盾构法隧道抗震安全设计

1976年，唐山大地震中，刚刚建成的天津地铁经受住了地震的考验，仅在施 工缝部位发生施工面层局部脱落或裂缝的迹象。 1985年，墨西哥发生里氏8.1级地震，距震源350km的墨西哥城下水道盾构隧 道受到损坏，工作井与隧道连接处管片发生相对错动，环间螺栓被剪断，拱顶轴 向发生连续裂缝破坏。 1995年，日本阪神发生里氏7.2级地震，数条排污盾构隧道竖井与盾构连接处 由于结构刚性的差异发生接头结构错位，引起管片、接头破坏，发生了严重漏水 事故。
《地下铁道建筑结构抗震设计规范》
——上海市城乡建设与交通委员会、同济大学
条件
均匀地层、规则 断面 矩形断面车站或 区间隧道 设防烈度下
地震荷载计算方法
反应位移法 等代地震荷载 法 加速度法 惯性力法 弹性时程分析法 时程分析法 弹塑性时程分析 法
盾构法隧道相 关规定
抗震措施规定
7.3.2 盾构隧道径向变形的最 大值应不超过按满足接缝防水 材料使用要求确定的允许值。 7.3.3 地震时易发生液化、突 沉的地段，可按设计配置较大 膨胀倍率的橡胶垫。 7.3.6 管片宜错缝拼装，并加 深接头榫槽深度，以增强纵向 整体性。
相关规范设计规定
计算模型对比
计算模型 管片模拟 接头模拟
完全刚度均质圆环
等效刚度均质圆环 多铰圆环
管环为等刚度管环
等效考虑接头弯曲刚度的降低引 起的管环弯曲刚度的降低 管片考虑为无折减的完全刚度 管片用梁模拟，用地基弹簧模拟 结构与周围土体的相互作用 管片用三维壳单元模拟，用地基 弹簧模拟结构与周围土体的相互 作用
土质地层 粘弹性时程分析法
弹塑性时程分析法 含饱和砂土或粉土层 岩质地层 反应位移法III（修正 静力法） 粘弹性时程分析法 精细化设计 弹塑性时程分析法 盾构隧道与横通道、 工作井、通风井等结 构连接部位 均质或较均匀
8.2.3 计算模型选择 8.3.4 地震作用 8.2.5 抗震验算
Beijing Jiaotong University
•
Reference: 何川. シールドトンネル縦断方向の地震時挙動に関する研究[博士学位論文][D]. 東京：早稲田大学，1999. 何川,耿萍,晏启祥. Ⅳ级围岩铁路隧道抗震计算上覆土柱合理计算高度[J]. 土木工程学报,2013,46(05):144-150.
Beijing Jiaotong University
盾构法隧道相关 规定
抗震措施规定
8.3.2 不得使结构产生影响使用 的差异沉降，同时应满足结构防水 要求。 8.3.3 可采用减小管片环幅宽、 加长螺栓长度、加厚弹性垫圈、局 部选用钢管片或可挠性管片环等措 施提高隧道结构适应地层变形的能 力。 8.3.4 可采用如管片壁后注入低 剪切刚度注浆材料等措施，在隧道 与地层之间设置隔震层以减少地层 传递至结构的地震能量。 8.3.5 盾构隧道应避免穿越断层 破碎带、地裂缝等不良地质区域。 8.3.6 盾构隧道应避免穿越可能 发生液化的地层。结构构造措施可 在盾构隧道环缝面设置凹凸榫槽、 隧道局部或全长进行二次衬砌等。
盾构法隧道抗震安全性设计
汇报人：*** 2017年11月16日
Beijing Jiaotong University
内容提纲 一 盾构法隧道在地震中的破坏 二 相关规范设计规定 三 研究现状 四 抗震措施 五 工作计划及预期成果
Beijing Jiaotong University
盾构法隧道在地震中的破坏
完全忽略接头的影响
等效考虑接头影响 环向接头为铰接处理， 不考虑纵向接头 环向接头模拟为旋转弹 簧，纵向接头模拟为剪 切弹簧 接头采用同样的弹簧模 拟
梁—弹簧模型
壳—弹簧模型
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研究现状
研究团队（排名不分先后）
小泉淳 早稻田大学
何 川 西南交通大学
杜俢力
•
刘晶波
• 借鉴反应位移法基本原理的基础上，提出一种适用于复杂 断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法，采用土结构相互作用模型来直接反映土体与结构间的相互作用， 避免了引入地基弹簧带来的计算量和计算误差。
Reference: 黄茂松,曹杰. 隧道地震响应简化分析与动力离心试验验证[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(02):271-280. 杜修力. 地下结构抗震简化分析方法发展及应用[A]. 中国土木工程学会.中国土木工程学会2016年学术年会论文集[C].中国土木 工程学会:,2016:18. 刘晶波,王文晖,赵冬冬,张小波. 复杂断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法[J]. 土木工程学报,2014,47(01):134-142.
Reference: 天津市抗震办公室等.唐山大地震天津市市政工程灾害.天津：天津科学技术出版社,1984. 何伟. 盾构隧道的抗震研究方法与措施[A]. .2012年中铁隧道集团低碳环保优质工程修建技术专题交流会论文集[C].:,2012:6.
Beijing Jiaotong University
7.2.1 计算单元可 沿纵向取相邻管片 的中—中。 7.2.3 采用等代地 震荷载加速度法
罕遇地震下
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相关规范设计规定
《地下结构抗震设计标准》（征求意见稿）
——住房和城乡建设部
条件
计算方法
反应位移法I（内力 简化公式） 反应位移法II
位置
均质地层 水平/复杂成层 软土/软硬交错层
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抗震措施
Beijing Jiaotong University
汇 报 完 毕
谢 谢
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相关规范设百度文库规定
《城市轨道交通结构抗震设计标准》
——住房和城乡建设部、国家质量监督检验检疫总局
地震荷载计算方法
反应位移法 横向 反应加速度法 纵向 反应位移法
盾构法隧道相关规定
7.1.1 抗震性验算中圆形 断面结构应采用直径变形 率作为验算指标，地震作 用产生的直径变形率应小 于规定的限值。
抗震措施规定
黄茂松 同济大学
杜俢力 北京工业大学
刘晶波 清华大学
Beijing Jiaotong University
研究现状
小泉淳
• • 《盾构隧道的抗震研究及算例》 梁—弹簧模型、壳—弹簧模型
何
•
川
通过盾构隧道振动台模型试验和动力分析显示的天然地层 和含隧道地层以及衬砌结构在相应高程的加速度和相对位 移曲线，发现隧道的加入对地层的动力响应影响较小，而 衬砌结构的动力响应很大程度上依赖于地层的动力响应。 在隧道埋深较大时，地震系数法由于夸大了隧道上覆土柱 地震惯性力的影响，与实际工程和震害现象严重不符。分 别采用地震系数法﹑反应位移法和时程分析法，对不同跨 度的洞室进行抗震计算，最终得出地震系数法的上覆土柱 合理计算高度。
10.5.6 盾构隧道与车 站连接处、联络通道两 侧、土层参数急剧变化 处等，应设置变形缝； 衬砌管片环间宜采 用螺栓等抗拉构件进行 连接。
Reference: 川岛一彦.地下构筑物的耐震设计[M].日本:鹿岛出版会,1994.
Beijing Jiaotong University
相关规范设计规定
Beijing Jiaotong University
抗震措施
地基加固，降低周围地基变形 减小地基与结构之间的相互作用 减震器 增大结构刚度，减小结构变形 抗震措施 提高管片自身抗震性能 减小结构刚度，增加变形 能力 减小管片厚度 减小管片横向接头刚度 减小管片环间接头刚度 改变管片材料 减震层
Reference: 孔戈. 盾构隧道地震响应分析及抗减震措施研究[D].同济大学,2007. 赵武胜,陈卫忠,谭贤君,黄胜. 高性能泡沫混凝土隧道隔震材料研究[J]. 岩土工程学报,2013,35(08):1544-1552.
黄茂松
• 通过离心试验的应变测量，对比隧道在静力和动力荷载作 用下受力状态，研究表明，隧道和地基土的地震响应与地 震强度和边界条件密切相关，隧道地震响应特征与静力状 态存在明显差异。 提出了一种考虑上覆土体竖向惯性效应的惯性力—位移法。 工程实例分析结果表明该方法克服了传统方法不能给出中 柱轴力的缺陷外,其他反应量的计算精度也与之基本相当。