地震荷载对盾构隧道工作者的高度重视。在１９９５年日本兵库县南部地震，内力的影响规律。“５·１２”中国汶川大地震中，大量的隧道结构都受到了２地震系数法（图１）［２，３］严重破坏，特别是神户市内的地铁车站，其破坏程地震系数法是由地面结构抗震理论发展而来的，度甚至超过了地面建筑。１９８５年墨西哥大地震，盾构根据地震峰值加速度确定水平地震系数进行计算，一法修建的地下管道遭到严重破坏，竖井与隧道断面连般只计算水平地震力

4、的作用，包括衬砌自重的水平地接处，螺栓被剪断，洞顶开裂。根据地震烈度区划图，我国百万以上人口的大城市中有７０％位于７度和７［４］度以上的地震设防区，“５·１２”汶川大地震中，成都市的烈度已经远远超过了其设防烈度７度，因此在广泛采用盾构法修建区间隧道的城市地铁中，其抗震设计不容忽视。目前，国内外对地下结构的抗震设计计算方法主要有：地震系数法、解析法、反应位移法和时程分析法［５］等四种。张栋梁等对提出了针对盾构隧道抗震设计的解析解，这种方法基于拟静力假定，采用平面弹性理图１地震系数法计算原理示意图论的复变函数方法推导圆形衬砌内力的解析解。耿震力、侧向土压力增量、地震作用下围岩弹性

5、抗力以及＊　收稿日期：２０１２－０１－０９２０１２年第２期曹久林，应础斌，张征亮：盾构隧道地震系数法的抗震分析—２７—［１０］地震时坍塌及落实冲击力。而一般认为衬砌结构３工程实例自身惯性力的影响较小，可以忽略不计。在此次计算３．１计算参数中，只考虑洞顶土柱水平地震力和侧压力增量。本次数值模拟以成都地铁为工程背景，采用荷洞顶土柱垂直土压力的计算公式：载—结构模型进行隧道横截面内力计算。整个结构所Ｐ＝γＨｖ（Ｂ－λＨｖｔａｎθ）受荷载包括常时荷载与地震荷载，在常时荷载计算中，水平地震力，作用于土柱质心：竖向地层压力按全部地层压力计算，当隧道处于粘性Ｆ＝ηｃＫｈＰ土中时，侧压力按水

6、土合算考虑，在砂性土地层时则按［１１］２ｃ－θ水土分算考虑。本文主要讨论地震荷载以及全部λ′＝ｔａｎ（４５°－）２荷载作用下，隧道在不同埋深、不同地层及不同地下水侧压力增量：的条件下的受力情况，分别选择了埋深小于２Ｄ，埋深Δｅ＝γｈｉ（λ－λ′）为２Ｄ和３Ｄ三个断面在地震烈度分别为７度、８度、９２（４５°－／２）λ′＝ｔａｎｃ度条件下进行计算（Ｄ为隧道直径）式中Ｂ———Ｄ隧道跨度，ｍ；计算中，按照设计要求，隧道横断面直径为５．４ｍ，３；γ———Ｄ围岩重度，ｋＮ／ｍ衬砌厚度为０．３ｍ，钢筋混凝土的弹性模量为３０ＧＰａ，Ｈｖ———Ｄ洞顶地面高度，ｍ；密度为２５００ｋｇ／ｍ３，

7、在结构的周围用受压连杆来模拟θ———Ｄ地震角，°；衬砌与地层之间的弹性抗力。λ———Ｄ地震力作用下侧压力系数；ｈｉ———Ｄ任一点ｉ至地面的垂直距离，ｍ；ｃ－－Ｄ围岩计算摩擦角（°）；３．２地震烈度对隧道内力的影响λ′———无地震力作用下侧压力系数（１）假设地震波从右侧输入，在９ｍ埋深条件下，表１水平地震系数及地震角不同地震烈度的地震荷载单独作用下，隧道衬砌结构地震烈度７８９的弯矩如图２所示。水平地震系数Ｋｈ０．１０．２０．４（２）９ｍ埋深条件下的常时荷载与地震荷载共同地震角１．５°３°６°作用下的弯矩