深圳地铁3号线隧道交汇段地震响应分析_李恒一.pdf

1引言近年来，我国大力发展城市地下工程，尤其是以地铁为主的城市地下快速轨道交通系统得到迅速发展。我国是一个地震多发的国家，地下结构遭到地震破坏将会带来不可恢复的损失，因此，对城市地下结构进行抗震分析至关重要。目前，针对地下结构的抗震分析方法主要包括简化解析法、模型试验法与数值模拟法3种。其中解析法1限制于较多简化条件，导致其难以应用于实际复杂结构及复杂场地的结构地震响应分析中；模型试验法2实现成本高、操作复杂且模型相似比难以掌握；数值模拟法操作相对简便，且能够模拟复杂结构与复杂场地条件，因此，受到广大科研与设计人员的欢迎。杜修力等3利用ABAQUS软件建立了大开地铁站三维有限元模型，分析了其地震破坏机理并阐述了失效模式；安军海4采用FLAC 3D进行了地铁双层交叉隧道非线性地震响应分析；虽然有关学者对城市地铁车站、隧道的地震响应特性开展了大量的研究，但地下结构形式日趋复杂，针对特定场地、特定隧道结构需进行针对性分析，且结构在交叉段易发生应力集中破坏。同时，相关文献中缺乏对有、无维护结构情况下复【基金项目】广州地铁设计研究院股份有限公司科研项目（KY-2019-074）【作者简介】李恒一（1983），男，辽宁辽阳人，高级工程师，从事轨道交通和地下工程设计与研究。深圳地铁 3 号线隧道交汇段地震响应分析Seismic Response Analysis of Tunnel Intersection of Shenzhen Metro Line 3李恒一1，刘鹏程2（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，深圳 518000；2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124）LI Heng-yi1,LIU Peng-cheng2(1.Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.Ltd.,Shenzhen 518000,China；2.The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)【摘要】地铁隧道交汇段等复杂地下结构一旦受到地震作用将会带来不可估量的损失，不同结构形式的地下结构的地震响应与破坏机理又不尽相同。对深圳地铁 3 号线明挖-盾构隧道交汇段展开了三维非线性动力时程响应分析，采用 Midas GTS 有限元软件，分析了隧道结构在设防地震、罕遇地震作用下的变形以及内力响应。研究表明，隧道结构在设防地震作用下，位于粉质黏土的盾构隧道段位移大于强风化花岗岩处的位移；隧道结构在交汇段、变截面位置处的内力明显增加，为相对薄弱的环节。【Abstract】Three dimensional nonlinear dynamic time history response analysis is carried out for the intersection of open cut shield tunnelof Shenzhen Metro Line 3.The deformation and internal force response of tunnel structure under the action of fortification earthquake andrare earthquake are analyzed by using Midas GTS finite element software.The research shows that the displacement of the shield tunnelsection in silty clay is greater than that in the intensely weathered granite under the earthquake protection of the tunnel structure;Theinternal force of the tunnel structure at the intersection section and variable section position increases obviously,which is a relatively weaklink.【关键词】地铁交汇段；地震响应；三维有限元模型；层间位移角；内力【Keywords】subway intersection section;seismic performance;time history analysis;inter-layer displacement angle;internal force【中图分类号】U231；U452.2+8【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0071-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.022MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计71Construction&DesignForProject工程建设与设计杂隧道结构地震响应分析的研究。本文以深圳地铁3号线隧道交叉段为工程背景，建立三维非线性有限元模型，采用时程法研究隧道结构的地震响应，研究其在设防地震、罕遇地震作用下的结构变形与内力响应，同时将有、无维护结构的隧道分别进行抗震计算并分析其响应差异。2工程概况该区间结构为停车场出入线，全长约170 m，采用明挖顺筑法施工，结构埋深8.59.5 m。其中停车场出入线标准段为单层双跨结构，总宽度为11.4 m，高度为7.12 m，中墙厚度为0.3 m。盾构隧道左线下穿停车场出入场线区间，其中盾构隧道管片内径为5.5 m，管片外径为6.2 m，管片厚度为350 mm，管片宽度为1.5 m，如图1所示。两条隧道交汇于车站内，如图2所示。地层特征纵剖面图如图4所示。稳定水位埋深为1.506.50 m。根据GB 509092014城市轨道交通结构抗震设计规范5，场地类别为类，场地峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期为0.35 s。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，场区特征周期为0.35 s。3三维有限元模型3.1模型与材料参数三维有限元模型如图3所示，模型的尺寸 长宽高=100 m250 m48 m，节点数191 602个，单元数214 888个。土体分成3层，采用混合单元（六面体+四面体），土体为考虑阻尼的摩尔-库伦（MC）本构模型，材料参数如表所示。土体的阻尼采用模态阻尼。隧道结构采用板单元模拟，矩形隧道顶板、底板、侧墙、隔墙均为C35混凝土材料，盾构隧道为C50混凝土材料，泊松比均为0.2，弹性模量分别为31.5 GPa、34.5 GPa，重度分别为24 kN/m3、24.5 kN/m3，混凝土采用线弹性本构。为简化分析统一将维护结构简化为壳单元，采用C35混凝土模拟。表 1土体材料参数层厚d/m土体类别动剪切模量 Gd/MPa泊松比 v重度/（kN m-3）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）0.64.440素填土粉质黏土强风化花岗岩41.60495.391 323.650.350.290.2717.922.026.5132033202530图 2隧道交汇段示意图（单位：mm）坑底标高 29.683坑底标高 27.999200 mm 垫层200 mm 垫层11 300坑底标高 26.6463 8747 2746 50070070011 放坡回填 C25 素混凝土11 放坡回填 C25 素混凝土1 6847 1202003 2377 1205 3209009002 137900200建筑限界隧道中心线线路中心线轨面线疏散平台R2 650R2 750R3 1005 5006 2003503501 0001503503 4206 200350900 930100图 1盾构隧道标准断面图723.2边界条件与地震动输入模型两侧X面施加自由场边界，Y表面限制水平运动（水平固定），底部限制竖向运动（垂直固定）。根据安评报告，选取设防、罕遇地震作用下共6条人工拟合地震动，图4中仅展示设防地震作用下的一条人工拟合地震动的时程曲线。拟定地震动施加方向为X方向（垂直隧道轴向方向），共拟定3组工况。其中每条地震动以加速度时程的方式施加，总持时40.94 s，时间间隔为0.02 s，共2 047分析步。4隧道结构变形分析提取隧道结构在地震作用下X方向位移云图。如图5所示。X方向水平位移最大值为34.75 mm，下方盾构隧道产生的位移普遍大于上方明挖隧道产生的位移，最大位移发生在右线盾构隧道的底部，最小位移发生在明挖段隧道的中段。表2、表3分别为设防地震、罕遇地震的各个工况下，隧道结构顶底板层间位移差和层间位移角。由表3可知，最大层间位移差为2.06 mm，层间位移角最大值为1/2 912，层间位移角均小于限值1/550。而罕遇地震作用下最大层间位移差为3.45 mm，层间位移角最大值为1/1 739，层间位移角均小于限值1/250。表 2顶底板位移差和层间位移角统计（设防地震）断面工况 1工况 2工况 3最大顶底板位移差/mm最大层间位移角1-12-23-34-45-51.951.791.851.822.062.041.891.761.791.971.841.971.821.932.012.041.971.851.932.061/2 9411/3 0461/3 2431/3 1091/2 912图 4地震加速度时程曲线断面 1断面 2断面 4断面 3断面 5a隧道结构模型示意图zyxb土-结构整体模型示意图隧道穿越强风化花岗岩zyxc隧道穿越强风化花岗岩示意图图 3三维有限元模型示意图MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计73Construction&DesignForProject工程建设与设计【收稿日期】2022-11-23表 3顶底板位移差和层间位移角统计（罕遇地震）断面工况 1工况 2工况 3最大顶底板位移差/mm最大层间位移角1-12-23-34-45-517.8928.419.8010.347.5218.2127.329.2110.978.0218.3729.549.6610.498.2318.3729.549.8010.978.231/3811/2971/7141/6381/851Min:0.0281134Max:0.0347497DISPLACEMENTTX,n+3.47497e-002+3.41966e-002+3.36436e-002+3.30906e-002+3.25376e-002+3.19846e-002+3.14315e-002+3.08785e-002+3.03255e-002+2.97725e-002+2.92195e-002+2.86664e-002+2.81134e-0021.7%2.2%2.5%4.2%5.4%10.5%35.8%24.5%5.4%3.8%1.9%1.9%图 5地震作用下结构位移云图5隧道结构内力分析本节提取了隧道E2地震工况下的整体弯矩、轴力、剪力响应进行分析。由于该隧道穿越不同地层（粉质黏土与强风化花岗岩），因此，本节针对粉质黏土与强风化花岗岩处的隧道内力进行分析。在穿越不均匀地层处，隧道在地震作用下顶板的弯矩、轴力出现了明显地变化，剪力未出现较明显地变化，弯矩约为720 kNm，剪力约为980 kN。隧道的轴力、弯矩随着地层突变处向两侧延伸变化较为均匀。因此，在实际工程设计中，不仅要考虑交汇段的内力集中的影响，还应考虑周围地质变化情况的影响。表4隧道弯矩统计结果可知，断面4（即隧道交汇段）处有弯矩最大值，约为646.80 kNm，再次证明了在隧道