城市深埋雨水調蓄系統地震響應分析

燕 曉

(上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092)

0 引言

由于極端氣候頻現，以北京、上海為首的國內許多城市近年來都面臨內澇頻發、徑流污染、雨水資源大量流失、生態環境破壞等諸多雨水問題，在城市建設中構建完善雨洪管理系統越來越受到關注[1]。2013年，國家提出建設“海綿城市”這一概念，即：現代城市應該像海綿一樣具有吸納、凈化和利用雨水功能，以及應對氣候變化、極端降雨的防災減災、維持生態功能的能力。建造城市深埋調蓄系統正是建設“海綿城市”的重要手段，國外很多城市建設了包括調蓄隧道、泵站和雨水處理廠在內的深層排水調蓄管道系統，以達到排水、防洪、污水處理等多種目的。而本文的研究重點是調蓄系統中的豎井、隧道以及綜合設施結構。

近十年來，國內地震災害頻發，汶川、玉樹等地震[2]波及范圍廣、造成的損失嚴重，土木工程抗震也越來越引起人們的重視。而地下結構因埋于土層中，一旦發生破壞難以修復，因此，國家和地方抗震規范規定的地下結構抗震驗算的標準高于地上結構。2016年，上海市住房和城鄉建設管理委員會發布了《上海市市政（公路）公用設施抗震設防專項論證管理辦法》，進一步加強對地下結構抗震設計的監督和管理。城市調蓄系統具有結構形式多樣、地層條件復雜、施工難度大等特點[3]。因此，地震作用對城市深埋調蓄系統的影響不可忽視。

目前，國內外對地下結構抗震問題的研究方法主要有理論分析、模型試驗和數值模擬等。對于處于復雜地層條件、結構形式多樣的地下結構，理論分析方法并不適用。模型試驗法針對工程實際情況，依據相似理論制作試驗結構模型，根據需求還要制備模型土以模擬地下結構周圍的土層[4]。這種方法耗時長、經濟成本高，并不適用于工程的快速安全評估。數值模擬方法能綜合考慮結構的真實性、地層的復雜性、工況的多樣性等特點，相較其他方法有較為明顯的優勢。地下結構抗震分析的數值計算方法多種多樣，其中又以三維時程分析法最具有高仿真性。陳向紅等[5]采用三維動力時程法分析了水下隧道附屬豎井的橫向地震響應，研究了在不同圍巖環境中豎井響應的區別；于新杰等[6]研究了南京長江沉管隧道豎井和豎井各板的最大地震響應情況；肖夢倚和費文平[7]研究了半埋式深豎井的地震響應規律，并評估了其抗震安全性。但上述的研究對象均為方形豎井且結構簡單，對于同時考慮復雜結構形式和場地條件的豎井結構的研究尚未見報道。

本文以某工程為例，建立包括場地、隧道、豎井以及綜合設施結構的三維有限元模型，考慮土與結構的動力相互作用和場地無限元邊界等眾多因素，進行有限元模型地震激勵數值模擬，通過結果分析對城市深埋調蓄隧道的地震安全性進行了評估。

1 城市深埋調蓄系統

整個城市深埋調蓄系統一般由主線隧道、二、三級管網、綜合設施、豎井及污水處理廠等多種類型的建、構筑物組成。雨洪來臨時，大量的雨水涌入豎井，井內設置豎向旋流渠道以減小雨水下落時的沖擊勢能。通過豎井將雨水貯存在隧道和管網內，待雨洪過后，將管內雨水、污水進行凈化，然后排出，見圖1。

圖1 深埋調蓄隧道工作流程

大城市中的淺層地下空間一般已被地鐵、地下停車場、地下商業中心等占據，城市調蓄系統只能在深層地下空間建設。因此，豎井的開挖深度和隧道的埋置深度均較大。除此之外，豎井結構上部與調蓄系統的綜合設施合建，下部與盾構隧道相連，結構形式復雜，因此有必要對其進行抗震安全評估。本文以豎井、綜合設施和隧道連接處為研究對象，開展了三維動力時程抗震分析。

2 計算模型

本文以某在建的深埋調蓄系統工程為研究對象，建立三維有限元數值模型，研究系統中豎井、隧道和綜合設施的連接處的地震響應。其中，豎井為圓形，直徑33.8 m，深度63.5 m，采用地墻圍護；隧道工程采用盾構法建設，隧道內徑10 m，管片厚度0.65 m，基本埋深50 m；綜合設施為4層框架結構，每層板均與豎井內的每層圓形隔板連為一體。

根據工程所在城市的總體地質條件和工程場地的地質勘查狀況，數值模型的計算深度取155 m。依據實際場地勘察資料進行場地的建模，從地表向下將場地劃分為16層。各土層模型均簡化為水平層，土層參數見表1。

表1 土層參數

場地模型采用實體單元建模，豎井、隧道結構及綜合設施的板、墻采用殼單元，綜合設施的梁、柱采用梁單元。數值模型以豎井為中心，水平范圍內橫、縱向均取300 m場地范圍，滿足場地邊界大于結構（3～5）D[8]的要求。場地模型底部約束豎向自由度，頂面為自由邊界。場地與結構的法向相互作用定義為硬接觸，切向為摩擦接觸。隧道模型采用剛度折減的連續結構等效帶有大量接頭的不連續拼裝管片結構，橫向和縱向剛度折減系數根據文獻[9]和文獻[10]取值，豎井與隧道、綜合設施均為剛性連接。最終建立的三維數值模型尺寸300 m×300 m×135 m，共計單元147 856個、節點152 350個，見圖2。

3 模擬結果分析

本文動力時程分析所用的地震波為上海人工波，見圖3。根據《建筑抗震設計規范》[11]，深埋調蓄系統結構為重點設防類，需考慮設防烈度地震和罕遇地震兩種荷載等級下的動力響應；另外，由于結構形式為非對稱，需分別考慮結構縱向（平行于隧道軸向）和橫向（垂直于隧道軸向）的地震響應，計算工況見表2。

圖2 有限元模型

圖3 上海人工波

表2 計算工況

為研究地震作用下隧道不同位置的動力響應規律，選取隧道與豎井連接處、隧道中部（距隧道與豎井連接處50 m）和隧道遠端位置（距隧道與豎井連接處100 m）的加速度時程曲線進行對比，見圖4。所選取三處位置的加速度響應波形基本一致，但隧道與豎井連接處的加速度響應大于其他兩處，最大加速度峰值達到0.2 g；隧道中部和隧道遠端的峰值加速度分別為0.15 g和0.13 g。

圖5為豎井與隧道連接處、豎井頂部及底部的加速度時程曲線。由圖可見，由于豎井與隧道連接處距離豎井底部較近（約12 m），故二者震動波形相似；豎井頂部距底部近60 m，受場地土體等因素的影響，其震動波形與底部略有不同。與圖6結果相似，豎井與隧道連接處地震響應最大，峰值加速度0.24 g，此處為結構體系的薄弱部位，地震過程中有應力集中發生。

圖4 隧道不同位置的加速度響應

圖5 豎井不同位置的加速度響應

圖6為綜合設施結構底板、中間板和頂板的加速度時程曲線。三處加速度響應波形相似，中板和頂板的響應較頂板有略微滯后，體現了地震波由下向上的傳播路徑。頂板的地震響應最大，中板次之，底板最小。

圖6 綜合設施不同位置的加速度響應

由上述計算結果可見，相較于其他位置，豎井與隧道連接部位的地震響應最大。因此，有必要對該處的內力進行驗算。設防烈度地震作用下，豎井的最大彎矩和相應的軸力見圖7。

圖7 地震作用下豎井最大內力

根據《建筑抗震設計規范》[11]的規定，對靜力工況下的結構內力和設防烈度地震引起的內力增量進行組合，見表3。地震作用組合后的彎矩和軸力均小于靜力工況的結果。

表3 豎井結構內力

根據規范要求，除設防烈度地震作用下的結構內力外，還需對設防烈度地震和罕遇地震作用下的結構變形進行驗算。綜合設施結構為4層，每層板均與豎井內的隔板剛性相連，可看作一個整體。規范規定以結構的層間位移角作為變形驗算的判別指標，本文結構的層間位移角見表4。結構各層的層間位移角均小于規范限值，滿足要求。

基于數值分析結果，結構設防烈度地震作用組合內力小于靜力工況的內力，彈性變形和彈塑性變形均小于規范限值。因此，可認為在本文地下工程中，地震作用不起控制作用。

4 結論

本文以城市深埋調蓄系統中的豎井-綜合設施-深埋隧道結構體系為研究對象，建立三維有限元模型，以時程分析法研究了結構體系的地震響應并對結構體系的地震安全性進行了評估。豎井結構上盾構隧道進出洞處的地震響應大于結構體系的其他部位，該處內力亦遠大于其他部位，因此需采取措施進行加強。此外，對設防烈度地震作用下的結構內力進行驗算，地震作用組合內力小于靜力工況設計組合內力；對罕遇地震作用下的結構變形進行驗算，結構最大層間位移角小于規范限值，可認為對于本文結構體系，地震力不起控制作用，結構在地震作用下處于安全狀態。本文研究結果不僅可為今后的工程抗震設計提供理論依據，而且對指導和完善設計工作具有實際意義。

表4 結構層間位移角

[1]仇保興.海綿城市(LID)的內涵、途徑與展望[J].給水排水,2015(3):11-18.

[2]莊衛林,陳樂生,裴向軍,等.汶川地震公路震害分析-橋梁與隧道[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]林忠軍.深層隧道排水系統在城市排水規劃中的應用[J].城市道路與防洪,2014(5):143-147.

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[5]陳向紅,陶連金,陳曦.水下隧道附屬豎井的橫向地震響應研究[J].科學技術與工程,2016,16(13):273-278.

[6]于新杰,張鴻儒,王逢朝.南京長江沉管隧道豎井地震反應分析[J].北方交通大學學報,1999,23(4):61-64.

[7]肖夢倚,費文平.半埋式深豎井結構的三維動力響應特征[J].武漢大學學報,2015,48(1):34-38.

[8]樓夢麟,潘旦光,范立礎.土層地震反應分析中側向人工邊界的影響[J].同濟大學學報,2003,31(7):757-761.

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[10]何川,蘇宗賢,曾東洋.盾構隧道施工對已建平行隧道變形和附加內力的影響研究 [J].巖石力學與工程學報,2007,26(10):2063-2069.

[11]GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S ].