盾构隧道纵向地震响应分析
盾构机隧道施工中的地震响应分析与设计优化
盾构机隧道施工中的地震响应分析与设计优化地震是地球上常见的自然灾害之一，对于盾构机隧道施工来说，地震的发生可能会对施工过程和结构安全造成重大影响。
因此，在盾构机隧道的设计和施工过程中，必须进行地震响应分析和设计优化，以确保施工过程的顺利进行和结构的安全可靠。
首先，地震响应分析是评估盾构机隧道在地震作用下的变形和应力反应的重要手段。
通过分析盾构机隧道的地震响应，可以确定结构的最大位移、应力和变形，从而评估结构的安全性和可靠性。
地震响应分析需要考虑地震力的来源、特征和传递路径，以及土体参数、盾构机施工和运行过程中的工况变化等因素。
通过使用专业的有限元分析软件，可以对盾构机隧道的地震响应进行准确的计算和预测，为后续的结构设计和施工提供参考。
其次，在盾构机隧道的设计优化中，需要考虑地震对结构的影响，并采取相应的措施来提高结构的地震抗力。
设计优化包括改善结构的整体稳定性、提高结构材料的抗震性能、增加结构的抗震措施等。
例如，在盾构机隧道的设计中可以采用合适的结构形式和布置方式，如增设剪力墙、加固节点等，以增强结构的整体稳定性。
同时，可以选择具有良好抗震性能的材料，如高强度混凝土、钢筋等，来提高结构的地震抗力。
此外，还可以增加附属设备和结构系统，如减震器、隔震措施等，以减少地震对结构的影响。
对于盾构机隧道施工中地震响应分析和设计优化的问题，需要进行全面的研究和分析。
具体来说，可以从以下几个方面进行深入探讨：1. 地震地质调查和地震参数确定：地震地质调查是确定地震参数的关键步骤，包括地震震源参数、地震动特征、场地响应等。
通过对盾构机隧道所在地区的地质条件和地震历史进行详细调查和分析，确定适用于盾构机隧道施工的地震参数，为地震响应分析和设计优化提供准确的数据基础。
2. 盾构机隧道的地震响应分析：通过有限元分析等方法，对盾构机隧道在地震作用下的地表运动和地下土体的反应进行模拟和计算。
分析包括地震动传递路径、地震力传递机制、结构的位移变化和应力分布等。
水下盾构隧道纵向抗震性能分析及SMA柔性减震节点研究
水下盾构隧道纵向抗震性能分析及SMA柔性减震节点研究随着城市建设的发展和地下空间的开发,大型水下盾构隧道正朝着超长、大断面、高水压和地质条件复杂的方向发展,这对盾构隧道的抗震研究提出了更高的要求和挑战。
然而,过去人们普遍认为,地下结构受周围土体约束,较难受到地震灾害的影响,导致地下结构的抗震研究严重滞后于地上结构。
盾构隧道作为地下结构的重要组成部分,其整体纵向抗震的研究相对较少,且大型盾构法隧道结构系统尚未真正经受强震作用的考验。
为保障高烈度区大型盾构法隧道的安全,探索新型有效的隧道抗震、减震措施十分有必要。
本文依托某大型水下盾构隧道工程,结合盾构隧道纵向抗震相关理论,建立能反映盾构隧道整体纵向受力特性的有限元模型,分析结构在地震作用下的动力响应;针对隧道沿纵向土层变换处,环缝接头张开量超过防水限值的情况,提出了一种“哑铃式”形状记忆合金(SMA)柔性减震节点,布置于盾构隧道管环薄弱位置,并开展一系列不同SMA材料形式的力学性能试验,探讨SMA柔性减震节点用于隧道的可行性。
具体研究内容如下:(1)归纳、总结盾构隧道纵向抗震计算常见的分析模型和分析方法,对不同分析模型和分析方法优缺点、适用条件进行对比,并给出隧道接头弹簧参数的计算方法;通过总结地震动参数确定方法和人工合成地震波相关理论,以及ANSYS/LS-DYNA的无反射边界理论,确定可以采用时域法生成谱拟合人工地震波及得到粘性人工边界,为后续隧道纵向抗震奠定理论基础。
(2)依托某大型水下盾构隧道工程,采用梁-弹簧模型理论,利用ABAQUS软件,建立盾构隧道整体纵向有限元模型;基于经典广义反应位移法及无反射边界(non-reflecting boundary)理论,利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立隧道位置处土体三维有限元模型,分析得到土体的位移时程响应,并将该位移响应通过地层弹簧赋予盾构隧道纵向梁-弹簧模型;进而对在不同地震波作用下的盾构隧道进行整体纵向地震响应分析。
水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降及接缝开裂研究的开题报告
水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降及接缝开裂研究的开题报告1. 研究背景和意义水下盾构隧道是一种常见的地下交通工程形式，可以实现城市道路与河道、湖泊等水域的连接。
在地震作用下，水下盾构隧道的结构会发生一定程度的变形和沉降，特别是纵向不均匀沉降和接缝开裂等问题，这不仅影响到隧道结构的安全稳定性，同时也会影响到交通的通畅性以及隧道的使用寿命。
因此，有必要对水下盾构隧道在地震作用下的纵向不均匀沉降及接缝开裂问题进行研究。
2. 研究目的本文旨在通过对水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降及接缝开裂问题进行研究，探讨其原因和发展规律，为该类型隧道的设计和建设提供理论依据和工程指导。
3. 研究内容和方法本研究将对水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降及接缝开裂问题进行深入研究，具体内容包括：（1）研究水下盾构隧道的设计原则和结构形式，以及纵向不均匀沉降和接缝开裂问题的基本特征。
（2）分析地震作用对水下盾构隧道纵向不均匀沉降和接缝开裂的影响因素，建立相应的计算模型。
（3）采用有限元数值模拟和实验方法，对水下盾构隧道在地震作用下的纵向不均匀沉降和接缝开裂问题进行仿真研究。
（4）根据研究结果，探讨水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降和接缝开裂问题的防治措施和技术手段，并提出相应的建议和建设标准。
4. 研究意义和预期成果通过对水下盾构隧道在地震作用下的纵向不均匀沉降和接缝开裂问题进行研究，可以深入了解该问题的原因和发展规律，提出有效的防治措施和技术手段。
同时，也可以为地下交通工程的设计和建设提供科学和可靠的依据和指导，提高隧道工程的安全性和经济性。
本研究的预期成果包括：建立水下盾构隧道在地震作用下纵向不均匀沉降和接缝开裂的计算模型；通过有限元数值模拟和实验，对隧道结构在地震作用下的变形和沉降进行仿真研究，并深入探究相关机理；结合研究成果，提出相应的防治措施和技术手段，并形成相应的建设标准和规范。
盾构隧道纵向地震响应分析
摘要:为了探讨盾构隧道地纵向地震响应特性,采用地层隧道整体三维有限元模型,对武汉长江越江盾构隧道地地震响应进行了分析,主要研究了合理地盾构隧道力学模型、隧道与地层之间地相互作用以及隧道地振动特性.通过隧道与地层地整体分析,得到了盾构隧道位移和应力地分布及其随时间地变化曲线.计算结果表明:压缩波引起地纵向拉、压应力和剪切波引起地扭曲变形是隧道抗震设计地关键.关键词:盾构隧道;三维有限元法;地震响应分析目前常采用反应位移法和时程响应法进行隧道纵向抗震设计.反应位移法认为地震时地下结构对地层地反应具有追随性,结构地加速度和位移都随地层地响应而反应,结构产生地附加地震应力和应变是由于地层位移差产生地.该方法概念明确,计算简便,在均匀地层中得到较好应用[].用时程响应法计算地下结构地地震响应时,将结构和土层作为一个整体,考虑结构与土层地相互作用,建立整个系统地运动微分方程,通过直接输入地震加速度时程曲线,求得各时刻结构地加速度、速度、位移和应力.此方法能较好地反映动力响应地全过程,并且能比较直观地估计结构地变形和识别结构地薄弱环节,在沉管隧道等结构中得到了较好地应用[].资料个人收集整理，勿做商业用途近年来,随着盾构隧道地大量修建,其抗震性能受到极大关注,但目前这方面地研究成果较少,特别是对盾构隧道纵向抗震性能地研究更薄弱.原因在于:()盾构隧道由管片通过环向螺栓连接成环后,再用纵向螺栓把各环通过通缝或错缝拼装而成,环间接头具有相对柔性,使得盾构隧道地纵向刚度不一致,如何考虑盾构隧道纵向接头对抗震性能地影响较困难.()隧道结构长度和计算边界地处理较困难.计算隧道纵向地震响应时,边界长度地确定既要能体现隧道线状结构地纵向特性,考虑计算能力地可行性,还要设法消除人工边界导致地地震波反射作用.目前在盾构隧道纵向地震响应分析中,或将带有接头地隧道用等效质量弹簧模型模拟[],或按地震波沿隧道纵向呈正弦分布简化计算[],这种方式都与实际情况不完全相符.本文中采用三维瞬态动力学分析方法,对武汉长江越江盾构隧道进行了纵向抗震分析,对隧道纵向刚度和边界条件作了适当处理,采用超越概率为地人工地震波,运用行波理论计算了种不同工况下盾构隧道地纵向地震响应.资料个人收集整理，勿做商业用途计算模型武汉长江盾构隧道内径,外径,幅宽,隧道以九等分管片错缝;拼装.该隧道纵向地震响应整体分析模型见图,计算范围在轴方向即长、宽、高分别为和.模型按隧道地实际地层情况建立,底部为泥质粉砂岩,自下而上分别为厚地粉细砂岩、中粗砂岩和粉细砂岩,其物理力学参数见表.盾构隧道用梁单元模拟,地层边界用弹簧和阻尼器并联而成地弹簧阻尼单元模拟,这样可以有效消除边界能量,较好地反映边界上波地透射,避免由于固定约束引起地能量全反射纵向刚度地等效处理资料个人收集整理，勿做商业用途前已述及,把盾构隧道简化成刚度沿纵向不变地连续梁时,必须考虑环间纵向接头地影响.根据等效变形地原则,可以求得盾构隧道分别在拉(压)、剪切和弯矩作用下地刚度折减系数[].以纵向拉(压)为例,把环长度为地管片等效为环长度为地管片地等效轴向拉(压)刚度模型见图.资料个人收集整理，勿做商业用途设在轴力作用下,轴向实际伸长则根据,可以计算出轴向刚度折减系数式中为盾构隧道管片地幅宽为管片环地轴向拉(压)刚度为隧道纵向接头轴向拉(压)弹簧地弹性系数.资料个人收集整理，勿做商业用途同理,可以分别求得盾构隧道纵向等效剪切刚度折减系数η和纵向等效弯曲刚度折减系数η:式中为管片环地剪切刚度为隧道纵向接头剪切弹簧地弹性系数为管片环地弯曲刚度为隧道纵向接头弯曲弹簧地弹性系数.资料个人收集整理，勿做商业用途计算中,纵向共环,等效成环进行刚度等效处理地震波输入方式为了解地层地振动特性,首先根据成层重复反射理论,用一维土柱模型分析该盾构隧道场地地层地动力响应.选取隧道处地实际地层进行分析,基岩为泥质粉砂岩,采用弹性本构关系.表层地层则采用与应变相关地材料特性(动剪切弹性模量和阻尼比)表征其非线性特性.按照输入场地地质条件合成地人工地震波(一遇概率水准为地前),加速度峰值为,如图.从基底进行单向激励,计算出地层地地震响应,包括加速度、速度、位移和层间剪应力响应.根据场地地层地地震响应分析结果,各地层地加速度、位移和剪应力响应最大值都发生在大约间以后呈较强地衰减趋势[].资料个人收集整理，勿做商业用途地震波在地壳中传播时,地层介质地阻尼和粘滞作用会使其衰减和被过滤,同时,地层具有一定地柔性和变形能力,因此,地震波地速度、强度和频率特性都受地层介质物理性质地控制.地震波在地层介质中按一定方向、以一定速度传播,使地层中地结构依次受到激振,各点之间由于波到达地时间不同和具有一定地相位差,使结构处于异步运动状态,这种现象对隧道———线状结构地影响尤为明显.当结构尺寸接近或大于地震波地波长时,结构内部在不均匀振动下容易发生激烈地内部碰撞,产生较大地接触应力,可能使结构在薄弱部位破坏,因此采用自由场行波输入更合理.若把第个节点地时滞数记为,则式中为第个输入点到第个输入点地水平距离为行波视速度;Δ为时间步长表示取整.资料个人收集整理，勿做商业用途根据式(),设波阵面到达第个输入点地时刻为,到达第个输入点地时刻为Δ,则可通过输入运动矩阵分别输入,…时地行波(为输入点总数).资料个人收集整理，勿做商业用途计算采用β法瞬态多载荷文件循环求解方式,由于场地地层地震响应地最大值大约都发生在间以后呈较强地衰减趋势,故取人工地震波地前作为行波输入.考察了沿结构纵向传播地剪切波作用(工况)、沿结构纵向传播地压缩波作用(工况)以及与结构纵向成;方向传播地剪切压缩波作用(工况)下结构和地层地地震响应.资料个人收集整理，勿做商业用途隧道地震响应计算种工况下地地震响应,可以分别输出不同时刻土体变形、隧道变形、隧道轴力、剪力、弯矩、隧道主应力及相应地时程图[].限于篇幅,这里仅给出时地变形、内力和应力.资料个人收集整理，勿做商业用途横向剪切波激振响应由图可见,在剪切波作用下,土体沿盾构隧道纵向地变形呈现出明显地行波效应时,波只行进了,沿隧道纵向尚有部分土体未发生变形时,计算范围内地土体都开始产生变形和时,整个计算范围内地土体都产生明显变形,主要表现为水平面内产生与轴大致垂直地相对错动,最大变形值约,发生在.另外,盾构隧道在竖向隆起或沉降,不过变形值非常小.当隧道完全遭遇横断面方向地剪切波作用时,轴力很小,主要是水平方向地剪力时水平剪力最大(如图).正是由于,引起了以轴为中性轴地弯矩,使隧道在水平面内发生扭动方向剪力很小,引起地以轴为中性轴地弯矩也很小,所以隧道地隆起和沉降值很小.资料个人收集整理，勿做商业用途由图可知,隧道地最大、最小主应力分别为和,均发生在素混凝土地轴心抗拉、抗压强度分别为和,隧道最大拉应力接近混凝土抗拉强度,结构在横向剪切波作用下地抗拉强度值得重视.从截面内力地时程曲线可见,距来波距离最远地节点最后响应,这也显示了行波效应.除和外,其余截面内力都很小,且和地频率接近,对应节点地相对大小关系相同,原因是是与相应距离地乘积.资料个人收集整理，勿做商业用途纵向压缩波激振响应[]在纵向压缩行波作用下:()土体地变形主要表现为竖向地隆起和沉降,最大变形值达.此外,沿隧道纵向也产生较大地压缩变形,最大值为.()轴力沿隧道纵向呈拉压交替出现,最大拉力为,最大压力为.竖向最大正、负剪力分别为和,比轴力小,但比横向剪切波激振时大.由产生地弯矩较大,最大、最小值分别为和.()隧道地最大拉应力为,最大压应力为,表明隧道在纵向压缩波作用下可能产生拉伸破坏.资料个人收集整理，勿做商业用途沿;方向传播地剪切压缩波激振响应[]在沿;方向传播地剪切压缩波作用下:()隧道变形表现为水平面内地扭曲、竖向隆起和测沉降,水平面内最大变形达,竖向最大变形为.()隧道轴向最大拉力为,最大压力为,较纵向压缩波作用时小.剪力地最大值为,由此产生地弯矩地最大、最小值分别为和.剪力地最大值为,相应地弯矩地最大、最小值分别是和.()隧道地最大主应力为,最小主应力为.()轴向压力大于水平剪力,水平剪力大于竖向剪力.资料个人收集整理，勿做商业用途结论和建议基于上述研究,可以得到以下认识:()横向剪切波激振引起地隧道变形和截面剪力主要产生在剪切波地激振方向,激振方向剪力引起地弯矩也较大;横向剪切波引起地隧道沉降和隆起很小,可忽略;隧道产生地最大应力基本在材料强度地允许范围内.资料个人收集整理，勿做商业用途()纵向压缩波激振导致地变形以隧道轴向地拉压变形为主,竖向沉降和隆起也值得重视,水平面内地扭曲很小.主要是因为水平面有周边地层地约束,隧道上面虽有土层,但为自由表面,较水平面容易产生变形.纵向压缩波作用下轴力较大,轴向最大拉应力可能造成结构纵向拉伸破坏,建议增大环间纵向接头地柔性.此外,竖向剪力及其引起地弯矩亦不可忽视.()沿;方向传播地剪切压缩波激振引起地隧道响应介于横向剪切波和纵向压缩波激振产生地响资料个人收集整理，勿做商业用途应之间,不是最不利地情况.()从控制应力地角度,应重视纵向压缩波作用下隧道地纵向拉伸和压缩应力;从控制隧道变形、维护隧道正常运行地角度,应关注横向剪切波引起地隧道扭曲和错动变形.()建议今后对竖向、斜向传播地行波效应进行研究,以全面考察隧道地动力响应,同时进行近距离并行隧道地震地响应分析.参考文献:[]川岛一彦.地下构筑物の耐震设计[].日本:鹿岛出版会.[]日本土木工程师学会地震工程委员会.日本沉管隧道抗震设计特点[].世界隧道().资料个人收集整理，勿做商业用途[]韩大建,周阿兴,黄炎生.珠江水下沉管隧道地抗震分析与设计(Ⅰ)[].华南理工大学学报().资料个人收集整理，勿做商业用途(Ⅰ)[]().资料个人收集整理，勿做商业用途[]严松宏,高峰,李德武,等.南京长江沉管隧道地地震安全性评价[].岩石力学与工程学报(增).资料个人收集整理，勿做商业用途[]().资料个人收集整理，勿做商业用途[]刘学山.盾构隧道纵向抗震分析研究[].地下空间().[]().资料个人收集整理，勿做商业用途[]国家技术监督局,中华人民共和国建设部.核电厂抗震设计规范[].北京:中国计划出版社.资料个人收集整理，勿做商业用途[][]∥资料个人收集整理，勿做商业用途.资料个人收集整理，勿做商业用途[]西南交通大学.盾构隧道地震响应分析与抗震措施研究[].武汉长江隧道关键技术研究项目专题可行性研究报告.资料个人收集整理，勿做商业用途。
盾构隧道地震系数法的抗震分析
侧压力增量 ：
ｅ ＝γ ｈ ′） Δ λ－λ ｉ（ ２ ／ ） ′ ＝ｔ ａ ｎ（ ４ ５ °－ ｃ ２ λ — —Ｄ 隧道跨度 ， 式中 Ｂ— ｍ； ３ — —Ｄ 围岩重度 ， ／ ； ｋ Ｎ ｍ γ—
— —Ｄ 洞顶地面高度 ， Ｈ ｖ— ｍ； — —Ｄ 地震角 ， ； ° θ— — —Ｄ 地震力作用下侧压力系数 ； λ— ） ； ｃ－－Ｄ 围岩计算摩擦角 （ ° — — 无地震力作用下侧压力系数 ′— λ
土层物理参数
０ ． １ ． ２ ． ４ ０ ０ １ ． ５ ° ３ ° ６ °
表 ２ 土层名称 素填土 粘土 粉土 细沙 埋深／ ｍ ４ ． ０ ４ ． ９ ８ ． ２ １ ２ ． ３ 弹性模量／ＭＰ ａ ３ ． ５ ０ ４ ． ２ １ ４ ． １ ９ １ ５ ． ４ ５
１ ９ ６ ． １ １ ７ ８ ６ ． ９ ０ ２ ９ ６ ． ２ ５ ８ ３ ６ １ ９ ３ ． ５ ２ ３ ３ ８ ． ６ ５ ２ ７ ９ ． ０ ５ ２ ２ ３ １ ０ １ ０ １ １ ６ ６ ． ８ ４ ４ ８ ４ ． ５ １ １
２ ５ ５ ． １ １ ６ ８ ８ ． ８ ９ ６ ５ ４ ． ８ １ ６ ３ ６
图 ８ 地震烈度为 ８ 时， 不同埋深时衬砌各点弯矩值比较 °
２ ０ １ ２ 年第 ２ 期
表 ４ 内力
曹久林 ， 应础斌 ， 张征亮 ： 盾构隧道地震系数法的抗震分析
地震烈度 ８ 度的地震荷载作用下不同埋深时衬砌的最大内力 埋深 ９ｍ 最大正弯矩 （ ｋ Ｎ·ｍ） 最大负弯矩 （ ｋ Ｎ·ｍ） 最大轴力 （ ｋ Ｎ） 最大剪力 （ ｋ Ｎ） ３ ６ ４ ． ４ ４ ０ １ ８ ０ ． ２ ４ ９ ５ ５ １ ． １ ４ ２ ３ １ ６ ． ３ ６ ９ １ ０ ． ８ｍ ４ ２ ８ ． ２ ２ ８ ２ １ ０ ． ０ ８ ３ ６ ３ ０ ． ７ ０ ２ ３ ７ ０ ． ７ ９ ８ １ ６ ． ２ｍ ５ ８ ６ ． ３ ２ ０ ２ ８ ２ ． ２ ５ ９ ８ ５ １ ． ７ ５ ０ ５ ０ ２ ． １ ４ ０ 顶点偏右 ４ ５ ° 右边缘 右下角 顶点偏右 ４ ５ ° 位置
盾构隧道施工中的地震安全性评估与响应措施
盾构隧道施工中的地震安全性评估与响应措施随着城市化进程的加快，地下空间的建设需求不断增加。
盾构法是一种常用的地下隧道施工方法，它在城市交通和地下工程中得到广泛应用。
然而，地震是一种常见的自然灾害，对盾构隧道施工和使用过程中的安全性提出了挑战。
因此，对于盾构隧道施工中的地震安全性进行评估，并制定相应的响应措施是至关重要的。
首先，盾构隧道施工中的地震安全性评估是确保工程和使用安全的重要步骤。
评估首先需要获得地震活动的相关数据，包括地震发生的频率、震级和震中距离等信息。
同时，还需考虑盾构隧道施工工艺和材料的特点，如隧道的深度、盾构机的设备性能等。
然后，基于这些数据和特点，结合地震的力学原理和工程经验，对盾构隧道施工过程中可能受到的地震力进行分析和评估。
评估结果应用于工程设计和施工过程中，从而制定出合理的安全措施和应对方案。
其次，盾构隧道施工中的地震响应措施应根据评估结果而定。
针对地震可能造成的各种风险和潜在问题，需要采取相应的措施进行防范和应对。
首先是在设计阶段应充分考虑地震的作用，采取合适的设计方法和技术，确保隧道结构和其他设施在地震发生时具备足够的抗震能力。
在施工过程中，应加强盾构机的监测和控制，确保其在地震发生时能够及时停止，并采取必要的应急措施。
此外，对盾构隧道施工现场周边的地质环境进行全面的调查和分析，并制定相应的工程控制措施，如加固地基、减少地震波对周围环境的影响等。
此外，为了提高盾构隧道地震安全性，还可以采用一些先进的技术手段。
例如，可以在盾构隧道结构中加入防震装置，提高隧道的抗震性能。
同时，可以利用智能监测系统对盾构隧道的地震响应进行实时监测和分析，以便及时发现并采取措施应对地震影响。
此外，还可以开展地震模拟试验和数值模拟，研究盾构隧道在不同地震条件下的响应特点和动力性能。
通过这些方法和手段的应用，可以进一步提高盾构隧道施工中的地震安全性。
总之，盾构隧道施工中的地震安全性评估和响应措施是确保隧道工程和使用安全的重要环节。
盾构隧道的纵向抗震分析研究
文章编号:10012831X(2003)022*******盾构隧道的纵向抗震分析研究Ξ刘学山(广州市建设科学技术委员会办公室,广东广州 510030)摘 要:将盾构隧道简化为一维的杆系,其周围的土体看作是粘弹性材料,将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题,利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法,对盾构隧道进行纵向抗震分析。
同时,根据盾构隧道接头的特点,用接头单元来模拟管片的纵向接头,并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。
最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究。
关键词:盾构隧道;粘弹性地基;接头;抗震中图分类号:U45212+8 文献标识码:A1 前言目前,在隧道纵向抗震分析中,工程中常用的方法有:(一)震度法[1,2,3,4],它是将地震对结构物的影响看作结构部件产生的惯性力,并将惯性力作为外力施加在结构上,以静力计算法求得其内力、位移等响应值或判断其安全性;(二)响应位移法[5,6,7],该方法认为地震时,结构的加速度及变形都与周围地层的响应相同,结构与地层作为一个整体一起运动,结构产生动应力和动应变是因为在不同深度、位置处的地层处,产生了不同的运动与位移,使结构物在相应深度处被迫产生不同运动,承受由强制变形产生的应力与应变;(三)动力反应分析法,在纵向分析中用得较多的是质量弹簧模型法[8,9,10],它的基本内容为,假定基岩上的表面地层作剪切振动,表面地层被分成多个垂直于隧道轴线的条带,每个条带用等效质量2弹簧系统(一个质量、一个弹簧和一个把质量与基岩相连的减振器组成)代表,相邻的两个质量用弹簧和减振器连接,形成一个体系,建立体系的运动方程后,求解出每个质量处的位移,然后按弹性地基梁理论计算隧道的位移和内力。
在上面介绍的三种方法中,第一种方法沿用了传统的结构抗震分析方法,并不能反映出地下结构本身的反应特点,第二、第三种方法是针对地下结构本身固有的地震反应特点而发展起来的,它们考虑了结构与土层的相互作用,但是最终对结构本身反应的计算仍然是利用静力的弹性地基梁理论,也就没法考虑相互作用过程中的土的粘性阻尼的影响。
隧道结构的地震响应分析与抗震设计
隧道结构的地震响应分析与抗震设计地震是一种自然灾害，其对隧道结构的影响可能导致灾害性破坏。
因此，在隧道设计中，进行地震响应分析和抗震设计是非常重要的环节。
本文将从地震响应分析和抗震设计两个方面进行探讨。
地震响应分析地震响应分析是通过建立模型，模拟地震作用下隧道结构的响应，从而评估其受力和变形情况。
地震响应分析可分为静力分析和动力分析两种方法。
静力分析是指在地震作用下，假定地震为静力作用，即当地震波通过隧道区域时，结构处于静态平衡状态。
通过对地震波的荷载进行计算，可以确定隧道结构在地震作用下的受力情况。
动力分析是指在地震作用下，考虑结构的动态特性和地震波的动态响应。
动力分析通常分为模态分析和时程分析两种方法。
模态分析通过计算结构的固有频率和振型，得到结构的模态响应，进而评估结构的地震响应。
时程分析则考虑地震波的时程特性，通过求解结构的运动方程，得到结构在时间上的响应。
这两种方法在不同的情况下可互相补充使用，以提高地震响应分析的准确性。
抗震设计抗震设计是指在地震响应分析的基础上，根据结构的受力和变形情况，设计合适的结构措施来提高隧道结构的抗震能力。
首先，合理的结构布置是抗震设计的基础。
隧道结构应采取合理的线形和断面形式，以提高结构的整体稳定性。
另外，隧道结构的承载能力应能适应地震荷载的作用。
其次，对于刚性结构，应采用合适的支撑措施来提高结构的刚度。
例如，可以在隧道内设置横向支撑墙或拉杆等。
对于柔性结构，应采用适当的偏心支撑措施，以提高结构的耗能能力。
此外，隧道结构的材料选择和施工工艺也对抗震能力有着重要影响。
应选用具有较好抗震性能的材料，如高强度混凝土和钢材。
在施工过程中，应严格按照设计要求进行施工，确保结构的质量。
最后，结构的监测和维修也是抗震设计的重要环节。
通过定期监测结构的变形和破坏情况，及时采取维修措施，提高结构的抗震能力和使用寿命。
总结综上所述，地震响应分析和抗震设计对隧道结构的安全性和稳定性具有重要意义。
盾构隧道纵向地震响应分析方法及其现状
盾构隧道纵向地震响应分析方法及其现状摘要：纵向地震响应分析是盾构隧道抗震分析的重要研究内容和方向，国内外学者在此领域提出了多种计算方法。
文中论述了盾构隧道纵向地震响应特性，介绍了盾构隧道纵向地震响应分析基本原理和常见方法，并对各方法的优缺点进行了简要评述，指出了待改进的问题。
关键词盾构隧道纵向地震响应分析方法The Status Quo and Analysis Methodof Longitudinal Seismic Response of Shield TunnelChen Nianlong(Dept. of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)Abstract: Longitudinal seismic response analysis had been an important field in anti-seismic research of shield tunnel. At present, a variety of simplified calculation methods for longitudinal seismic analysis were advanced by scholars both at home and abroad. In this paper, the characteristics of longitudinal seismic response of shield tunnels were discussed, and the basic principle and the common methods were introduced.Advantages and disadvantages of these methods were also pointed out. And the details which should be improved were indicated.Key words: shield tunnel longitudinal seismic response analysis method引言在人类可持续发展中，城市的可持续发展居于关键地位，城市地下空间的开发利用是实施中国城市可持续化发展的必然选择和重要途径[1]。
隧道结构地震响应与抗震设计
隧道结构地震响应与抗震设计隧道结构地震响应与抗震设计一直是建筑工程领域的重要课题。
地震是一种极具破坏性的自然灾害，对隧道结构的安全性和稳定性提出了极高的要求。
本文将从隧道结构地震响应机理、地震影响因素以及抗震设计措施三个方面，探讨隧道结构地震响应与抗震设计的相关问题。
一、隧道结构地震响应机理隧道结构地震响应是指在地震作用下，隧道结构所具有的动力特性和变形行为。
地震引起的地面振动会导致隧道结构产生共振现象，从而加剧隧道结构的振动。
影响隧道结构地震响应的因素主要包括地震波的频率、振幅、入射方向等，以及隧道结构自身的固有频率、自振周期和模态形态等。
了解隧道结构的地震响应机理，对于制定合理的抗震设计方案具有重要的指导意义。
二、地震影响因素1.地震波特性：地震波的震级、频率、振动形态等特征直接决定了地震对隧道结构的影响程度。
通常，短周期地震波对隧道结构的破坏作用更为显著，而地震波的振幅越大，结构的地震响应亦越强烈。
2.地表地质条件：地下岩土的地质条件对地震波的传播和衰减具有重要影响。
地表地质条件良好的区域，地震波的能量传递较为迅速，对隧道结构的影响较小；而地质条件复杂的区域，地震波的传播路径变化较大，对隧道结构的破坏性较高。
3.隧道结构的几何形状和材料特性：隧道结构的几何形状和材料特性对地震响应有直接影响。
结构的刚度、自振周期以及抗震能力都与结构的几何形状和材料特性密切相关。
三、抗震设计措施为了提高隧道结构的抗震能力，采取合理的抗震设计措施是必要的。
1.合理选取地点：在地震危险性较高的地区，尽可能选择地震危险性较低的地点建设隧道，以降低地震对结构的影响。
2.合理设计结构：根据隧道结构的地质条件和地震波特性，合理设计结构的几何形状、截面尺寸和材料选择，提高结构的刚度和强度。
3.加强支护措施：采用适当的支护措施，如预应力锚杆、衬砌加固等，提高结构的整体稳定性和抗震能力。
4.考虑隧道与地面的相互作用：在隧道设计中，要考虑隧道与地面的相互作用，合理确定地震波的入射方向和入射角度，确保结构的工作性能和安全性。
地铁盾构隧道结构地震响应数值分析_李钊
摘要近年来，国内外几次强烈的地震，对地下结构造成不同程度的影响。
包括地铁盾构隧道在内的地下结构抗震性能问题，已引起人们的普遍关注。
随着对世界各地积累的大量震害资料分析工作的不断深入，人们也逐渐认识到：使用传统的静力和拟静力方法，分析地下结构的抗震问题具有较大的局限性；相比而言，使用计算机进行辅助计算和分析的动力有限元方法，对地下结构进行地震反应分析显示出了明显的技术优势。
本文以广东地区的地层条件为依托，利用通用商业有限元软件ADINA，对地铁盾构隧道结构的横向与纵向的地震响应问题，进行系统地分析和研究，具体包括：盾构隧道结构参数、地震波强度参数、激振形式参数、衬砌强度参数以及地层条件参数等因素，对地铁盾构隧道结构的地震响应产生的影响，以期为工程抗震设计提供参考和依据。
本文的主要工作概括如下：(1) 在前人工作的基础上，着重对地下结构物的地震响应特征、抗震分析方法两方面的专业文献，进行了较系统的归纳与分析，指出了本文研究工作的意义所在。
(2) 从土的动力本构、地层的动力响应、土和结构的动力相互作用和Newmark-β求解方法等关键内容入手，对土-结构动力分析有限元的理论及其实现方法，进行了阐述和分析，为本文地铁盾构隧道结构地震响应的数值分析奠定了基础。
(3) 系统地介绍了结构动力有限元分析的粘弹性人工边界的实质及其实现方式。
(4) 以位于单一地层盾构隧道与位于复合地层盾构隧道的赋存条件不同为主要影响因素，通过对盾构隧道横向地震双向激励进行动力有限元对比分析，得出了盾构隧道结构的水平向与竖向位移，都没有随地震波加速度衰减变弱，而是继续保持有一定周期的较稳定的震动模态；在双向地震波激励作用下，一个地震波作用持时内，盾构隧道结构的竖向振动频率高于水平向振动频率；位于单一土层隧道主体结构的振动频率和最大位移差都低于隧道主体结构位于复合土层。
(5) 建立了盾构隧道与周围土层的三维有限元模型，分析不同条件下盾构隧道的地震响应，得出了在整体上，隧道地震响应位移普遍在2-3cm以下，相比较于地上结构，地下结构在地震作用下的变形相对较小；在软弱地层、或地层条件变化、或赋层复杂的情况下，隧道衬砌结构可能产生异常的动应力集中，不同力学性能地层分界面上的应力计算结果比单一土层中的计算结构提高了10%~13%。
基于反应位移法的盾构及开挖隧道纵向地震反应分析
基于反应位移法的盾构及开挖隧道纵向地震反应分析随着社会的发展和城市人口的增加,城市地上交通逐渐不堪重负,交通拥挤成为各大城市的通病,人们逐渐意识到发展地下交通工程在城市建设中的重要性,而我国大部分地区处于地震高发区,确保地下交通工程的抗震安全性具有重要的社会和经济意义。
本文以日本东京某地下隧道工程为背景,基于反应位移法对该隧道进行纵向地震反应分析,主要工作如下:(1)以某地下交通隧道A号线的结构设计方案为例,采用TDAPⅢ非线性结构动力分析软件,基于反应位移法对隧道结构进行建模。
隧道开挖段以梁单元模拟隧道结构,以连接弹簧模拟分段结构箱体之间的钢筋连接,盾构段以梁单元模拟管片主体,以连接弹簧模拟接头螺栓,用土-结构共同作用弹簧模拟土与结构的相互作用,建立隧道有限元模型,经有限元分析可得到隧道结构一系列的地震反应。
(2)通过对隧道结构地震反应结果进行分析,包括开挖段隧道箱体的内力及箱体之间的变形反应,盾构段隧道结构的内力及接头螺栓之间的变形反应等,了解隧道结构在地震作用下的受力特点,并依据相关抗震规范对所研究隧道结构的抗震安全性作出评价。
最后,针对结构抗震薄弱部位考虑采取适当的优化设计方案。
通过本文研究,主要得到以下结论:结合反应位移法理论及有限元建模方法对隧道结构进行动力时程响应分析在隧道抗震设计中具有很好的实用性;开挖隧道结构的整体性与抗震性能是相矛盾的,将结构分段,段与段之间选用适当的连接方式能有效提高结构的抗震性能;不同线路隧道结合部位由于连接结构箱体大小不一样,使得结构中轴线有突变,轴向受偏心力而有附加弯矩产生,容易引起结构破坏;盾构隧道与竖井连接处,由于结构刚度的变化,容易集中受到地震作用的影响,发生局部内力或变形超限的现象;隧道埋深越大,结构的受力和变形逐渐减小;另外在地质特性突然变化处结构也容易发生损害。
复杂软土盾构隧道纵向抗震分析
１/０．
８５
或 ０．
８５/１)位移幅值的组合,求解了 ４ 种工况下盾构隧道的内力和接头张开量.通过对结果进行比
较分析,得出一些对抗震设计具有参考价值的结论.
关键词:盾构隧道;纵向抗震分析;反应位移法;粘弹性边界;土体等效线性;地震动耦联效应
ABAQUS 三维梁单 元.梁 单 元 截 面 依 据 实 际 隧 道
直径取 ６．
２５ m,壁厚为 ０．
３５ m.
另外,«城市 轨 道 交 通 结 构 抗 震 设 计 规 范»[５]规
开,通过 ６ 个方向的环间弹簧连接.土Ｇ结构相互作
道结构纵向和横向水平方向地震动的结构反应进行
１．
２ 材料本构确定
地 震 工 程 学 报
第 ４３ 卷 第 ３ 期
CHINA EARTHQUAKEENGINEERINGJOURNAL
２０２１ 年 ５ 月
３
Vo
l．
４３ No．
May,２０２１
地震工 程 学 报,
郭正阳,刘瑜,梁建文,等 ．
复杂软土盾构隧道纵向抗震分析[
２０２１,
４３(
３):
６８７
Ｇ
６９２．
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i:
由此,本文利用 ABAQUS 有 限 元 软 件,结 合 天
津 Z２ 线盾构 隧 道 工 程,建 立 三 维 梁Ｇ弹 簧 模 型. 总
结和归纳盾构隧道 环 间 弹 簧 的 计 算 方 法,采 用 弹 簧
模拟管环间的螺 栓 连 接. 采 用 粘 弹 性 边 界,结 合 等
效节点力地震动输 入 方 法,进 行 两 个 典 型 纵 断 面 的
盾构法隧道纵向非线性地震响应特性研究
盾构法隧道纵向非线性地震响应特性研究蒋建群1,卢慈荣1,沈林冲2(浙江大学建筑工程学院,杭州 310027;21杭州市地铁集团有限责任公司,杭州 310003)摘 要:以考虑轴向力与弯矩共同作用的等价刚度非线性动力有限元法,分析了地震动作用下盾构法隧道纵向的非线性响应特性。
通过与不考虑轴向力与弯矩共同作用的等价刚度法及管片与纵向螺栓单独建模分析等不同方法计算结果的对比,验证了等价刚度计算中考虑轴向力与弯矩共同作用的必要性和不考虑轴向力与弯矩共同作用等价刚度法的适用性,并就隧道等价刚度、螺栓非线性及地基参数非线性等要素对隧道纵向地震响应的影响情况进行分析。
关键词:隧道工程;纵向非线性地震响应;等价刚度;轴力与弯矩共同作用;盾构法隧道中图分类号:T V312;U45212+8文献标识码:AR esearch on longitudinal nonlinear seismic response of shield tunnelJ I ANGJianqun 1,LU Cirong 1,SHE N Linchong2(11College o f Civil Engineering and Architecture ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou 310027;21Hangzhou Metro Group Co .,Ltd .,Hangzhou 310003)Abstract :Adopting axial force and bending m oment coactions equivalent rigidity method ,the longitudinal nonlinear responses of a shield tunnel are analyzed ,subjected to various earthquake incidence and s oil 2structure interaction.The rationality and applicability with considering such coactions or without are dem onstrated for ordinary and higher level ground m otions.Such in fluence aspects as equivalent rigidity ,s oil non 2linearity and bolt plasticity are discussed in detail ,providing an academic foundation for cognizing the dynamic behaviors of shield tunnel and upgrading its seismic design.K ey w ords :tunnel engineering ;longitudinal nonlinear seismic response ;equivalent rigidity ;axial force and bending m oment coactions ;shield tunnel收稿日期:2004209216作者简介:蒋建群,1962年生,男,博士,副教授1 前言随着社会的发展,大型地下输引水工程也越来越多,这些大型地下工程往往涉及如何穿越复杂地段的问题,由于盾构法隧道具有对不良地质条件适应性强这一特殊优点,已成为这类工程的首选建造法。
浅议盾构法隧道的抗震分析与施工
浅议盾构法隧道的抗震分析与施工摘要：随着当前工程建筑规模的纵深发展，地下空间结构的开发与建设规模不断增大。
从地质结构上分析，我国很多地方的地下隧道工程处于地震多发地带，地下工程结构的抗震安全性能设计，显得尤为重要。
采用盾构技术进行隧道工程建设时，要科学的进行抗震性能设计与施工，增强隧道的安全牢固性能。
关键词：盾构技术隧道工程抗震性能施工措施地质理论认为，我国很多地区位于地震多发区域。
当前地下工程建设的开发，往往线路冗长，沿途地质构造复杂多变。
针对地下工程的相关震害进行科学分析，探究地下工程建筑的安全抗震施工措施，保障地下工程结构的稳固性，成为当前社会共同关注的建筑问题。
1、盾构法施工的技术特点盾构，是一种设有安全护罩的专用器械设备，它能够依靠机械尾部衬砌块作为支点逐步向前推进过程中，利用刀盘装置进行切割土体，同时进行排土除渣处理以及拼装后面的预制混凝土衬砌块。
盾构法属于建筑暗挖技术施工中的一种全机械化作业方式，是利用盾构器械在软质地基或破碎岩层中进行隧道开挖，衬砌等施工作业的建筑施工方法。
其工作原理是利用盾构机械在隧道中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩机构，临时性支护隧道内壁，同时在开挖作业面前方用切削装置进行土体开挖，并运用出土机械将开挖土渣运出洞外，依靠千斤顶装置设备在机械后部进行加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
相对来说，盾构法施工具有工作效率快、安全性能高、自动化作业、环保性能好等技术优势。
2、地震对地下隧道工程建筑的破坏性分析地震通常是指地球内部因构造应力强度过大而突然释放导致地壳发生急剧破裂产生的震动弹性波，在一定范围内引起地面振动的现象。
地震的危害性相当大，是当前严重威胁人类生命安全以及地面工程建筑稳固性能的重要自然灾害之一。
根据以往地下结构在遭受地震危害后呈现的破坏程度可知，震害形式取决于地震作用力方向及现场地质条件。
围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两种主要原因。
盾构隧道施工中的地震响应分析与安全控制研究
盾构隧道施工中的地震响应分析与安全控制研究地震是自然界的一种常见自然灾害，对地震灾害应对与防范至关重要。
随着城市化进程的加快，地下空间的利用日益广泛，隧道工程的建设也随之增加。
在隧道建设过程中，地震的影响因素引起了人们的广泛关注。
盾构隧道作为一种广泛应用于地下工程中的施工方法，其在地震动力学条件下的地震响应分析与安全控制研究显得尤为重要。
一、地震响应分析地震响应分析是研究盾构隧道在地震作用下的运动规律和变形特点的过程，通过分析地震波在地下结构中的传播和反射，确定盾构隧道的地震响应，从而评估其结构的安全性。
1. 地震动力学参数确定地震响应分析的第一步是对地震动力学参数进行确定。
这包括确定输入地震波的动力学特性，如地震波的地震强度、地震波频谱和地震波的时程等。
2. 盾构隧道的地震响应分析模型通过建立盾构隧道的有限元模型，考虑材料的非线性特性，确定力学参数，进行地震响应分析。
分析模型的合理性与准确性对研究结果的可靠性至关重要。
3. 盾构隧道的地震动力响应分析通过对盾构隧道的地震动力响应的计算与分析，可以得出隧道结构受力情况和变形程度。
这有助于评估隧道结构的安全性，并为后续的安全控制提供科学依据。
二、安全控制研究盾构隧道施工中的地震响应分析有助于揭示隧道结构变形与破坏的规律，从而制定相应的安全控制措施，以保障隧道施工的安全可靠进行。
1. 隧道结构设计优化通过分析盾构隧道在地震作用下的响应，可以发现一些存在缺陷的结构部位，对这些部位进行设计上的优化，提高其抗震能力，以保障施工过程的安全性。
2. 盾构隧道施工中的安全预警在盾构隧道施工过程中，建立一套完善的地震监测系统，能够及时地监测到地震的发生及震级变化情况，为施工人员提供及时准确的预警信息，从而采取相应的安全控制措施。
3. 地震加固技术研究在盾构隧道施工中，采用地震加固技术对结构进行强化，提高抗震能力，增加结构的稳定性。
4. 盾构隧道施工过程中的安全管理加强对施工人员的安全培训，提高其应对地震灾害的能力。
基于柔性节点的高烈度区盾构隧道纵向地震反应减震分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｃ ｋ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｏ ｆ ａ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ａ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎ ｇ ｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ，ａ ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｌ ｆ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｄ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｓ ＭＡ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｄ ｍ ｅ ｍ ｏ ｒ ｙ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ
Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ Ｈｉ ｇ ｈ ｌ ｙ Ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ Ｚｏ ｎ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ Ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ
Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｙｉ ｎ ｇ ，Ｌ Ｉ Ｚ ｈ ｉ ｓ ｈ ａ ｎ ，ＸＵ Ｌ ｉ ，Ｃ ＨＥ Ｎ Ｈｕ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ，Ｌ Ｕ Ｏ Ｊ ｕ ｎ ｊ ｉ ｅ
（ Ｆ － 州大学 工程抗 震研究 中心 ，广州 ５ １ ０ ４ ０ ５ ） 摘要 ：以某特长超大盾构海底 隧道 为背景 ，提 出了一种新型的 Ｓ Ｍ Ａ形状记忆合金柔性减震节点。采用基于纵 向梁 一 弹簧模型 的反应位移法 ，研究 了该 消能减震措施对 高烈度 区盾构隧道纵 向地震反应控 制的机理 和有 效
ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｌ ｏ ｎ ｇ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ
地震作用下盾构隧道动力响应及震裂结构安全性分析
地震作用下盾构隧道动力响应及震裂结构安全性分析
随着社会经济的不断发展和城市人口的增多,为缓解交通压力,各大城市都在大力发展地铁工程,隧道盾构法施工得到了广泛应用。
然而,我国处在世界两大地震带之间,地震活动十分活跃。
由于我国大规模地下结构建设起步较晚,地震资料及采集的数据不多,对地铁盾构隧道的地震研究不够深入。
鉴于此,本文在前人研究的基础上,以国内某地铁区间盾构隧道为背景,基于有限元计算理论并应用扩展有限元原理,建立了精细化的盾构隧道-围岩分析模型。
通过施加不同类型、不同强度的地震剪切波,研究了隧道衬砌的动力响应和混凝土开裂扩展特征并对震裂衬砌结构安全进行分析。
基于上述分析,本文主要研究内容和成果如下:(1)建立了精细化的盾构隧道-围岩有限元分析模型,针对盾构隧道的刚度等效问题,提出了采用正交各向异性混凝土材料的刚度等效试验原理。
基于地层-结构法进行数值加载试验,得到了考虑整体性能的横纵向刚度折减系数。
(2)地震波在地层中传播时衰减较快,存在明显的地表放大效应。
衬砌的加速度响应与所在地层的振动响应密切相关。
在剪切波作用下衬砌混凝土的环向应力响应显著,在上下45°的拱肩、拱脚附近产生应力集中,当最大环向拉应力超过材料容许抗拉强度时产生Ⅰ型裂缝,分布在衬砌内侧。
随地震强度的增大,混凝土出现开裂的时间更早、产生的裂缝数量更多,隧道受破坏的程度也更严重。
(3)建立了震裂衬砌分析模型及结构安全评价方法。
利用有限元法计算裂缝尖端的最大环向拉应力并与混凝土的容许抗拉强度比较分析裂缝稳定性。
通过对截面强度的计算,开裂截面的承载安全系数存在明
显减小趋势,但衬砌承载力仍满足要求。
隧道纵向地震反应分析方法及抗震性能研究
引起的隧道结构破坏。
地震响应
03
评估隧道在地震作用下的响应，包括加速度、速度、位移等指
标。
隧道抗震性能影响因素
地质条件
隧道穿越的地质条件，如土壤类型、地下水位等 ，对隧道抗震性能有重要影响。
结构设计
隧道结构设计，如形状、尺寸、材料等，对隧道 抗震性能有重要影响。
施工方法
隧道的施工方法，如开挖方式、支撑形式等，对 隧道抗震性能有重要影响。
地震波加载
选择适当的地震波，将其加载到模 型中，模拟地震发生时地层对隧道 的影响。
结果分析
分析隧道结构的位移、应力、应变 等反应，评估其抗震性能。
03
隧道抗震性能研究
隧道抗震性能评估指标
结构完整性
01
评估隧道结构在地震作用下的完整性，包括裂缝、断裂、位移
等指标。
稳定性
02
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
评估隧道在地震作用下的稳定性，包括土壤液化、地面沉降等
隧道纵向地震反应分析模型
有限元模型
使用有限元方法可以模拟隧道结构和地层的详细几何和物理 特性。
边界条件和荷载
正确的边界条件和地震荷载对于模拟隧道在地震作用下的反 应至关重要。
隧道纵向地震反应分析步骤
建立模型
根据实际工况建立隧道模型，考虑 地层、隧道结构和地质条件等因素 。
模态分析
进行模态分析以确定隧道结构的固 有频率和模态形状。
02
隧道纵向地震反应分析方法
地震反应分析基本理论
1 2
地震波传播理论
地震波在地层中传播时，会引发地层的振动， 这种振动可能对隧道结构造成破坏。
动力反应分析理论
隧道结构在地震波作用下的动力反应分析是评 估其抗震性能的关键。
地铁盾构隧道地震反应分析_刘晶波
ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2005年第45卷第6期2005,V o l .45,N o .610 377572760地铁盾构隧道地震反应分析刘晶波, 李 彬, 谷 音(清华大学土木工程系,北京100084)收稿日期:2004207208基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478014);国家“九七三”重点基础研究项目(2002CB 412706);北京市自然科学基金项目(8011002)作者简介:刘晶波(19562),男(汉),辽宁,教授。
E 2m ail :liujb @tsinghua .edu .cn摘 要:为研究地铁盾构隧道的地震反应特性,采用复反应分析法研究了并行隧道间距离、衬砌厚度、材料性质等因素对地震反应的影响。
研究结果表明:距离较小时,并行隧道的地震反应相对于单一隧道情形会发生较大变化;衬砌材料弹性模量的变化对盾构隧道的地震反应影响不大;衬砌厚度的变化对隧道地震变形反应的影响也不大,但对内力反应的影响显著。
研究结果还显示,相对于设计基本地震加速度,把地面与基岩间峰值相对位移作为地下结构的设计地震动参数更为合理。
关键词:盾构隧道;地震反应分析;设计地震动参数;土结构相互作用;地面峰值相对位移中图分类号:TU 31文献标识码:A文章编号:100020054(2005)0620757204Se is m ic respon se ana lysis ofsh ielded subway tunnelsL I U J ingbo ,L IB in ,GU Yin(D epart men t of C iv il Engi neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Ch i na )Abstract :T he comp lex response m ethod w as used to analyze the seis m ic response of subw ay tunnels shielded w ith a stiff liner as a functi on of facto rs such as the distance betw een the tw in tunnels and the elastic modulus and thickness of the lining .T he num ericalresults show that the seis m ic response of clo sely spaced tw in tunnels is significantly different from that of a single tunnel .T he elastic modulus of the lining has little effect on the seis m ic response .T he lining thickness has little influence on the seis m ic defo rm ati on response,but great influences the internal fo rce response .T he peak ground disp lacem ent relative to the bedrock is a mo re effective design param eter of ground mo ti on than the ground mo ti on accelerati on fo r evaluating the seis m ic response of underground structures .Key words :sh ielded tunnel;seis m ic response analysis;designparam eter of ground mo ti on;so il 2structure interacti on;peak ground disp lacem ent relative to bedrock目前我国在地铁抗震设计方面的研究相对比较落后[1,2],迄今为止还没有独立的地下结构抗震设计规范。
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盾构隧道纵向地震响应分析摘要:为了探讨盾构隧道的纵向地震响应特性,采用地层-隧道整体三维有限元模型,对武汉长江越江盾构隧道的地震响应进行了分析,主要研究了合理的盾构隧道力学模型、隧道与地层之间的相互作用以及隧道的振动特性.通过隧道与地层的整体分析,得到了盾构隧道位移和应力的分布及其随时间的变化曲线.计算结果表明:压缩波引起的纵向拉、压应力和剪切波引起的扭曲变形是隧道抗震设计的关键.关键词:盾构隧道;三维有限元法;地震响应分析目前常采用反应位移法和时程响应法进行隧道纵向抗震设计.反应位移法认为地震时地下结构对地层的反应具有追随性,结构的加速度和位移都随地层的响应而反应,结构产生的附加地震应力和应变是由于地层位移差产生的.该方法概念明确,计算简便,在均匀地层中得到较好应用[1,2].用时程响应法计算地下结构的地震响应时,将结构和土层作为一个整体,考虑结构与土层的相互作用,建立整个系统的运动微分方程,通过直接输入地震加速度时程曲线,求得各时刻结构的加速度、速度、位移和应力.此方法能较好地反映动力响应的全过程,并且能比较直观地估计结构的变形和识别结构的薄弱环节,在沉管隧道等结构中得到了较好的应用[3,4].近年来,随着盾构隧道的大量修建,其抗震性能受到极大关注,但目前这方面的研究成果较少,特别是对盾构隧道纵向抗震性能的研究更薄弱.原因在于:(1)盾构隧道由管片通过环向螺栓连接成环后,再用纵向螺栓把各环通过通缝或错缝拼装而成,环间接头具有相对柔性,使得盾构隧道的纵向刚度不一致,如何考虑盾构隧道纵向接头对抗震性能的影响较困难.(2)隧道结构长度和计算边界的处理较困难.计算隧道纵向地震响应时,边界长度的确定既要能体现隧道线状结构的纵向特性,考虑计算能力的可行性,还要设法消除人工边界导致的地震波反射作用.目前在盾构隧道纵向地震响应分析中,或将带有接头的隧道用等效质量弹簧模型模拟[1,3,4],或按地震波沿隧道纵向呈正弦分布简化计算[5],这2种方式都与实际情况不完全相符.本文中采用三维瞬态动力学分析方法,对武汉长江越江盾构隧道进行了纵向抗震分析,对隧道纵向刚度和边界条件作了适当处理,采用100a超越概率为2%的人工地震波,运用行波理论计算了3种不同工况下盾构隧道的纵向地震响应.1计算模型武汉长江盾构隧道内径5.0m,外径5.5m,幅宽2.0m,隧道以九等分管片错缝10°拼装.该隧道纵向地震响应整体分析模型见图1,计算范围在z,x,y轴方向即长、宽、高分别为1000,60和30m.模型按隧道的实际地层情况建立,底部为泥质粉砂岩,自下而上分别为厚15.0,3.5,11.5m的粉细砂岩、中粗砂岩和粉细砂岩,其物理力学参数见表 1.盾构隧道用梁单元模拟,地层边界用弹簧和阻尼器并联而成的弹簧阻尼单元模拟,这样可以有效消除边界能量,较好地反映边界上波的透射,避免由于固定约束引起的能量全反射.2纵向刚度的等效处理前已述及,把盾构隧道简化成刚度沿纵向不变的连续梁时,必须考虑环间纵向接头的影响.根据等效变形的原则,可以求得盾构隧道分别在拉(压)、剪切和弯矩作用下的刚度折减系数[7].以纵向拉(压)为例,把m环长度为ls的管片等效为m/n环长度为nls的管片的等效轴向拉(压)刚度模型见图2.设在轴力N作用下,轴向实际伸长则根据u1=u2,可以计算出轴向刚度折减系数式中:ls为盾构隧道管片的幅宽;EA为管片环的轴向拉(压)刚度;KN为隧道纵向接头轴向拉(压)弹簧的弹性系数.同理,可以分别求得盾构隧道纵向等效剪切刚度折减系数ηQ和纵向等效弯曲刚度折减系数ηM:式中:GA为管片环的剪切刚度;KQ为隧道纵向接头剪切弹簧的弹性系数;EI为管片环的弯曲刚度;KM为隧道纵向接头弯曲弹簧的弹性系数.计算中,纵向1000m共500环,等效成1环进行刚度等效处理.3地震波输入方式为了解地层的振动特性,首先根据成层重复反射理论,用一维土柱模型分析该盾构隧道场地地层的动力响应.选取隧道处的实际地层进行分析,基岩为泥质粉砂岩,采用弹性本构关系.表层地层则采用与应变相关的材料特性(动剪切弹性模量和阻尼比)表征其非线性特性.按照输入场地地质条件合成的人工地震波(100a一遇概率水准为2%的前10s),加速度峰值为1.431m/s2,如图3.从基底进行单向激励,计算出地层的地震响应,包括加速度、速度、位移和层间剪应力响应.根据场地地层的地震响应分析结果,各地层的加速度、位移和剪应力响应最大值都发生在大约3~8s间,8s以后呈较强的衰减趋势[8].地震波在地壳中传播时,地层介质的阻尼和粘滞作用会使其衰减和被过滤,同时,地层具有一定的柔性和变形能力,因此,地震波的速度、强度和频率特性都受地层介质物理性质的控制.地震波在地层介质中按一定方向、以一定速度传播,使地层中的结构依次受到激振,各点之间由于波到达的时间不同和具有一定的相位差,使结构处于异步运动状态,这种现象对隧道———线状结构的影响尤为明显.当结构尺寸接近或大于地震波的波长时,结构内部在不均匀振动下容易发生激烈的内部碰撞,产生较大的接触应力,可能使结构在薄弱部位破坏,因此采用自由场行波输入更合理.若把第i个节点的时滞数记为ni,则式中:li为第i个输入点到第1个输入点的水平距离;va为行波视速度;Δt为时间步长;ent表示取整.根据式(9),设波阵面到达第1个输入点的时刻为t,到达第i个输入点的时刻为t+niΔt,则可通过输入运动矩阵分别输入i=2,3,…,p-1时的行波(p为输入点总数).计算采用Newmark-β法瞬态多载荷文件循环求解方式,由于场地地层地震响应的最大值大约都发生在3~8s间,8s以后呈较强的衰减趋势,故取人工地震波的前10s作为行波输入.考察了沿结构纵向传播的剪切波作用(工况1)、沿结构纵向传播的压缩波作用(工况2)以及与结构纵向成45°方向传播的剪切-压缩波作用(工况3)下结构和地层的地震响应.4隧道地震响应计算3种工况下的地震响应,可以分别输出不同时刻土体变形、隧道变形、隧道轴力、剪力、弯矩、隧道主应力及相应的时程图[8].限于篇幅,这里仅给出t=2,4,6,8,10s时的变形、内力和应力.4.1横向剪切波激振响应由图4可见,在剪切波作用下,土体沿盾构隧道纵向的变形呈现出明显的行波效应.t=2s时,波只行进了600m,沿隧道纵向尚有部分土体未发生变形;t=4s时,计算范围内的土体都开始产生变形;t=6,8和10s时,整个计算范围内的土体都产生明显变形,主要表现为水平面内产生与z轴大致垂直的相对错动,最大变形值约0.025m,发生在t=8s.另外,盾构隧道在竖向隆起或沉降,不过变形值非常小.当隧道完全遭遇横断面方向的剪切波作用时,轴力很小,主要是水平方向的剪力Qx,t=8s时水平剪力最大,Qx=8.4MN(如图5).正是由于Qx,引起了以y轴为中性轴的弯矩My,使隧道在水平面内发生扭动.y方向剪力很小,引起的以x轴为中性轴的弯矩Mx也很小,所以隧道的隆起和沉降值很小.由图6可知,隧道的最大、最小主应力分别为 2.92和-2.92MPa,均发生在t=8s.C50素混凝土的轴心抗拉、抗压强度分别为3.0和35.0MPa,隧道最大拉应力接近混凝土抗拉强度,结构在横向剪切波作用下的抗拉强度值得重视.从截面内力的时程曲线可见,距来波距离最远的节点最后响应,这也显示了行波效应.除Qx和My外,其余截面内力都很小,且Qx和My的频率接近,对应节点的相对大小关系相同,原因是My是Qx与相应距离的乘积.4.2纵向压缩波激振响应[8]在纵向压缩行波作用下:(1)土体的变形主要表现为竖向的隆起和沉降,最大变形值达0.019m.此外,沿隧道纵向也产生较大的压缩变形,最大值为0.010m.(2)轴力沿隧道纵向呈拉压交替出现,最大拉力为125.0MN,最大压力为88.7MN.竖向最大正、负剪力分别为1.9和-2.0MN,比轴力小,但比横向剪切波激振时大.由Qy产生的弯矩Mx较大,最大、最小值分别为19和-32MN·m.(3)隧道的最大拉应力为7.9MPa,最大压应力为 5.6MPa,表明隧道在纵向压缩波作用下可能产生拉伸破坏.4.3沿45°方向传播的剪切-压缩波激振响应[8]在沿45°方向传播的剪切-压缩波作用下:(1)隧道变形表现为水平面内的扭曲、竖向隆起和测沉降,水平面内最大变形达0.014m,竖向最大变形为0.002m.(2)隧道轴向最大拉力为41.7MN,最大压力为41.9MN,较纵向压缩波作用时小.剪力Qx的最大值为4.3MN,由此产生的弯矩My的最大、最小值分别为53.1和-60.8MN·m.剪力Qy的最大值为1.1MN,相应的弯矩Mx的最大、最小值分别是10.5和-13.1MN·m.(3)隧道的最大主应力为 4.4MPa,最小主应力为-3.16MPa.(4)轴向压力大于水平剪力,水平剪力大于竖向剪力.5结论和建议基于上述研究,可以得到以下认识:(1)横向剪切波激振引起的隧道变形和截面剪力主要产生在剪切波的激振方向,激振方向剪力引起的弯矩也较大;横向剪切波引起的隧道沉降和隆起很小,可忽略;隧道产生的最大应力基本在材料强度的允许范围内.(2)纵向压缩波激振导致的变形以隧道轴向的拉压变形为主,竖向沉降和隆起也值得重视,水平面内的扭曲很小.主要是因为水平面有周边地层的约束,隧道上面虽有土层,但为自由表面,较水平面容易产生变形.纵向压缩波作用下轴力较大,轴向最大拉应力可能造成结构纵向拉伸破坏,建议增大环间纵向接头的柔性.此外,竖向剪力Qy及其引起的弯矩Mx亦不可忽视.(3)沿45°方向传播的剪切-压缩波激振引起的隧道响应介于横向剪切波和纵向压缩波激振产生的响应之间,不是最不利的情况.(4)从控制应力的角度,应重视纵向压缩波作用下隧道的纵向拉伸和压缩应力;从控制隧道变形、维护隧道正常运行的角度,应关注横向剪切波引起的隧道扭曲和错动变形.(5)建议今后对竖向、斜向传播的行波效应进行研究,以全面考察隧道的动力响应,同时进行近距离并行隧道地震的响应分析.参考文献:[1]川岛一彦.地下构筑物の耐震设计[M].日本:鹿岛出版会,1994:43-60.[2]日本土木工程师学会地震工程委员会.日本沉管隧道抗震设计特点[J].世界隧道,1997(3):53-62.[3]韩大建,周阿兴,黄炎生.珠江水下沉管隧道的抗震分析与设计(Ⅰ)[J].华南理工大学学报,1999,27(11):115-121.HANDajian,ZHOUAxing,HUANGYansheng.AseismaticanalysisanddesignofthePearlRivertunnel(Ⅰ)?Timedomainres ponsemethod[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechno logy,1999,27(11):115-121.[4]严松宏,高峰,李德武,等.南京长江沉管隧道的地震安全性评价[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增2):2800-2803.YANSonghong,GAOFeng,LIDewu,eta.lEstimationonseis 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