摘要：在我国快速发展的过程中，我国的综合国力在不断的加强。文章采用FLAC3D有限差分软件对与既有市政隧道近接并行的地铁车站结构的地震动响应特性进行数值计算，同时还对地层注浆加固的减震效果进行了分析，结果表明：对于与既有市政隧道紧邻且并行的地铁车站结构而言，地震动作用对车站主体结构的水平位移和受力状态均产生较大影响，并且随着两者并行间距的减小，其动力响应也逐步增大。而采用地层进行注浆加固可有效减弱与既有市政道路隧道并行和近接的地铁车站主体结构的地震动力响应。
关键词：超近接地下结构；浅埋地铁车站；地震动响应
引言
长期以来，学术界普遍认为地下结构的抗震性能优于地面建筑，并未充分重视地下结构的抗震设计。但在1995年日本阪神－淡路大地震中，日本各种地下设施均遭到严重损坏，地铁大开站（DAIKAI）和上沢站（KAMISAA）更遭到彻底破坏，上方国道路基大面积塌陷造成交通瘫痪，暴露出地下空间结构抗震能力弱的特点。随着我国国民经济的高速增长，地下空间的开发利用已经成为解决城市发展问题的重要举措。我国发达城市的地下空间开发已步入正轨，内陆的二线城市也迎来地下空间开发的热潮，我国地下空间建设的规模不断增大，在地下结构的设计及建设中贯穿抗震减灾思想显得尤为重要。
1城市地下结构震害现象
多个研究报告报道过大地震下城市地下结构的破坏实例。美国土木工程学会报道了san fer－nando地震对洛杉矶地区地下结构破坏的实例；日本土木工程学会对沉管隧道地震损伤特性进行了总结；对地下结构震损进行了大量调查与总结。震害经验表明，地下结构的震害机理可以归纳为：地下结构振动受到周边土体影响，一般不表现自振特性；地基土变形是地下结构震害的主要诱因；地下结构沿线地质条件变化较大区域震害严重，特别是地下结构穿越松散砂土层、软土层、断层破碎带等不良地质带区域；震级大、离震中或断层近、峰值加速度大、强震持续时间长，地下结构的破坏更为严重；地下结构的地震性能与其几何形状、埋深、刚度、施工工艺有关，浅埋隧道比深埋隧道更易受地震损坏。发现地表峰值加速度不大于0.20ｇ，地震动仅会引起隧道的轻微损坏。1985年墨西哥城西南大约400ｋｍ处的太平洋海岸Ｍｓ 8.1级地震，造成墨西哥城停水、停电，交通和电讯中断，全市陷入瘫痪。墨西哥城的地铁系统采用明挖法施工建造，101个地铁车站中有13个停止使用，地铁隧道和车站结构连接处发生轻微裂缝，软土地基上的地铁车站侧墙与地表结构相交部位发生分离破坏现象；一段建在软弱地基上的箱形结构地铁区间隧道，在地下段向地上段的过渡区内接缝部位出现错位。这次地震灾害教训极其深刻，其原因在于墨西哥城是由湖泊沉积而成的封闭式盆地，灾害主要集中于覆盖层厚150-300ｍ的市中心区域。地震专家利用地震的强地面运动记录和脉动记录，给出了墨西哥城湖积层地面运动长周期放大作用的定量结果：湖积层0.2-0.7Ｈｚ频带的地表地震动比大学城丘陵区的地表地震动放大8-50倍；地震波在盆地内多次反射和折射，并与盆地内的松软沉积层发生共振，使得湖积层的地面地震动峰值加速度比丘陵区的放大4-5倍，达到0.09-0.17ｇ.
2模型概况
2．1计算模型
本文以一新建的地铁车站为分析对象。该地铁车站右侧与一既有市政隧道近接且并行；车站与既有隧道之间的最小近距约为 1． 0 m。新建地铁车站为双层三跨结构的岛式站台车站，车站主体结构标准段宽度为 20． 0 m，全长 311． 3 m。车站顶板平均覆土厚度约为 5． 3 m，底板埋深为 20． 26 ～21． 90 m。车站主体结构除钢筋混凝土立柱外均采用 C40 混凝土，钢筋混凝土立柱采用 C50 混凝土。使用FLAC3D有限差分软件进行地震动分析。为减少“边界效应”地影响，依据相关论文，模型高度取地面至地下70m，模型宽度为165m，长19m。选用Mohr－Colunmb屈服准则作为土体的本构模型，车站主体结构选用弹性模型。土体与车站结构均采用实体单元模拟。三维模型共划分155340个节点，144248个单元。本文分析对象为新建地铁车站，所以先进行既有市政隧道的相关静力计算，得到既有市政隧道平衡应力场后，再进行地铁车站的修建静力分析，得到最终平衡应力场后，位移初始化并进行动力分析。为了研究并行间距对浅埋超近接并行地下结构地震动响应行为的影响，以及注浆加固对此结构形式减震的影响，所以设置以下工况。
2.2地震波处理
选择汶川 Ms8． 0 级大地震中卧龙站监测到的近场强地震动竖向加速度作为本模型近场地震输入格式。因其竖向分量大，频率以中高频为主，具有明显的近场地震动特征。采用 SeismoSignal 软件对地震波进行滤波、基线校正和截断。选用处理过的前 10 s 地震波来分析近接并行地铁车站结构的地震动响应。具体的加速度时程曲线见图 1。
图 1 处理后前 10s 汶川地震波加速度时程曲线
3计算结果与分析
3.1结构构件内力
地铁车站结构的应力如表2所示。对于同一结构部件，其在不同工况下内力分布趋势基本一致，且各构件最大剪应力随着间距的增大而减小。对于同一工况，中柱与中板的最大剪应力值最大，即二者较容易发生破坏。以最大剪应力最大的工况一为例，相比其他工况，其最大剪应力均发生一定量的增幅，最大剪应力的最大增幅为107%。
图 2 工况一相对水平位移云图
图 3 地层注浆加固模型
3.2数据分析
根据计算结果的分析可得。（1）同一工况，车站结构部位越靠上，相对位移越大。因为结构越靠上，埋深就越浅，周围地层的约束力越弱，使得该部位动力响应幅度较大。在此基础上，由于板件横截面刚度要远大于中柱，所以在板、柱连接处，中柱更易发生破坏，而且站厅层中柱相对位移大于站台层，即站厅层中柱较站台层中柱更易发生剪坏。（2）同一工况，地铁车站靠近市政公路隧道一侧构件的相对位移均大于较远一侧的，最大增幅约为45%。表明，近接并行结构的存在会影响地铁车站的动力响应规律，且影响表现为增强地铁车站的地震动响应，增幅随着距近接部位的距离的增大而减小。因为近接并行结构的刚度相对与土层而言，要大很多，使得地铁车站在相邻面受到的土层约束力相对较小，进而使得地铁车站在近接部位的地震动响应增幅较大。（3）不同工况，同一监测位置，其监测数据增幅系数随着并行间距的增大而减小。因为间距越远，则所夹土体越厚，即土体的约束作用越强，能更好的抑制地震波对结构的作用，使得地铁车站在近接部位的地震动响应减弱。
表 1顶板、中板相对水平位移峰值
表 2 地铁车站结构内力
表 3 增幅系数峰值
结语
本文利用FLAC3D有限差分软件对近接并行既有隧道的地铁车站结构进行了地震动模拟计算，通过分析得出以下结论。（1）由于既有市政隧道结构的存在使得与其近接和并行的地铁车站地震动响应有一定程度的加剧。（2）对于地铁车站而言，站台层测点的相对位移增幅大于站厅层测点的相对位移增幅，且增幅较大的部位均处于靠近近接并行结构一侧。（3）对于近接并行结构，两结构间距越小，近接部位地震动响应增幅就越大，近接部位受到的影响则越大。（4）对于浅埋近接并行结构，采用对主体结构周围地层注浆加固的措施可减弱结构受到的地震动力响应，对于近接部位而言，能有效削弱近接部位构件的动力响应，起到一定程度的减震效果。综合分析，近接并行结构的存在，使得地铁车站的地震动响应增大；且并行间距越小，地震动响应增幅越大；采用注浆加固，能有效降低近接并行结构的地震动响应。
参考文献：
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［4］张俊．考虑土－结构动态接触条件下地铁车站的抗震研究［D］．北京：北京交通大学，2009．
论文作者:王哲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
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