走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析_赵颖

收稿日期：2013-12-10 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(No. 2012BAK15B02-01)。 第一作者简介：赵颖，女，1979 年生，博士研究生，工程师，主要从事桥梁与隧道工程抗震方面的研究工作。E-mail: zhaoyinglxd@126.com 通讯作者：郭恩栋，男，1966 年生，研究员，博士生导师，主要从事生命线工程抗震方面的研究工作。E-mail: iemged@263.net
（1. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080；2. 东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040）
摘
ห้องสมุดไป่ตู้
要：为了能够较快速、较准确地估计出穿越活断层城市地铁隧道的抗震薄弱部位，基于拟静力弹塑性有限元方法，以北
通 京地铁 7 号线工程的区间隧道作为研究对象，采用数值模拟的方法研究了在走滑断层位错作用下地铁隧道的非线性反应。 过在数值计算模型中嵌入合理的损伤塑性本构模型，利用损伤指标研究了走滑断层下衬砌结构的破坏形式，重点分析了结构 损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度，并建立了能够估计结构损伤范围及破坏最严重位置的统计关系式。结果表 明，在走滑断层作用下衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内，拱腰部位的损伤最为严重；增加基岩上 覆土层厚度能够减轻衬砌结构的破坏程度， 当基岩上覆土层厚度大于等于临界覆盖土层厚度时可以不考虑走滑断层断裂对于 浅埋隧道的影响。衬砌结构损伤区域长度与震级的大小和土层厚度有关，损伤最严重的位置随土层厚度的变化而改变。研究 成果为穿越活断层地铁隧道的抗震设计和安全性评价提供了参考依据。 关 键 词：地铁隧道；走滑断层；拟静力；损伤分析 文献标识码：A 中图分类号：U 45
致结构的整体坍塌。 1906 年美国西部加州太平洋沿 岸的大城市旧金山 8.3 级地震，穿越圣安德烈斯断 层的 2 座南太平洋铁路隧道遭受严重破坏。 1971 年 美国圣佛南都 6.4 级地震， 5 座隧道出现不同程度的 震害，其中邻近 SantaSuzana 和 Sylmar 断层处的隧 道破坏最为严重，最大垂直位错量达 2.29 m，混凝 土衬砌出现裂缝、脱落等严重现象，而距离断层较 远处的 3 座隧道破坏程度较轻。2008 年汶川 8.0 级
0 0.1 0.9
本工程中隧道衬砌的外径 6 000 mm，因此，本计算 模型的宽度取 60 m。 上 整体模型结构长 400 m，宽 60 m，高 64 m， 覆土层厚 60 m，下部基岩厚 4 m，隧道顶板覆土厚
14 m，断层破碎带为一倾斜的薄弱岩体，断层破碎
式中：Es 为钢筋的弹性模量；Ec 为混凝土的弹性模 量。 当钢筋混凝土结构受到拉伸荷载时，混凝土首 先达到抗拉强度，根据强度等效假设，即假定等效 材料的强度与各种组成材料的强度在宏观外在表现 相同，可得钢筋混凝土等效材料初始屈服强度 y1 ： f （4） y1 E ct Ec 式中：fct 为混凝土抗拉强度。 当钢筋混凝土等效材料的应力超过 y1 后，结 构所受的荷载主要由钢筋承担，直到钢筋达到屈服 荷载 fs，此时，钢筋混凝土等效材料的最大屈服极 限 y2 为
y 2 Sf s
（5）
图 1 为钢筋混凝土等效材料的拉伸应力-应变 曲线。 假定界面黏结完好， 与 y1 和 y 2 对应的应变 值可分别按着上述混凝土和钢筋的初始屈服极限及 等效材料的弹性模量近似计算，分别为
y1 y2
y1
E

2
损伤塑性本构模型
沈新普等 [6] 以大型有限元软件 ABAQUS 为平
采用数值模拟计算方法，研究了穿越断层隧道在
断层错动和地震惯性力分别作用下的震害机制，研 究表明断层错动对隧道衬砌结构的影响较地震惯性 力要大。 以上的研究成果， 由于面临着一些复杂的问题， 如断层破裂机制较复杂、试验结果离散性较大、数 值模拟中的局限性等，只得出一些定性的结论，难 以用于指导工程实践和抗震设计工作。本文在前人 研究成果基础上，以北京地铁 7 号线区间隧道为背 景，采用拟静力有限元计算方法，研究了地铁隧道 在走滑断层作用下的非线性反应，通过大量计算建 立了能够较快速、较准确地估计出穿越活断层城市 地铁隧道的抗震薄弱部位的关系式，以期能为跨断 层地铁隧道的抗震设计提供参考。
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岩
土
力
学
2014 年
地震，处于 F3 和 F2 断层之间的龙溪隧道因断层错 动形成了约 1 m 左右的竖向错动变形，导致衬砌拱 部塌落。因此，针对跨越地震活断层的地铁区间隧 道等地下结构的工程抗震问题的深入研究意义重 大。 目前国内外学者对于跨断层隧道的抗震研究已 取得了一些有意义的成果。Kontogianni 等[2]通过现 场试验，研究了隧道衬砌管片环向接头部位在逆断 层和走滑断层作用下的应力-应变关系， 并总结出不 同断层倾角下管片环向接头部位应力-应变的变化 规律。 Anastasopoulos 等[3]利用所建立的非线性有限 元计算模型，研究了正断层错动下以及地震荷载作 用下深埋隧道的变形，认为在断层倾角为 45°～60° 的正断层作用下垂直位错量与土层厚度的比值不超 过 1%，地表就不会产生位错。左娟花等[4]通过砂箱 模型试验，研究了断层错动下隧道距基岩面不同距 离时位于上覆土体中隧道应变的变化规律。张维庆
第 35 卷增刊 2 2014 年 10 月
文章编号：1000－7598 (2014)增 2－0467－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 Supp.2 Oct. 2014
走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析
赵 颖 1, 2，郭恩栋 1，刘 智 1，高 霖1
形式输入[7]，在拉伸应力状态下采用分段线性损伤 演化模型， 拉伸应变值与损伤值的对应关系见表 1。
表 1 拉伸应变值与损伤值的对应关系 Table 1 Corresponding relation between tensile strain and damage
拉伸应变值 y1 y2 y3 损伤值

f ct Ec fs Es
（6）
y2
E
（7）
台，采用应变协调假设和强度等效假设，提出了钢 筋混凝土等效材料的损伤塑性本构模型，模型中的 钢筋不再单独定义，而是被等效到钢筋混凝土模型 中，通过定义拉伸强化塑性应力-应变曲线实现钢 筋的 强化 特 性 。 沈 新 普 等 [6] 提 出 的 模 型主 要对 ABAQUS 软件中给出的损伤塑性模型的拉伸强化软化阶段的特性进行了完善，该模型建立的主要思 路如下： 根据应变协调假设，即假定钢筋与混凝土粘结 完好，两者的应变（ s 为钢筋应变， c 为混凝土应 变）相等
0 y1 C
y2
B
y1 A
y2
y3

图 1 等效材料的拉伸应力-应变曲线 Fig.1 Tensile stress-strain curve of the equivalent material
增刊 2
赵
颖等：走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析
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ABAQUS 软件中规定， 损伤模型以数据系列的
Key words: metro tunnel; strike-slip fault; pseudo-static; damage analysis
1 引 言
地铁隧道是生命线工程的重要组成部分，其抗 震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重 点[1]。由于地铁工程线路走向取决于交通功能的要 求，导致越来越多的地铁区间隧道不可避免的穿越 地震断层。断层错动会对埋地管线、地铁隧道等地 下工程产生灾难性的、不可恢复的破坏，甚至会导
Damage analysis of urban metro tunnel under strike-slip fault
ZHAO Ying1, 2，GUO En-dong1，LIU Zhi1，GAO Lin1
（1. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China; 2. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China）
[5]
s c
钢筋和混凝土等效材料的名义应力为
（1）
s S c (1 S )
筋、混凝土应力。
（2）
式中：S 为钢筋所占的面积比率； s 、 c 分别为钢 由此可得弹性阶段钢筋混凝土等效材料的弹性 模量 E： E E s S E c (1 S ) （3）
Abstract: In order to estimate the seismic weak parts of a crossing-active fault urban metro tunnel more fastly and accurately, the
finite element method of pseudo-static elastoplasticity is used for numerical simulation to nonlinear reaction of metro tunnel by strike-slip fault, taking the range of Beijing metro line 7 as an study object. Based on the established reasonable damage plastic constitutive model, damage index is adopted to research the failure mode of lining structure, especially the first position, process and final degree of damage. The statistic formulas estimating structural damage region and the most severely location are developed. The results show that: the damage range of lining structure is located in active fault under the effect of strike-slip fault; the destruction is the most serious at the hance. The degree of lining destruction can reduce with the increase of the ground thickness. It does not need to worry about the effect of strike-slip fault rupture on the shallow tunnel when the soil thickness is greater than or equal to the critical value of soil thickness. The damaged range of liner is related to magnitude and soil thickness, and the location of the most serious damage changes along with soil thickness. The obtained results play an important role in seismic design and safety evaluation.