天津市市政工程设计研究院 天津和平 300051
摘要：本文以拟建地铁单渡线暗挖区间隧道为背景，根据结构形式、尺寸及地质情况等因素，对隧道进行抗震计算研究及计算方法介绍。
关键词：大断面隧道；溶洞；抗震计算；时程分析法
引言
近年来，随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁发现，地下结构的抗震问题日益受到人们的重视。即1995年日本阪神地震对神户地铁大开车站造成破坏后，2008年汶川地震对该省80.7%的公路隧道均造成不同程度的破坏。因此我国各城市在建轨道交通均对车站结构及区间隧道结构进行抗震设计研究并进行相关抗震专项的论证。但是各城市轨道交通发展水平不同且抗震研究进行较晚，各地抗震计算方法也不尽相同，本文将参考相关规范并参考工程实例对抗震计算方法进行论证并对计算方法进行介绍。
工程实例：
1、工程概况
区间总长804.5m，线路纵向坡度单向坡，在区间大里程设置单渡线，区间覆土约14.9~25.5m，单渡线采用明挖结合矿山法施工，其余线路采用盾构法施工，本文主要研究大断面矿山法隧道抗震计算方法研究。
矿山法隧道最大断面跨度14.5米，高度11.7米，区间所处地层为强~中风化石灰岩，石灰岩、白云岩节理较发育，局部岩溶现象发育，发育有溶蚀沟槽及溶洞，溶洞为软塑—可塑状态粘性土充填，局部含强风化岩碎块及角砾，个别溶洞无充填，局部见串珠状溶洞发育，最大洞高约6.8m。
拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，所属的设计地震分组为第二组。抗震设防分类为重点设防类(乙类）。按照抗震等级二级采取抗震构造措施。
2、抗震计算方法的选择
根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50505-2014）中规定：地下结构抗震计算方法主要有反应位移法、地震加速度法、时程分析法。各计算方法实用性如下：
表1 地震反应计算方法
（1）地质条件及结构形式简单的隧道结构横向抗震计算可采用反应位移法或反应加速度法。周围土层均匀、断面形状标准、规则且无突变的隧道结构纵向抗震计算宜采用反应位移法。
在地质条件、结构形式复杂的情况下，隧道结构宜考虑地基和结构的相互作用以及地基和结构的非线性动力特性，应采用时程分析法进行抗震计算。
（2）纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变的地下车站结构，可只沿横向计算水平地震作用并进行抗震验算，抗震分析时可近似按平面应变问题处理。
遇到下列情况之一时，地下结构工程宜按空间问题进行地震反应计算:
1)结构上部局部建有建筑物或构筑物时；2)沿结构纵向土层分布有显著差异时；3)沿纵向结构型式有较大变化时；4)同时在平面和竖向两个方向结构变化较多或复杂时。
（3）进行隧道选线与地下车站选址时应绕避不良地质地段及地层;当无法避开时，应采取可靠的处理措施。遇有下述情况时，尚应进行动力时程分析：
1）地下结构纵向的断面变化较大或在横向有结构连接；2）地质条件沿地下结构纵向变化较大，软硬不均；3）隧道线路存在小半径曲线。
反应位移法适用于土层比较均匀，埋深一般不大于30m的地下结构抗震设计分析，因此反应位移法不适用于本段工程。本区间隧道为大断面马蹄形隧道宽度14.5，高度11.7m，拱底位于基岩，部分拱腰及拱肩全部位于中风化岩层，部分岩土交界面，上部为土层、下部为中风化岩层，且处于岩溶溶洞发育等复杂地质处，根据以上条件对比需采用二维平面计算设防地震及罕遇地震下隧道结构的强度、变形和位移；根据以上各对比条件，本区间大断面隧道拟采用时程分析法进行抗震计算：
3、时程分析法抗震计算
（1）计算软件
本次计算分析采用采用大型岩土隧道有限元软件GTS来建立有限元模型。在模型中，动力平衡的方程为：
式中： M、C、K分别为体系的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；ü、u˙和u分别为体系的加速度、速度和位移，ft为地震荷载。
（2）时程分析法计算模型及边界条件
时程分析法采用地层-结构模型，时程动力分析时，由于直接输入地震波作用，场地基岩人工地震动时程一般以基岩加速度反应谱和峰值为目标，用数值模拟的方法合成地震动时程，作为场地土层地震反应分析的地震动输入值。动力计算采用《地震安全性评估报告》中提供的50年超越概率为10%和50年超越概率为2%的样本加速度时程曲线。受地震波长的影响，为保证计算结精度要求，应限制土层单元尺寸，通常竖向单元尺寸不大于1m 即可满足要求。
当采用波动法进行地震动输入时，模型边界一般采用粘性人工边界或粘弹性人工边界等合理的人工边界条件，且侧向人工边界应避免采用固定或自由等不合理的边界条件。
层的选取范围，一般顶面取地表面，底面取设计地震作用基准面，水平向自结构侧壁至边界的距离宜至少取结构水平有效宽度的3 倍，如图3.2-3所示。
同时考虑以下两处情况。当地下结构埋深较深，结构与基岩的距离小于3倍地下结构竖向高度时，计算模型底面边界取至基岩面；当地下结构埋深嵌入基岩，此时计算模型底面边界取至基岩面以下。
当隧道或地下车站结构沿纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变，周围土层沿纵向分布一致时，可只沿横向计算水平地震作用并进行抗震验算，抗震分析可近似按平面应变问题处理。当结构形式变化较大，土层条件不均匀时需要按空间问题进行三维建模求解。
4、矿山法隧道抗震措施处理
1）矿山法隧道结构采用现浇整体钢筋混凝土结构，混凝土强度等级不低于C35；矿山法隧道采用复合式衬砌结构并采用带仰供的曲墙式衬砌断面。2）不同结构断面连接处、连接通道两侧、地层性质急剧变化处等，应设置变形缝。3）当结构位于可能产生砂土液化的或软粘土层以及处于易发生位移的地层时，在设计、施工中应采取技术措施4）加强初支背后和二衬背后的压浆工作，使围岩和初支、初支和二衬之间共同作用以利于抗震、避免形成汇水廊道。5）土岩交界面处岩层侧不小于1 倍洞室宽度范围内的衬砌断面划入Ⅴ级围岩衬砌断面，通过较强的衬砌结构抵御地震作用。6）土岩交界面处宜设置变形缝，满足地震作用下隧道的变形要求。
5、结语
时程分析法近些年越来越多的应用于地铁车站及区间抗震计算中，它主要是通过将地震波输入有限元软件中，能形象的模拟地震作用对地下结构的影响，相对于反应位移法，反应加速度法适用范围更广，但是计算也相对复杂，计算时间也较长。所以抗震计算方法及过程还应根据工程实际情况进行对比选取，因地制宜。
参考文献
[1]鲁嘉星，禹海涛，贾坚 软土地区地铁车站横断面抗震计算方法适用性研究[J].建筑结构，2014（23）:80-84.
[2]高智能，卓卫东，谷音，地铁地下结构抗震研究现状[J].福州大学学报.2013,41（4）.
[3]《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50505-2014）.
作者简介
王新野，32，男，工作单位：天津市市政工程设计研究院 职称：中级工程师。
论文作者:王新野
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/5
标签：结构论文; 隧道论文; 断面论文; 地下论文; 基岩论文; 土层论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第5期论文;