盾构地铁隧道区间在地震作用下的三维动力时程响应分析

【摘 要 】地铁 已成 为 城 市 地 下 空 间 结 构 和 轨 道 交 通 网 络 的 重 要 组 成 部 分 。 为预 估 和 降 低 地 震 灾 害 的 影 响 ，以 西 安 盾 构 地铁 区间 隧 道 为 例 ，建 立 了地铁 隧 道 区 间三 维 计 算 模 型 ，进 行 三 维 抗 震 时 程 响 应 分 析 。 采 用 粘 弹 性 局 部 人 工边 界 模 拟 地 基 结 构 的 半 无 限 性 ，利 用 不 同超 越 概 率 水 平 下 的 地 震 动 参 数 作 为 参 考 ，考 虑相 位 随机 性 影 响 ，拟 舍 地 震 动 时 程 样 本 ，建 立 了地 基 与 结 构 相 互 作 用 的 三 维 有 限 元 模 型 。 计 算 结 果 表 明 ，地 震 发 生 时 ，顶 部 、底 面 、侧 面 、以 及 联 络 通 道 处 虽 产 生 变形 影 响 ，但 均 在 规 范 规 定 范 围 内 ；位 移 时 程 曲 线 、位 移 分 布 云 图 、拉 压 应 力 云 图清 楚 显 示 区 间结 构 在 地 震 持 续 时 的 抗 震 情 况 ，数 据 表 明 结 构 最 不 利 位 置 在 联 络 通 道 处 ，而 内 力和 变形 均 满足 规 范安 全要 求 。
［收 稿 日期 ］２０１６一Ｏｌ一０６；［修 订 日期 ］２０１６—０６—１２；［责 任 编 辑 ］陈伟 军 。 ［基金项 目］国家 留学基金联合培养项 目（２０１３０６５６０００５）资助。 ［第一 作 者 ］毕 冉 （１９８８年 一），女 ，博 士研 究 生 ，主要 研 究 方 向为 岩 土 工 程 。Ｅ－ｍａｉｌ：ＣＳ—ｂｉｒａｎ＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ。
裂 缝等 （谢 云 跃 等 ，２０１５；袁 广 祥 等 ，２０１５），成 为 隧 道 工程施 工 关注 的热 点 问题 。地 下空 间结 构也 越来 越 在城 市居 民生 活 中 占据举 足轻 重 的地位 。
本 文 以西安地 铁 沿线某 地 下二层 双柱 三跨 箱形 框 架结 构 区间 为例 进行 时程 地 震 反 应 分 析 ，其 中 对 地 基开 放 系统 到封 闭系统 的实 现是通 过 黏弹性 边 界 的施加 来保 证 ，且 考虑 到侧 向人 工边 界 的合理 性 ，选 取 范 围顶至 地表 面 ，低 至设 计地 震作 用基 准 面 ，水 平 向侧 壁距 离边 界至少 大 于水平 有效 宽度 三倍 。虽 然 地 下 车站 区间结 构形 式连 续 ，横 截 面构造 大致 相 同 ， 土层 沿纵 向分 布也 较 为 一 致 ，抗震 验 算 可 以化 简 为 只考 虑 只沿 着横 向计算 水 平地 震 作 用 ，抗 震 分 析 也 可 以按照 平面 应变 问题 分 析 ，但 为 了 更加 精 确 的模 拟地 铁 区间 的地震 响应 ，仍对 其进 行三 维建 模分 析 ， 边界 选取 粘弹 性局 部 人 工边 界 （Ｃｈｏｉ ｅｔ ａ１．，２００２）， 混凝 土 的本构 模型 采用 （Ｊｅｅｈｏ，１９９８）动损 伤模 型来 计算 地 震作 用对 地铁 结 构 的影 响 （刘 晶波 等 ，１９９８； 国胜兵 等 ，２００２；匡志平 等 ，２００２）。
１ 引 言
相 对 于地 上 结 构来 说 ，普 遍 的认 知 是地 下 结 构 较 为 良好 的抗震 性 能 ，虽 然 在周 围土 体 的约 束 下 存 在 一定 程度 的抗 震 优化 作 用 ，但 根据 过 往 的地 震 灾 害 历史 记 录显示 ，被 认 为 良好 的地 下 空 间结 构 在 地 震 作用 下也 会发 生 严 重 的破 坏 ，威 胁 人 的生 命 和 财 产 安全 ，像是 １９９５年在 日本 阪神 地震 作用 导致 大 规 模 地 下结 构破 坏 ，其 中地 铁 车站 的威胁 甚 大 ，支撑 结 构 坍 塌 ，车 站 沉 降 远 超 安 全 水 平 ，发 生 严 重 破 坏 （Ｈｏｒｉｂｅ，１９９５；Ｕｅｎｉｓｈｉ，２０００；Ｌｉｕ，２００６）。１９９４年 的 美 国 Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ ６．７级 地 震 ，１９９９年 台湾 的 集 集 地 震 和 土耳其 Ｋｏｃａｅｌｉ地 震 ，２００３年伊 朗 Ｂａｍ 地震 等 ， 由于距离 城市 较 近 ，对人 口相 对 密 集 的 居 民造成 了 严重 伤 害。近 年来 ，随 着市政 公路 网线 的快速发 展 ， 城市 地 面发展 的有 限空 间轨 道成 为制 约城 市 发展 的 不利 因素 ，地 铁 网络应 运 而生 ，地 震 活动诱 发 的地下 空 间结 构稳定 性 问题 ，如 引发岩 土 工程 突水 、涌水 、
［关 键 词 ］ 地 铁 区 间 地 下 空 间结 构 抗 震 三 维 计 算 地 震相 应 时 程 分 析 【中 图分 类 号 ］Ｕ２３１ 【文献 标 识 码 ］Ａ ［文 章 编号 ］０４９５—５３３１（２０１６）０４—０７１２—０６
Ｂｉ Ｒａｎ，Ｔａｎｇ Ｘｉａｏ，Ｌｉｕ Ｂａｏ－ｊｉａｎ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｓｈｉｅｌｄ—ｓｈａｐｅｄ ｓｕｂｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，２０１６，５２（４）：０７１２—０７１７．
弟 ５２ 卷 弟 ４ 期 ２０１６年 ７月
地质 与勘探 ＧＥＯＬ０ＧＹ ＡＮＤ ＥＸＰＬＯＲＡＴ１０Ｎ
Ｖｏ１．５２ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ，２０１６
盾 构 地 铁 隧 道 区 间在 地 震 作 用 下 的 三 维 动 力 时 程 响 应 分 析
路 学 院道 路 与铁 道 工程 ，陕 西 西 安 ７１００６４； ２．中 交公 路 第 一 公 路 勘 察 设 计 研 究 院道 路 与轨 道 分 院 ，陕 西 西 安 ７１００７５）