高地震烈度下超大直徑海底盾構(gòu)隧道地震響應分析

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1、公路隧道2011年第3期(總第75期)高地震烈度下超大直徑海底盾構(gòu)隧道地震響應分析劉繼國郭小紅程勇(中交第二公路勘察設計研究院有限公司武漢430056)摘要運用FLACm軟件采用動力有限元法對高地震烈度下超大直徑海底隧道地震響應進行分析。通過分析得出如下結(jié)論：①與單純自重應力場作用下相比，地震作用會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，拱頂及拱腰為其受力薄弱部位；②在重力及地震共同作用下，襯砌結(jié)構(gòu)的拉應力主要出現(xiàn)在拱頂附近，最大拉應力超過C60混凝土的抗拉強度設計值，拱頂?shù)囊r砌管片可能出現(xiàn)局部脫落；③襯砌結(jié)構(gòu)的最大受力

2、和位移一般發(fā)生在地震2—6s的時間段；④各關(guān)鍵點位置的位移、彎矩、剪力、軸力時程曲線具有相似的變化規(guī)律；⑤隧道襯砌最大水平位移為3．6cm，最大豎向位移為3．7cm。關(guān)鍵詞海底隧道高地震烈度超大直徑盾構(gòu)地震響應分析決定了其抗震分析方法的特點。對地下隧道結(jié)構(gòu)，其抗震設計方法會因不同的施工工藝(如明挖法，盾1引言構(gòu)法等)而有所不同_2]，但綜合來看其響應分析的研近年來，隨著我國經(jīng)濟建設步伐的加快，越來越究方法大致可分為兩大類：一類為波動法，它以求解多的城市開始修建地鐵及跨越江海的水下隧道。地波動方程為基

3、礎，將地下結(jié)構(gòu)視為無限線彈性(或彈鐵的修建廣泛采用小直徑盾構(gòu)，而跨越江海的水下塑性)介質(zhì)中孔洞的加固區(qū)，將整個系統(tǒng)作為對象進隧道則一般選用大直徑盾構(gòu)。目前，國內(nèi)關(guān)于小直行分析，求解其波動場和應力場；另一類為相互作用徑盾構(gòu)隧道的抗震研究比較全面、深入，但對于高地法，這是以求解結(jié)構(gòu)運動方程為基礎，將土介質(zhì)的作震烈度條件下(Ⅷ度)超大直徑(直徑在14m以上)用等效為彈簧和阻尼。本文采用動力有限元法對高盾構(gòu)隧道的地震響應研究較少。本文結(jié)合汕頭蘇埃地震烈度條件下超大直徑盾構(gòu)隧道的地震響應進行灣海底隧道，對高地

4、震烈度條件下(Ⅷ度)超大直徑研究。(直徑在14m以上)盾構(gòu)隧道的地震響應進行研究。2工程概況目前，地下隧道結(jié)構(gòu)抗震問題的研究方法主要有_1J：原型觀測，實驗研究以及理論分析。原型觀測擬建的海底隧道為三車道高等級公路隧道，位就是通過實測地下隧道結(jié)構(gòu)在地震時的動力特性來于汕頭市海灣大橋和磐石大橋之間，起點接天山南了解其地震響應特點。它主要包括震害調(diào)查和現(xiàn)場路，跨越汕頭市內(nèi)海灣，終點接安海路，工程附近水試驗兩大類。震害調(diào)查很難對地震過程中的動力響域?qū)捈s3500m。推薦方案盾構(gòu)段長3700m，盾構(gòu)外應進行量

5、測，也無法控制地震波的輸入機制和邊界直徑14．9m，內(nèi)徑13．60m；采用單層襯砌方案，管片條件，更無法主動地改變各種因素以對某一現(xiàn)象進為C60混凝土，厚度650mm，寬度2000mm(圖1)。行有目的、多角度的研究。故有時就不得不借助于現(xiàn)場試驗，它可以在一定程度上彌補這一缺陷L1]。實驗研究就是通過激震實驗來研究隧道結(jié)構(gòu)的響應特性。它可以分為人工震源實驗和振動臺實驗。通過實驗人們可以更好的掌握地下隧道結(jié)構(gòu)的工作特性，進而為抗震分析的理論發(fā)展奠定基礎。對隧道結(jié)構(gòu)這種大型結(jié)構(gòu)，以上的兩種方法在實際運用

6、中都不可避免地會有代價昂貴的問題，因此理論研究無疑是不可缺的研究途徑。理論分析的主要基礎是波動理論和有限元方法。地下隧道結(jié)構(gòu)的震害、動力反應及結(jié)構(gòu)自身(縱向尺寸遠大于橫向尺寸)特點圖1隧道橫斷面圖·1·公路隧道2011年第3期(總第75期)隧道最大覆土厚度為27m，最小覆土厚度為3hi16m。海域地段上部為淤泥及淤泥質(zhì)粘土，淤泥質(zhì)粘一3一㈤tAt。土呈深灰色，軟塑狀；下部為中粗砂，呈深灰或灰色，式中：ID為密度；hi為速度；t為時間；為應力中密狀，以中粗砂為主，局部為細砂，含較多泥質(zhì)或夾分量；為加速

7、度。淤泥質(zhì)土團塊，中粗砂滲透系數(shù)為0．37×10m／s；節(jié)點位移可表示為下伏基巖為花崗巖，其中全強風化層厚度約2～14m，強～弱風化巖面標高一般為一60m左右，局部“(￡+At)一()+(￡+-~)At(6)為一25m左右，單軸抗壓強度為67．3～148MPa。將四邊形單元分成兩對相互覆蓋的常應變?nèi)侨L化花崗巖滲透系數(shù)為0．2×10一m／s。形單元，對任意一個三角形單元有項目區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。一專(蓑+(7)3計算原理由(5)式可得地下結(jié)構(gòu)的地震反應分析，主要有在模型外邊O／ti1一Eftz△

8、x(8)界施加各種人工透射邊界解決能量向無限遠輻射的如對于三角形單元，式(8)可展開為波動分析方法，以結(jié)構(gòu)為主體，地基的作用通過相互作用力求解的相互作用分析方法，以及在外邊界施一1l(+~2)O~k／xXl+(+加不同邊界條件的慣性力方法。本文采用人工邊界)AXl++(+)△X2I模擬波向無窮遠輻射的結(jié)構(gòu)一地基土一體化計算方(9)法。采用將輸入地震動參數(shù)轉(zhuǎn)化為作用于人工邊界同理可得Oiti上的等效荷載的方法來實現(xiàn)波動輸入。這種一體化，進而可求出△。應力增量可模型實際上