朱星宇 譚富圣 王海彥 張志強(qiáng) 秦昌

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055；3.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南京210009

研究近斷層地震動(dòng)響應(yīng)須考慮其中的豎向分量效應(yīng)。關(guān)于地震動(dòng)豎向分量效應(yīng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響，很多專家學(xué)者進(jìn)行了研究。倪永軍等［1］對(duì)近斷層和中等斷層距的研究發(fā)現(xiàn)，豎向分量效應(yīng)均大于規(guī)范中的規(guī)定，表明現(xiàn)有規(guī)范不能較好地反映實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不安全的。耿萍等［2］結(jié)合都汶高速公路龍洞子隧道工程研究了近場(chǎng)脈沖型地震作用下穿越斷層帶隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性。賴孝輝等［3］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道的圍巖位移響應(yīng)、襯砌和圍巖的加速度響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了地震作用下二次襯砌的內(nèi)力分布特點(diǎn)。周彥良等［4］基于數(shù)值模擬，研究了曲線隧道在不同地震波輸入方向下隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律。周飛飛等［5］采用非線性分析軟件對(duì)地下交通隧道的開挖段進(jìn)行了縱向地震響應(yīng)分析。王秋懿等［6］基于彈性地基梁方法和擬靜力方法，建立了一種隧道穿越斷層的縱向地震響應(yīng)的理論計(jì)算方法，對(duì)比了理論解與數(shù)值解在位移、彎矩和剪力三方面的擬合情況，并給出了理論解的適用范圍。劉子陽(yáng)等［7］綜合理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)汶川地震波作用下的棋盤石隧道跨斷層破碎帶段的地震響應(yīng)進(jìn)行分析研究。劉國(guó)慶等［8］分析了圍巖-斷層動(dòng)力接觸特征，提出了新的動(dòng)接觸算法。曲宏略等［9］從能量的角度分析了過(guò)斷層隧道破壞特點(diǎn)。Fan等［10］通過(guò)模型試驗(yàn)研究了在地震作用下活斷層滑動(dòng)時(shí)隧道的力學(xué)性能。信春雷等［11］基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)跨走滑斷層隧道相關(guān)抗減震措施進(jìn)行了研究。劉云等［12］通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)，分析跨斷層隧道的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律及震害特點(diǎn)。

以上學(xué)者對(duì)隧道結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)做了詳細(xì)的研究，但在研究中地震動(dòng)豎向分量效應(yīng)均按規(guī)范中的豎向地震動(dòng)效應(yīng)取為水平向的65%考慮，這與實(shí)際情況中的地震動(dòng)豎向分量效應(yīng)相比是偏小的。因此本文選取代表性近斷層地震動(dòng)，分析不同大小的地震動(dòng)豎向峰值加速度對(duì)過(guò)斷層地鐵隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響。

1 工程背景

1.1 基本概況

烏魯木齊市軌道交通2號(hào)線（簡(jiǎn)稱2號(hào)線）是該市軌道交通網(wǎng)骨干線，線路南起延安路，北至華山路，全長(zhǎng)19.1 km。

由于南北向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，準(zhǔn)噶爾盆地的南北兩側(cè)產(chǎn)生了一系列活動(dòng)斷層，例如九家灣斷層組、西山斷層等。這些斷層錯(cuò)動(dòng)是近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的主要地震構(gòu)造，其地震震級(jí)大都在7級(jí)左右。2號(hào)線由南向北依次與雅瑪里克斷裂、西山斷裂及九家灣斷裂相交。西山斷裂和九家灣斷裂晚第四紀(jì)晚期以來(lái)活動(dòng)較為強(qiáng)烈，未來(lái)具有發(fā)生地震地表破裂的可能。

2號(hào)線穿越九家灣和西山斷層，其安全性不僅受到活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)的影響，同時(shí)也受到地震動(dòng)的影響，如圖1所示。因此，對(duì)穿越斷層的2號(hào)線地鐵隧道進(jìn)行抗震驗(yàn)算是必要的。

圖1 2號(hào)線跨斷層示意

1.2 地質(zhì)勘查資料

九家灣斷層組由四條接近等間距的正斷層構(gòu)成的斷層帶組成，斷層長(zhǎng)度分別為4.5、3.5、3.0、7.0 km；走向均為50°左右，NW傾向，傾角78°～88°。地表多存在溝槽和陡坎，部分溝槽寬幾米甚至達(dá)10 m，深1.0～2.5 m，其內(nèi)充填土黃色亞砂土。在二宮火車站及其向西1.5 km的鐵路旁路基挖掘的陡坎上，可見斷層中更新統(tǒng)洪積礫石層，斷層破碎帶寬0.6～1.5 m，斷距為0.5 m。二宮火車站附近斷層破碎帶內(nèi)可見4個(gè)斷錯(cuò)面，北盤黃土覆蓋層厚逾3.0 m，南盤僅1.0 m。

九家灣斷層組各分支斷層開挖的多個(gè)探槽剖面揭示的斷層運(yùn)動(dòng)特性及古地震研究結(jié)果表明，九家灣斷層組各分支斷層的運(yùn)動(dòng)特性相同，均為正斷層性質(zhì)，表現(xiàn)為由南北兩條斷層組成的地塹構(gòu)造，南部斷層為主斷層。

九家灣斷層組屬于西山掀斜隆起斷塊內(nèi)部的次級(jí)斷層，是北天山最新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)沿準(zhǔn)噶爾南緣盆地堆積層中的滑脫層（侏羅系煤層）向北遷移的結(jié)果，為全新世斷層，且有多期古地震遺跡。該斷層組歷史上沒(méi)有5級(jí)以上地震的記錄，現(xiàn)今小震活動(dòng)微弱。綜上認(rèn)為，九家灣斷層組在未來(lái)有可能產(chǎn)生地震地表錯(cuò)動(dòng)。九家灣斷層產(chǎn)狀如圖2所示。本文選取九家灣斷層組與2號(hào)線相交位置為基本工況進(jìn)行研究。

圖2 九家灣斷層產(chǎn)狀

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用有限差分方法建立三維動(dòng)力計(jì)算有限元模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

模型邊界圍巖取3倍隧道跨度，模型下邊界從隧道向下取超過(guò)1倍隧道跨度，隧道埋深同樣取超過(guò)1倍隧道跨度。模型尺寸為200.0 m（長(zhǎng)）×60.0 m（寬）×60.0 m（高）。斷層帶寬度取30 m，斷層傾角65°，交角60°。圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

模型中襯砌為彈塑性模型。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，初期支護(hù)和二次襯砌的混凝土參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土相關(guān)參數(shù)

考慮到鋼筋網(wǎng)、鋼拱架及與噴射混凝土的協(xié)同作用，初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，二次襯砌采用整體式配筋。模型中采用的鋼筋參數(shù)為：屈服強(qiáng)度300 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比ν=0.3。

在有限差分軟件模擬分析中，利用體積模量K和切變模量G進(jìn)行計(jì)算。表達(dá)式分別為

2.2 邊界條件

在地震作用下，如果在人工取得的有限邊界上再設(shè)置傳統(tǒng)的靜力學(xué)邊界，地震波波動(dòng)能量在邊界上將發(fā)生反射，導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果失真。因此，在模型周圍設(shè)置合理的邊界條件模擬無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)波的吸收作用。

2號(hào)線地鐵隧道位于柔性地基之上，地鐵隧道三維計(jì)算模型邊界條件為：①模型采用自由場(chǎng)邊界和靜態(tài)邊界；②模型底部為靜態(tài)邊界，即阻尼邊界，以吸收地震波能量。自由場(chǎng)邊界是在模型的四周設(shè)置模擬無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)的三維土柱，以模擬地震波在邊界處向外傳播，減少反射。模型頂部為自由面。計(jì)算模型自由場(chǎng)邊界如圖4所示。

圖4 模型自由場(chǎng)邊界示意

2.3 監(jiān)測(cè)斷面

為了得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，合理選擇監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)尤為重要。沿隧道軸線方向，在斷層破碎帶范圍內(nèi)，等間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，因此該范圍內(nèi)共設(shè)X1—X3、S1—S3、SX0這7個(gè)斷面。在破碎帶兩側(cè)即上盤和下盤的正常帶范圍內(nèi)，各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為S4和X4。對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在隧道襯砌拱頂、拱腰、拱腳等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)斷面位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.4 豎向與水平地震加速度比值

近斷層地震動(dòng)均選自1999年臺(tái)灣Chi-Chi地震動(dòng)，選取TCU049近斷層地震動(dòng)作為輸入荷載，其時(shí)程曲線見圖6。為考慮豎向分量效應(yīng)的影響，定義變量γ表示峰值加速度豎向分量與水平向分量的比值，γ的不同取值代表不同程度的豎向地震效應(yīng)。分別取γ=0.45、0.65、0.85和1.05四種工況，根據(jù)γ值分別輸入相應(yīng)豎向地震荷載。各計(jì)算工況中在模型的水平方向施加的峰值加速度為0.3g。

圖6 TCU049近斷層地震波時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表加速度響應(yīng)

在不同峰值加速度比值γ下，上盤、下盤及破碎帶地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向峰值加速度響應(yīng)見表3。其中γ=0的工況為對(duì)比項(xiàng)，表示峰值加速度豎向分量為0的情況。

表3 不同峰值加速度比值γ下地表豎向峰值加速度響應(yīng)

由表3可知：地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向峰值加速度響應(yīng)隨著γ的增大而增大，但增大的幅度不同；對(duì)斷層破碎帶圍巖的放大效應(yīng)比對(duì)非破碎帶圍巖更大，表明圍巖較差的區(qū)域的加速度響應(yīng)相對(duì)更大；上盤地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)略微大于下盤，二者加速度響應(yīng)隨γ變化規(guī)律基本一致。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

為了準(zhǔn)確反映隧道縱向動(dòng)力響應(yīng)，以S3、X3、SX0三個(gè)斷面為例，其在γ=0.65工況下的最大主應(yīng)力時(shí)域曲線見圖7。

由圖7可知：

圖7 γ=0.65時(shí)各斷面最大主應(yīng)力時(shí)域曲線

1）在X3斷面中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力相對(duì)較低，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)部位越高，最大主應(yīng)力響應(yīng)越大。各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力隨時(shí)間增加而震蕩增大，之后保持在較高應(yīng)力水平下震蕩。

3）S3和SX0斷面最大主應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)兩次明顯脈沖段，分別在3.5～5.0 s和10.5～13 s，而在5～11 s呈震蕩形態(tài)。在11～14 s，S3和SX0斷面都呈震蕩趨勢(shì)，但差異較明顯，SX0斷面各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力在此區(qū)間寬幅震蕩，而S3斷面各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力值接近。在13～14 s，SX0斷面各節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力響應(yīng)呈分散狀，而S3斷面各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在4～5 MPa位置聚合。

位于上盤破碎帶和非破碎帶交界處的S3斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)隨峰值加速度比值的變化曲線見圖8?？芍汗绊敽妥蠊把淖畲笾鲬?yīng)力增長(zhǎng)較快，這表明豎向地震力作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的主要影響體現(xiàn)在拱頂和左拱腰處；拱腳、墻腳及仰拱的最大主應(yīng)力增長(zhǎng)變化并不明顯，甚至在γ較小時(shí)出現(xiàn)不增反減的現(xiàn)象，這說(shuō)明在拱腳、墻腳及仰拱位置的最大主應(yīng)力響應(yīng)受豎向分量效應(yīng)影響不明顯。

圖8 S3斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)變化曲線

X3斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)隨γ的變化曲線見圖9?？芍嚎傮w而言，隨著γ的增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)不同程度的增大，僅在左墻腳γ=0到γ=0.45范圍內(nèi)出現(xiàn)了較小降幅；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增幅程度不同，其中拱頂和左拱腰的增幅最大，即隧道結(jié)構(gòu)在這兩處受地震動(dòng)豎向效應(yīng)影響較大；拱頂和左拱腰處的最大主應(yīng)力始終保持最大，這表明在地震作用下拱頂和左拱腰屬于薄弱部位，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

圖9 X3斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)變化曲線

4 結(jié)論

1）隨著豎向峰值加速度與水平向峰值加速度比值的增大，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度響應(yīng)增大，但對(duì)斷層破碎帶圍巖放大效應(yīng)比對(duì)非破碎帶圍巖更大，斷層對(duì)地震動(dòng)具有放大作用，斷層附近地層加速度較大。

2）隨著豎向峰值加速度與水平向峰值加速度比值的增大，隧道襯砌的應(yīng)力響應(yīng)水平逐漸增大，但幅度略有不同，拱頂和左拱腰受到地震動(dòng)豎向效應(yīng)的影響較大，最大主應(yīng)力出現(xiàn)較大增幅，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3）在豎向地震分量比值比較小時(shí)，隨著豎向地震分量的增加，左墻腳處的最大主應(yīng)力有一定減小，之后隨豎向地震力的繼續(xù)增加，該處的豎向最大主應(yīng)力仍然會(huì)增加，只是增加幅度明顯小于拱頂和左拱腰。