殷建國(guó)，楊司盟，上官士青

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

隧道工程作為國(guó)家生命線工程，抗震計(jì)算分析是隧道工程重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。本文以簡(jiǎn)州新城武康大道隧道結(jié)構(gòu)為例，利用反應(yīng)位移法對(duì)隧道進(jìn)行抗震分析。

1 工程概況

成都市簡(jiǎn)州新城武康大道，位于簡(jiǎn)州新城核心區(qū)內(nèi)（簡(jiǎn)陽(yáng)市養(yǎng)馬鎮(zhèn)板板橋村）,是核心區(qū)內(nèi)一條呈北西-南東走向的城市主干路。擬建隧道工程總長(zhǎng)約1.903km，主要位于擬建的武康大道（三溪路-簡(jiǎn)州大道）道路下，隧道里程為K0+395-K2+298。其中單層隧道敞開(kāi)段263m，單層隧道暗埋段1550m，雙層隧道敞開(kāi)段10m，雙層隧道暗埋段80m。

隧道敞開(kāi)段采用U 形槽結(jié)構(gòu)，暗埋段采用矩形箱涵結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)暗埋段隧道凈寬18.4m，凈高5.5m，隧道工程大部分范圍采用天然地基上的淺基礎(chǔ)方案。根據(jù)勘察資料，地道沿線分布的地層由人工填土、③1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和坡殘積粉質(zhì)粘土及基巖組成。擬對(duì)基坑底的人工填土、③1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和③3 膨脹性黏土進(jìn)行換填處理或加固處理。軟弱土層厚度≤4m 時(shí)，本工程采用級(jí)配砂礫石回填，采用分層壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.96；軟弱土層厚度＞4m 時(shí)，采用單軸攪拌樁方案進(jìn)行地基處理。單軸攪拌樁采用直徑600，攪拌樁水泥摻入量為20%（空攪部位8%），水灰比0.5。

隧道工程采用②1 層可塑性粉質(zhì)黏土、③2 層可塑性粉質(zhì)黏土、④2 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖或④3 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖作為基礎(chǔ)持力層。

2 反應(yīng)位移法的基本原理

反應(yīng)位移法將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，采用梁?jiǎn)卧M隧道結(jié)構(gòu)，考慮土層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍土體剪力。在地震作用下，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)周圍土體的最大位移，并作用于模擬土體的壓縮彈簧及剪切彈簧端部。結(jié)構(gòu)自身的慣性力，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量與地震最大加速度進(jìn)行計(jì)算，并作用于結(jié)構(gòu)單元形心處。結(jié)構(gòu)四周土層剪力，根據(jù)剪應(yīng)力互等原理，與地震作用下結(jié)構(gòu)上下表面剪力相等。

3 計(jì)算分析

3.1 簡(jiǎn)圖及荷載組合

由于隧道工程結(jié)構(gòu)斷面形式簡(jiǎn)單并處于均質(zhì)地層，覆蓋地層厚度不大于50m，復(fù)核反應(yīng)位移法采用橫斷面地震效應(yīng)計(jì)算。隧道工程計(jì)算采用二維橫斷面計(jì)算，取單位長(zhǎng)度隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，按實(shí)際尺寸取值，斷面如圖1 所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)暗埋段土層示意

根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范及地下結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范，針對(duì)施工階段和使用階段可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行多工況驗(yàn)算，包含基本組合工況、標(biāo)準(zhǔn)組合工況、準(zhǔn)永久值組合工況、基本地震工況以及罕遇地震工況共5 個(gè)荷載組合工況。分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行如下取值：基本組合工況荷載組合=1.1×1.3×永久荷載+1.1×γL×0.7×1.5×可變荷載；標(biāo)準(zhǔn)組合工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.0×可變荷載；準(zhǔn)永久值組合工況荷載組合=1.0×永久荷載+ψq×1.0×可變荷載；基本地震工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.3×地震荷載；罕遇地震工況荷載組合=1.0×永久荷載+1.0×地震荷載。其中，ψq 為準(zhǔn)永久值系數(shù)，γL 為可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)。

3.2 土層參數(shù)

側(cè)墻結(jié)構(gòu)所在土層的重度γ、內(nèi)摩擦角Φ、粘聚力C 詳見(jiàn)表1，計(jì)算模型中土層參數(shù)均采用加權(quán)平均值。

表1 土層參數(shù)表

3.3 反應(yīng)位移法荷載計(jì)算

3.3.1 靜力荷載

地震工況與基本組合使用工況一致。

3.3.2 地震荷載--土層相對(duì)位移及等效地震荷載計(jì)算

基本地震工況：重現(xiàn)周期為475 年的地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。依據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》5.1.3-2條及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明5.2.4條，地震動(dòng)峰值位移umax=0.033m。依據(jù)規(guī)范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震動(dòng)峰值位移umax=0.03m。取兩者中較大值進(jìn)行計(jì)算，umax=0.033m。場(chǎng)地覆蓋層厚度為17.5米，H=17.5m。

罕遇地震工況：重現(xiàn)周期為2475 年的地震動(dòng)峰值加速度為0.12g。依據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》5.1.3—2 條及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明5.2.4條，地震動(dòng)峰值位移umax=0.08m。依據(jù)規(guī)范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震動(dòng)峰值位移umax=0.08m。取兩者中較大值進(jìn)行計(jì)算，umax=0.08m。場(chǎng)地覆蓋層厚度為17.5 米，H=17.5m。

計(jì)算基本地震工況各彈簧支座絕對(duì)位移、相對(duì)位移及等效地震荷載，結(jié)果見(jiàn)表2，其中假定底板處相對(duì)位移為0.00m。

表2 土層相對(duì)位移及等效地震荷載結(jié)果表

3.3.3 地震荷載——隧道結(jié)構(gòu)剪力計(jì)算

采用反應(yīng)位移法計(jì)算土層位移，通過(guò)土層位移微分確定土層應(yīng)變，最終通過(guò)物理關(guān)系計(jì)算土層剪力。主體結(jié)構(gòu)頂板與覆土作用剪力由下式確定：，其中G——土體的動(dòng)剪切模量；ρ為土的質(zhì)量密度，γxz為土體的剪切波速。γxz——土層應(yīng)變；經(jīng)計(jì)算可得，隧道頂板及底板處動(dòng)剪切模量Gd=29.0MPa；

3.3.4 地震荷載——隧道結(jié)構(gòu)慣性力計(jì)算

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 基本地震工況及罕遇地震結(jié)構(gòu)變位圖

地震工況的計(jì)算結(jié)果如圖2-3 所示，并進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗(yàn)算。與基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合以及準(zhǔn)永久值組合工況計(jì)算配筋進(jìn)行對(duì)比，主要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果及承載力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3，非抗震工況下的結(jié)構(gòu)配筋滿足抗震要求。

圖3 罕遇地震結(jié)構(gòu)變位圖（cm）

表3 主要構(gòu)件的計(jì)算及承載力驗(yàn)算結(jié)果表

4.2 隧道結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

根據(jù)基本地震工況計(jì)算結(jié)果，暗埋段基本地震作用最大水平彈性位移為0.0036m，結(jié)構(gòu)層高約為6.35m；敞開(kāi)段基本地震作用最大水平彈性位移為0.003m，結(jié)構(gòu)層高約為，滿足要求。

根據(jù)罕遇地震工況計(jì)算結(jié)果，暗埋段罕遇地震作用最大水平彈性位移為0.0084m，結(jié)構(gòu)層高約為6.35m；敞開(kāi)段計(jì)算結(jié)果中罕遇地震作用最大水平彈性位移為0.005m，結(jié)構(gòu)層高約為，滿足要求。

5 結(jié)論

經(jīng)上述計(jì)算分析，在基本地震工況下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，構(gòu)件承載力及樓層內(nèi)最大的彈性層間位移滿足抗震計(jì)算要求；在罕遇地震工況下，樓層最大的彈性層間位移滿足抗震計(jì)算要求；相應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)滿足抗震要求。與非抗震工況相比，抗震工況不起控制作用，隧道結(jié)構(gòu)主要由標(biāo)準(zhǔn)組合使用工況控制。