燕 曉

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092)

0 引言

由于極端氣候頻現(xiàn)，以北京、上海為首的國內(nèi)許多城市近年來都面臨內(nèi)澇頻發(fā)、徑流污染、雨水資源大量流失、生態(tài)環(huán)境破壞等諸多雨水問題，在城市建設(shè)中構(gòu)建完善雨洪管理系統(tǒng)越來越受到關(guān)注[1]。2013年，國家提出建設(shè)“海綿城市”這一概念，即：現(xiàn)代城市應(yīng)該像海綿一樣具有吸納、凈化和利用雨水功能，以及應(yīng)對(duì)氣候變化、極端降雨的防災(zāi)減災(zāi)、維持生態(tài)功能的能力。建造城市深埋調(diào)蓄系統(tǒng)正是建設(shè)“海綿城市”的重要手段，國外很多城市建設(shè)了包括調(diào)蓄隧道、泵站和雨水處理廠在內(nèi)的深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)，以達(dá)到排水、防洪、污水處理等多種目的。而本文的研究重點(diǎn)是調(diào)蓄系統(tǒng)中的豎井、隧道以及綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)。

近十年來，國內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)，汶川、玉樹等地震[2]波及范圍廣、造成的損失嚴(yán)重，土木工程抗震也越來越引起人們的重視。而地下結(jié)構(gòu)因埋于土層中，一旦發(fā)生破壞難以修復(fù)，因此，國家和地方抗震規(guī)范規(guī)定的地下結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)高于地上結(jié)構(gòu)。2016年，上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)發(fā)布了《上海市市政（公路）公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證管理辦法》，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的監(jiān)督和管理。城市調(diào)蓄系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)形式多樣、地層條件復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)[3]。因此，地震作用對(duì)城市深埋調(diào)蓄系統(tǒng)的影響不可忽視。

目前，國內(nèi)外對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震問題的研究方法主要有理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等。對(duì)于處于復(fù)雜地層條件、結(jié)構(gòu)形式多樣的地下結(jié)構(gòu)，理論分析方法并不適用。模型試驗(yàn)法針對(duì)工程實(shí)際情況，依據(jù)相似理論制作試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)需求還要制備模型土以模擬地下結(jié)構(gòu)周圍的土層[4]。這種方法耗時(shí)長、經(jīng)濟(jì)成本高，并不適用于工程的快速安全評(píng)估。數(shù)值模擬方法能綜合考慮結(jié)構(gòu)的真實(shí)性、地層的復(fù)雜性、工況的多樣性等特點(diǎn)，相較其他方法有較為明顯的優(yōu)勢。地下結(jié)構(gòu)抗震分析的數(shù)值計(jì)算方法多種多樣，其中又以三維時(shí)程分析法最具有高仿真性。陳向紅等[5]采用三維動(dòng)力時(shí)程法分析了水下隧道附屬豎井的橫向地震響應(yīng)，研究了在不同圍巖環(huán)境中豎井響應(yīng)的區(qū)別；于新杰等[6]研究了南京長江沉管隧道豎井和豎井各板的最大地震響應(yīng)情況；肖夢(mèng)倚和費(fèi)文平[7]研究了半埋式深豎井的地震響應(yīng)規(guī)律，并評(píng)估了其抗震安全性。但上述的研究對(duì)象均為方形豎井且結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)于同時(shí)考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式和場地條件的豎井結(jié)構(gòu)的研究尚未見報(bào)道。

本文以某工程為例，建立包括場地、隧道、豎井以及綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，考慮土與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用和場地?zé)o限元邊界等眾多因素，進(jìn)行有限元模型地震激勵(lì)數(shù)值模擬，通過結(jié)果分析對(duì)城市深埋調(diào)蓄隧道的地震安全性進(jìn)行了評(píng)估。

1 城市深埋調(diào)蓄系統(tǒng)

整個(gè)城市深埋調(diào)蓄系統(tǒng)一般由主線隧道、二、三級(jí)管網(wǎng)、綜合設(shè)施、豎井及污水處理廠等多種類型的建、構(gòu)筑物組成。雨洪來臨時(shí)，大量的雨水涌入豎井，井內(nèi)設(shè)置豎向旋流渠道以減小雨水下落時(shí)的沖擊勢能。通過豎井將雨水貯存在隧道和管網(wǎng)內(nèi)，待雨洪過后，將管內(nèi)雨水、污水進(jìn)行凈化，然后排出，見圖1。

圖1 深埋調(diào)蓄隧道工作流程

大城市中的淺層地下空間一般已被地鐵、地下停車場、地下商業(yè)中心等占據(jù)，城市調(diào)蓄系統(tǒng)只能在深層地下空間建設(shè)。因此，豎井的開挖深度和隧道的埋置深度均較大。除此之外，豎井結(jié)構(gòu)上部與調(diào)蓄系統(tǒng)的綜合設(shè)施合建，下部與盾構(gòu)隧道相連，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，因此有必要對(duì)其進(jìn)行抗震安全評(píng)估。本文以豎井、綜合設(shè)施和隧道連接處為研究對(duì)象，開展了三維動(dòng)力時(shí)程抗震分析。

2 計(jì)算模型

本文以某在建的深埋調(diào)蓄系統(tǒng)工程為研究對(duì)象，建立三維有限元數(shù)值模型，研究系統(tǒng)中豎井、隧道和綜合設(shè)施的連接處的地震響應(yīng)。其中，豎井為圓形，直徑33.8 m，深度63.5 m，采用地墻圍護(hù)；隧道工程采用盾構(gòu)法建設(shè)，隧道內(nèi)徑10 m，管片厚度0.65 m，基本埋深50 m；綜合設(shè)施為4層框架結(jié)構(gòu)，每層板均與豎井內(nèi)的每層圓形隔板連為一體。

根據(jù)工程所在城市的總體地質(zhì)條件和工程場地的地質(zhì)勘查狀況，數(shù)值模型的計(jì)算深度取155 m。依據(jù)實(shí)際場地勘察資料進(jìn)行場地的建模，從地表向下將場地劃分為16層。各土層模型均簡化為水平層，土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

場地模型采用實(shí)體單元建模，豎井、隧道結(jié)構(gòu)及綜合設(shè)施的板、墻采用殼單元，綜合設(shè)施的梁、柱采用梁單元。數(shù)值模型以豎井為中心，水平范圍內(nèi)橫、縱向均取300 m場地范圍，滿足場地邊界大于結(jié)構(gòu)（3～5）D[8]的要求。場地模型底部約束豎向自由度，頂面為自由邊界。場地與結(jié)構(gòu)的法向相互作用定義為硬接觸，切向?yàn)槟Σ两佑|。隧道模型采用剛度折減的連續(xù)結(jié)構(gòu)等效帶有大量接頭的不連續(xù)拼裝管片結(jié)構(gòu)，橫向和縱向剛度折減系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]取值，豎井與隧道、綜合設(shè)施均為剛性連接。最終建立的三維數(shù)值模型尺寸300 m×300 m×135 m，共計(jì)單元147 856個(gè)、節(jié)點(diǎn)152 350個(gè)，見圖2。

3 模擬結(jié)果分析

本文動(dòng)力時(shí)程分析所用的地震波為上海人工波，見圖3。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，深埋調(diào)蓄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)設(shè)防類，需考慮設(shè)防烈度地震和罕遇地震兩種荷載等級(jí)下的動(dòng)力響應(yīng)；另外，由于結(jié)構(gòu)形式為非對(duì)稱，需分別考慮結(jié)構(gòu)縱向（平行于隧道軸向）和橫向（垂直于隧道軸向）的地震響應(yīng)，計(jì)算工況見表2。

圖2 有限元模型

圖3 上海人工波

表2 計(jì)算工況

為研究地震作用下隧道不同位置的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，選取隧道與豎井連接處、隧道中部（距隧道與豎井連接處50 m）和隧道遠(yuǎn)端位置（距隧道與豎井連接處100 m）的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比，見圖4。所選取三處位置的加速度響應(yīng)波形基本一致，但隧道與豎井連接處的加速度響應(yīng)大于其他兩處，最大加速度峰值達(dá)到0.2 g；隧道中部和隧道遠(yuǎn)端的峰值加速度分別為0.15 g和0.13 g。

圖5為豎井與隧道連接處、豎井頂部及底部的加速度時(shí)程曲線。由圖可見，由于豎井與隧道連接處距離豎井底部較近（約12 m），故二者震動(dòng)波形相似；豎井頂部距底部近60 m，受場地土體等因素的影響，其震動(dòng)波形與底部略有不同。與圖6結(jié)果相似，豎井與隧道連接處地震響應(yīng)最大，峰值加速度0.24 g，此處為結(jié)構(gòu)體系的薄弱部位，地震過程中有應(yīng)力集中發(fā)生。

圖4 隧道不同位置的加速度響應(yīng)

圖5 豎井不同位置的加速度響應(yīng)

圖6為綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)底板、中間板和頂板的加速度時(shí)程曲線。三處加速度響應(yīng)波形相似，中板和頂板的響應(yīng)較頂板有略微滯后，體現(xiàn)了地震波由下向上的傳播路徑。頂板的地震響應(yīng)最大，中板次之，底板最小。

圖6 綜合設(shè)施不同位置的加速度響應(yīng)

由上述計(jì)算結(jié)果可見，相較于其他位置，豎井與隧道連接部位的地震響應(yīng)最大。因此，有必要對(duì)該處的內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。設(shè)防烈度地震作用下，豎井的最大彎矩和相應(yīng)的軸力見圖7。

圖7 地震作用下豎井最大內(nèi)力

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]的規(guī)定，對(duì)靜力工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和設(shè)防烈度地震引起的內(nèi)力增量進(jìn)行組合，見表3。地震作用組合后的彎矩和軸力均小于靜力工況的結(jié)果。

表3 豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)規(guī)范要求，除設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力外，還需對(duì)設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算。綜合設(shè)施結(jié)構(gòu)為4層，每層板均與豎井內(nèi)的隔板剛性相連，可看作一個(gè)整體。規(guī)范規(guī)定以結(jié)構(gòu)的層間位移角作為變形驗(yàn)算的判別指標(biāo)，本文結(jié)構(gòu)的層間位移角見表4。結(jié)構(gòu)各層的層間位移角均小于規(guī)范限值，滿足要求。

基于數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度地震作用組合內(nèi)力小于靜力工況的內(nèi)力，彈性變形和彈塑性變形均小于規(guī)范限值。因此，可認(rèn)為在本文地下工程中，地震作用不起控制作用。

4 結(jié)論

本文以城市深埋調(diào)蓄系統(tǒng)中的豎井-綜合設(shè)施-深埋隧道結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，建立三維有限元模型，以時(shí)程分析法研究了結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)并對(duì)結(jié)構(gòu)體系的地震安全性進(jìn)行了評(píng)估。豎井結(jié)構(gòu)上盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞處的地震響應(yīng)大于結(jié)構(gòu)體系的其他部位，該處內(nèi)力亦遠(yuǎn)大于其他部位，因此需采取措施進(jìn)行加強(qiáng)。此外，對(duì)設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，地震作用組合內(nèi)力小于靜力工況設(shè)計(jì)組合內(nèi)力；對(duì)罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)最大層間位移角小于規(guī)范限值，可認(rèn)為對(duì)于本文結(jié)構(gòu)體系，地震力不起控制作用，結(jié)構(gòu)在地震作用下處于安全狀態(tài)。本文研究結(jié)果不僅可為今后的工程抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，而且對(duì)指導(dǎo)和完善設(shè)計(jì)工作具有實(shí)際意義。

表4 結(jié)構(gòu)層間位移角

[1]仇保興.海綿城市(LID)的內(nèi)涵、途徑與展望[J].給水排水,2015(3):11-18.

[2]莊衛(wèi)林,陳樂生,裴向軍,等.汶川地震公路震害分析-橋梁與隧道[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]林忠軍.深層隧道排水系統(tǒng)在城市排水規(guī)劃中的應(yīng)用[J].城市道路與防洪,2014(5):143-147.

[4]Xiao YAN,Juyun YUAN,Haitao YU,etc.Multi-point shaking table test design for long tunnels under non-uniform seismic loading[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2016(59):114-126.

[5]陳向紅,陶連金,陳曦.水下隧道附屬豎井的橫向地震響應(yīng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(13):273-278.

[6]于新杰,張鴻儒,王逢朝.南京長江沉管隧道豎井地震反應(yīng)分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,23(4):61-64.

[7]肖夢(mèng)倚,費(fèi)文平.半埋式深豎井結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)力響應(yīng)特征[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2015,48(1):34-38.

[8]樓夢(mèng)麟,潘旦光,范立礎(chǔ).土層地震反應(yīng)分析中側(cè)向人工邊界的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(7):757-761.

[9]樓云鋒,楊顏志,金先龍.輸水隧道地震響應(yīng)的多物質(zhì)ALE數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2014,35(7):2095-2102.

[10]何川,蘇宗賢,曾東洋.盾構(gòu)隧道施工對(duì)已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(10):2063-2069.

[11]GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S ].