羅馳恒

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430063)

0 引言

水下公路隧道指的是在河流、湖泊、海灣和海峽等水域底下修建的公路隧道，是克服自然障礙、與自然和諧共處的重大技術(shù)發(fā)明[1]。修建方法主要有盾構(gòu)法、沉管法、鉆爆法、圍堰明挖法，由于盾構(gòu)法自動化程度高、掘進(jìn)速度快，地層適應(yīng)性強(qiáng)，有利于環(huán)保等突出優(yōu)點，現(xiàn)階段在土質(zhì)地層修建水下隧道絕大部分采用此工法。隨著公路隧道抗震設(shè)計理念的發(fā)展和設(shè)計經(jīng)驗的豐富，相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范也日趨完善，其中于2020年3月1日開始實施《公路隧道抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG 2232—2019)[2]，反映了我國公路隧道抗震設(shè)計領(lǐng)域的最新進(jìn)展，對于減輕公路隧道震害將發(fā)揮積極的作用。該規(guī)范中針對相關(guān)的抗震計算方法，主要推薦了反應(yīng)位移法和時程分析法。

對水下盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)研究近年來主要采用數(shù)值計算方法。鄧爽[3]采用ANSYS對水下隧道在地震荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)不同材料的動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究；耿萍[4]等人對大斷面、高水頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水下隧道結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，提出了合理的抗震設(shè)計方法；劉繼國[5]等通過FLAC3D采用動力有限元法對高烈度下超大直徑水下隧道地震響應(yīng)影響因素進(jìn)行了分析，得出水下隧道埋深、管片厚度、管片剛度等因素對隧道抗震性能的不同影響；李洪煊、蔡新[6]等利用大型有限差分軟件FLAC3D 對軟土地基上的水下公路隧道進(jìn)行抗震計算，采用時程分析法，得出了隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切破壞、拉伸破壞的概率較低，隧道性能符合安全要求的結(jié)論。但是其假定作用于隧道周邊的水壓力為靜水壓力，未考慮地震時的動水壓力；陳向紅、張鴻儒等[7]利用ANSYS 大型有限元軟件，建立了基于Newmark隱式算法的水-土體-結(jié)構(gòu)模型，研究了地震發(fā)生時，動水壓力對隧道的影響。沙明元[8]等選取典型砂土液化斷面，用有限差分軟件模擬了地震作用下管片及土體地震響應(yīng)；史世波、陳必光[9]等人利用三維有限差分程序FLAC3D，對水下盾構(gòu)隧道地震液化進(jìn)行數(shù)值分析，提出來合理的地震液化判別方法；李亮，杜修力[10]等基于ABAQUS有限元軟件平臺，應(yīng)用流固耦合兩相介質(zhì)動力模型孔壓單元模擬場地飽和土體，進(jìn)行了水下飽和土體場地上隧道結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算研究；張偉[11]使用ADINA軟件，分析了水深、埋深以及土層參數(shù)對隧道關(guān)鍵點處的應(yīng)力、位移等動力響應(yīng)的影響。陳國興[12]考慮海床土體的空間不均勻性，動力非線性特性和海底盾構(gòu)隧道管環(huán)間縱向螺栓連接等因素，提出了基于子模型技術(shù)的長大隧道縱向地震反應(yīng)廣義反應(yīng)位移法，研究了不同地震動作用下隧道管環(huán)間的張開量和地震應(yīng)力分布特征。丁祖德[13]基于有效應(yīng)力動力分析法，建立廣深港客運專線獅子洋水下盾構(gòu)隧道主隧道，聯(lián)絡(luò)橫通道及地層相互作用的三維模型，采用Byrne模型描述地層的動力特性，對模型分別輸入橫向和縱向地震波，研究主隧道結(jié)構(gòu)及主隧道與聯(lián)絡(luò)橫通道交叉部位的動力響應(yīng)特征，重點分析了兩種地震波對地層孔隙水壓力以及隧道交叉結(jié)構(gòu)受力變形的不同影響。袁大軍[14]建立南京長江盾構(gòu)隧道主隧道，橫向疏散通道及地層相互作用的三維模型，采用Byrne模型模擬地層的循環(huán)液化，對模型分別輸入橫向和縱向地震波，研究結(jié)構(gòu)一般部位及主隧道-橫向疏散通道交叉接口部位的動力力學(xué)(應(yīng)力和位移)響應(yīng)特征，并分析了橫向和縱向地震波對地層孔隙水壓及有效應(yīng)力的不同影響。王少鋒[15]依托廈門地鐵2號線過海段工程，對荷載和侵蝕共同作用下的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析，提出適用于圓形盾構(gòu)隧道的性能水平量化指標(biāo)，并根據(jù)已有管片鋼筋銹蝕率計算公式，建立管片不同鋼筋銹蝕率區(qū)間與其抗震性能的對應(yīng)關(guān)系。蘭雯竣[16]基于沉管隧道和盾構(gòu)隧道兩種不同的水域隧道,分析國內(nèi)外水域長大隧道抗震研究現(xiàn)狀，闡述目前水域環(huán)境下長大隧道的分析計算方法及地震響應(yīng)分析、影響水域環(huán)境下長大隧道地震反應(yīng)的因素和水域環(huán)境下長大隧道的減震理論新進(jìn)展。朱彤[17]建立了一種精細(xì)化裝配式管片結(jié)構(gòu)計算模型，并基于砂土液化大變形統(tǒng)一本構(gòu)模型，采用彈塑性有限元動力時程分析，分析了盾構(gòu)隧道在可液化場地中的地震響應(yīng)特征及規(guī)律。溫竹茵[18]針對上海諸光路隧道結(jié)構(gòu)全預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，對內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)的上、下層車道板、縱梁、立柱等主要受力構(gòu)件與管片連接方式，通過試驗研究分析了節(jié)點的受力性能和地震時受力響應(yīng)，為在盾構(gòu)隧道內(nèi)實現(xiàn)全預(yù)制化雙層車道結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支撐?？谧旨谛滦偷拇笾睆焦范軜?gòu)隧道斷面結(jié)構(gòu)中經(jīng)常采用，其具有施工速度快、充分利用斷面空間資源等優(yōu)點?？谧旨话闱闆r下采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，與盾構(gòu)隧道施工同步進(jìn)行，其與隧道管片的連接一般采用鉸接或者剛接方式，地震荷載下，不同的口字件連接方式對隧道斷面結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)有什么影響尚未見文獻(xiàn)研究。本研究以江陰長江隧道為典型案例，采用動力時程分析有限元方法，對不同結(jié)構(gòu)形式下的地震響應(yīng)特征進(jìn)行研究，以期對類似工程的設(shè)計提供有益的參考。

1 工程概況

江陰靖江長江隧道位于江陰大橋和泰州大橋之間，分別距下游江陰大橋約5 km，距上游在建常泰過江通道約27 km，距泰州大橋約54 km。該工程所在場地水域鉆孔揭示河床表層20 m以上以可塑狀粉質(zhì)黏土為主，間夾粉細(xì)砂或粉土，工程性質(zhì)一般；以下以中密-密實狀粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂為主，局部夾粉質(zhì)黏土薄層，該砂層埋藏深、厚度大，工程性質(zhì)較好；覆蓋層底部夾圓礫土薄層，最大層厚5.5 m。

本工程過江隧道段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)內(nèi)直徑為14.2 m，外徑15.5 m，管片厚度0.65 m。工程施工時，盾構(gòu)機(jī)從江北靖江側(cè)始發(fā)向江南江陰側(cè)掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道橫斷面布置見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道橫斷面布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of cross-section of shield tunnel(unit:m)

口字件部位剖面圖見圖2?；炷敛捎肅40，中間箱涵之間采用螺栓連接，底板與管片之間存在80 mm 的空隙，在管片結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，弧形板澆注前，采用灌注M10水泥砂漿進(jìn)行密實填充。

圖2 口字件部位剖面圖(單位：mm)Fig.2 Profile of hinged joint(unit:mm)

該工程場地50 a超越概率10%的地表地震動水平向峰值加速度為0.094g，對應(yīng)的設(shè)計基本地震動加速度為0.10g，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。考慮到本項目的重要性，進(jìn)一步考慮50 a超越概率2%的地震動作用下的結(jié)果，其對應(yīng)的地震作用為Ⅶ度(0.15g)。按《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，本工程抗震設(shè)防分類為乙類，需滿足性能要求III的要求，即“大震可修”。

2 口字件計算模型及參數(shù)選取

2.1 計算方法

根據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51336—2018)與《公路隧道抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 2232-01—2019)的規(guī)定，在本研究中選用時程分析法進(jìn)行口字件部位的地震響應(yīng)特征分析。

時程分析法是根據(jù)材料及構(gòu)件的彈性(或非彈性)性能對結(jié)構(gòu)動力方程做積分求解的方法。也就是說，由初始狀態(tài)開始一步步積分直到地震作用結(jié)束，求出結(jié)構(gòu)在地震作用下從靜止到振動以致到達(dá)最終狀態(tài)的全過程。

理論上來說，時程分析法考慮了地震動的振幅、頻譜和持時3個要素，同時也考慮了地震環(huán)境和場地條件的影響，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，還可以計算能量耗損和損傷等。它通過動力分析的方法，可以準(zhǔn)確得到在時程波作用下各個時刻各個質(zhì)點的位移、速度、加速度以及各個構(gòu)件的內(nèi)力，反映地面運動的方向、特性及持續(xù)作用的影響。

3 計算對象選取及模型建立

根據(jù)規(guī)范要求，對隧道橫向進(jìn)行抗震計算，應(yīng)根據(jù)地層條件和結(jié)構(gòu)特征選取有代表性的隧道橫斷面。隧道路線縱斷面設(shè)計圖見圖3。經(jīng)比較，具有代表性的計算斷面見表1。

圖3 隧道路線縱斷面設(shè)計圖Fig.3 Design drawing of longitudinal section of tunnel route

表1 計算斷面選擇及依據(jù)Tab.1 Selection and basis of calculation section

圖4 口字件部位橫斷面示意圖Fig.4 Schematic diagram of cross-section of hinged joint position

口字件部位橫斷面見圖4。在ABAQUS中建立分析計算模型，土層采用實體單元進(jìn)行模擬，盾構(gòu)段隧道及其口字件部位采用梁單元進(jìn)行模擬。在采用時程分析法進(jìn)行計算時，一共設(shè)置2個分析步，第1個分析步進(jìn)行地應(yīng)力的平衡，第2個分析步進(jìn)行地震波的輸入。分析計算中土體-隧道模型寬度取值為400 m，高度根據(jù)所選取斷面的土層信息確定。

圖5 盾構(gòu)隧道模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of shield tunnel model

盾構(gòu)段隧道及口字件部位模型見圖5。在ABAQUS中，隧道與口字件部位連接部分的鉸接通過釋放單元節(jié)點的彎矩自由度實現(xiàn)?？谧旨课荒Ｐ蛦卧疽鈭D見圖6。

圖6 口字件部位模型單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of model unit at hinged joint position

對模型關(guān)鍵字進(jìn)行編輯，在鉸接的情況下輸入“*release 66，s2”，使口字件右側(cè)連接部位由剛接變?yōu)殂q接。

4 計算參數(shù)

隧道模型參數(shù)取值見表2。材料參數(shù)的取值來自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)。以斷面1為例，土層信息見表3。

5 地震波輸入

地震動輸入采用江蘇省地震工程研究院提供的基巖輸入時程，并同時采用江蘇省地震工程研究院《江陰第二過江通道工程設(shè)計地震動參數(shù)研究》報告中提供的土層動力參數(shù)，計算結(jié)果能夠考慮基巖上覆土層對地震波的放大效應(yīng)。在本研究中，地震動輸入沿水平方向，作用于模型底部。模型底部與隧道底板距離不小于隧道豎向高度的3倍；當(dāng)隧道埋深較深時，模型底部取至基巖面。地震波加速度時程曲線見圖7。

表2 隧道模型參數(shù)取值Tab.2 Parameters of tunnel model

表3 斷面1土層信息Tab.3 Soil layer information of Section 1

6 剛接與鉸接下地震響應(yīng)對比

圖8 斷面1剛接計算結(jié)果Fig.8 Calculation result of rigid connection at Section 1

以斷面1為例，口字件部位剛接的情況下，計算結(jié)果見圖8。由圖8可知，在剛接的情況下，口字件部位軸力最大值位于頂板的中間位置；剪力最大值位于口字件左右兩側(cè)；彎矩最大值位于口字件頂板兩側(cè)；變形最大值位于頂板左右兩端。

圖9 斷面1鉸接計算結(jié)果Fig.9 Calculation result of hinge connection at Section 1

斷面1口字件部位鉸接的情況下，計算結(jié)果見圖9。由圖9可知，在鉸接的情況下，口字件部位軸力最大值位于頂板的中間向左(非鉸接側(cè))偏移的位置；剪力最大值位于口字件左右兩側(cè)；彎矩最大值位于底板與口字件左右兩梁的連接處，同時在鉸接部位的彎矩有顯著減小；變形最大值位于底板右側(cè)?？傮w看來，與剛接的情況相比，口字件部位軸力最大值向非鉸接側(cè)偏移，彎矩與變形的最大值向底板部位偏移。其余斷面計算結(jié)果見表4。

由計算結(jié)果可以看出，除斷面1以外，其余斷面隧道口字件部位在剛接與鉸接的情況下，內(nèi)力與變形的峰值變化較小，這是由于斷面1隧道埋深較淺，隧道下土層對地震波的放大效應(yīng)更為明顯，同時這也與隧道結(jié)構(gòu)所處的地層條件有關(guān)。

對比同一斷面中口字件部位剛接與鉸接的情況可以發(fā)現(xiàn)，在鉸接的情況下，口字件部位截面的最大軸力有所減小或保持不變；當(dāng)埋深較淺時，最大剪力略有減小，當(dāng)埋深較深的情況下，口字件部位最大剪力有所增大；采用鉸接的情況下，最大彎矩均有所減小或保持不變，同時鉸接部位的彎矩有顯著減小，在采用鉸接的情況下，口字件部位最大變形有所減小或保持不變。從隧道抗震的角度來講，口字件部位采用鉸接的方式要優(yōu)于剛接。

7 結(jié)論

本研究通過盾構(gòu)段隧道口字件部位的動力計算分析，對江陰靖江長江隧道口字件部位在剛接與鉸接的地震響應(yīng)特征進(jìn)行了計算，可以得出以下結(jié)論：

(1)通過對同一斷面中口字件部位剛接與鉸接的情況下地震響應(yīng)進(jìn)行分析對比可以得知，從隧道抗震的角度講，口字件部位采用鉸接的方式要優(yōu)于剛接，這對大直徑過江隧道的抗震設(shè)計具有一定的參考意義。

(2)在鉸接的情況下，口字件部位軸力最大值向非鉸接側(cè)偏移，彎矩與變形的最大值向底板部位偏移，在隧道設(shè)計中應(yīng)對以上部位進(jìn)行關(guān)注。

表4 口字件部位計算結(jié)果Tab.4 Calculation result of hinged joint position