沉管隧道抗震研究綜述

楊萬理，寧杰鈞，楊 通，秦軍武

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

沉管隧道即為用沉管法修建的水底隧道，自1910年世界上首座沉管隧道——美國底特律水底鐵路隧道修成以來，沉管隧道已有百余年的發展歷史。與橋梁結構相比，沉管隧道以其不影響水面船只正常航行、受氣候因素影響較小、抗震性能較好等特點，在大型越江、跨海工程中得到了廣泛應用。20世紀90年代前，日本學者認為地震引起隧道的振動是和大地同步的，因此隧道能承受地震引起的振動，能保證隧道交通的安全。但在1995年日本阪神大地震發生之后，當地的地鐵隧道發生嚴重的破壞，這種嚴重的破壞當時在日本屬于首次，推翻了日本專家認為隧道結構抗震能力強、安全的定論[1]。我國地屬地震高發區，地震的頻發同樣從不同程度上造成了隧道結構的損壞，沉管隧道的抗震研究越來越引起重視。本文總結了大量國內關于沉管隧道抗震研究的文獻資料，并通過這些文獻研究的成果對下一步的研究進行展望。

1 研究方法進展

針對沉管隧道所開展的抗震研究一般可分為兩類——模型試驗與數值模擬，模型試驗往往需要投入大量人力物力，試驗進行的周期較長，且在地震波輸入方式、相似理論設計、模型箱設計等存在的問題還未能找到有效的解決方法[2]。關于數值模擬理論基礎的研究已比較透徹，能夠有效地模擬沉管隧道在各種工況下受到地震波的作用，操作簡便，結果也較為接近實際的數據。

1.1 數值分析方法的研究進展

目前，常見的用于沉管隧道抗震分析的計算方法主要有：反應位移法、BART法、質點-彈簧法、動力有限元法等。反應位移法是由日本學者于20世紀70年代提出的，較早應用于日本規范中，該方法首先需要計算地震作用下地基土體的位移，并將此位移作為地震荷載作用到采用地基梁來模擬隧道結構上，充分考慮了地下結構地震作用的反應特點，能較為真實反映其受力特性。BART法是用于美國舊金山市海灣快速軌道運輸系統(BRAT)的抗震設計方法，該方法主要是以已知的地震波動為基礎求出其地震參數，并根據地基土參數和隧道結構自身的剛度，求出其地震作用下的振幅與波長，從而求出隧道結構的地震響應[3]，但該方法只能求出某種特定的地震波作用下的地震響應，局限性較大。日本學者對其缺點作出改進，提出了質點-彈簧法，充分考慮了軸向地基不均勻性而導致地震波特性發生改變的情況，將土體-隧道結構簡化成一系列沿縱向劃分的質點-彈簧模型，以振動理論為基礎求解其地震作用下的響應，該方法的計算精度較高，直到近代以來仍有許多沉管隧道工程是以這種方法來進行計算的，但此方法無法真實模擬管節及節段接頭動力特性。動力有限元法則是將整體的隧道結構劃分成有限元單元網格，合理考慮邊界條件后，輸入地震波進行動力響應分析[4]，精度較高，能較好模擬實際的工程情況，但往往計算量比較大，然而隨著計算機技術的不斷發展和有限元軟件功能的日益強大，此方法已逐漸成為沉管隧道抗震分析的主流方法。

國內許多學者同樣對抗震分析方法研究的發展作出了很大的貢獻。韓大建等[5-6]基于質點-彈簧模型提出了時程響應法與行波法的抗震分析方法，并分別對廣州珠江水下隧道進行了實例計算。嚴松宏[7]在日本學者所提出的沉管隧道數學模型的基礎上進行了改進，提出隧道整體地震反應的離散化分析方法，并以此為基礎建立了南京長江沉管隧道的離散化分析模型，針對沉管隧道接頭的力學性能進行了分析[8]。高峰等[9]采用三維有限元模型分析南京長江沉管隧道管段和接頭處的應力響應，以粘-彈性人工邊界來模擬地基的無限性，運用Newmark隱式時間積分方法計算了各個工況下沉管隧道的地震反應。劉晶波等[10]針對工程中運用反應位移法的一些問題，提出了采用土-結構相互作用模型進行分析的整體式反應位移法，采用此方法對阪神地震中遭到嚴重破壞的大開地鐵車站為背景進行抗震計算分析，并與動力時程法、傳統反應位移法所求得的結果進行對比分析，驗證了其可行性。

1.2 模型試驗的研究進展

國內針對沉管隧道抗震開展的模型試驗研究起步較晚，一是花費巨大，二是尚存在許多理論問題有待解決。數值模擬只是通過計算機進行數值計算來求得相應結果，往往不具有說服力；模型試驗相比于數值模擬來說更能反映實際工程情況，更能直觀地分析工程問題，因此，對沉管隧道抗震研究來說，模型試驗也是十分重要的。

袁勇等[15]以港珠澳大橋沉管隧道為工程背景，基于由4臺面振動臺組成的線狀多功能試驗系統，考慮沉管隧道非一致地震激勵，開展了超長沉管隧道的多點振動臺模型試驗，設計并制作了由4個主動箱和8個隨動箱組成、長達40 m的節段式模型箱，用于振動臺多點輸入，試驗最終獲得了隧道管節振動特征、特定部位的加速度、管節接頭最大張開量等數據。閆維明等[16]進行了關于沉管隧道減震方面的研究，基于調諧液體阻尼器TLD理論，設計出了一種阻尼器腔體與受控結構剛性連接的顆粒阻尼器-隔艙式顆粒阻尼器，并在1/60的沉管隧道縮尺模型上進行了有、無阻尼器兩種情況下的振動臺試驗，由實驗結果對比分析得，隔艙式顆粒阻尼器能夠有效地降低主體結構縱向的響應峰值、縱向基頻等，減震效果較為顯著。程新俊等[17]以港珠澳大橋沉管隧道為工程背景，進行了幾何相似比為1/30的沉管隧道振動臺試驗，考慮了管節接頭、地基土以及上覆水的影響，設計了干砂場地、飽和砂土場地、飽和砂土場地包含上覆水3個試驗，分別研究了其對沉管隧道地震作用的影響。并對結果進行了分析與比較。張學明等[18]為了研究沉管隧道結構及其接頭的抗震性能，以廣州洲頭咀沉管隧道為工程背景，進行了幾何相似比為1/60的大型振動臺試驗，對相鄰振動臺作動器的啟動設置相應的時間差來模擬行波效應，研究其對沉管隧道整體及其接頭的地震響應。

2 沉管隧道抗震研究進展

2.1 沉管隧道地震響應研究

沉管管節通常是由工廠預制而成的，剛度較大，整體性較好，在地震作用下發生嚴重破壞的可能性較小，管節接頭是連接各個節段的重要結構，在水下的受力情況復雜，對密封防漏性能有著極高的要求，其中又含有GINA止水帶、OMEGA止水帶、剪力鍵等關鍵部件，因此對接頭處的地震響應問題尤為值得關注。其中，文獻[8、11-13、19-27]等都對沉管隧道接頭處的地震響應做出了深入研究，其相對位移、止水帶張開量、荷載等物理量是衡量沉管隧道整體抗震性能的重要指標。

2.2 水對地震響應的影響

在以往的沉管隧道抗震研究中，將沉管隧道簡化成質點-彈簧體系模型來進行計算，通常都是不考慮水的作用，在有些研究中則是以附加質量來代替水的影響[19]，這都與實際工程的情況有所出入，無法很好地模擬水與固體-土體的耦合作用。彭海闊等[20]運用有限元分析軟件ANSYS建立了以上海外環線沉管隧道為工程背景的沉管隧道-土壤-流體相互作用的有限元模型，采用Newmark積分方法研究了不同水深條件下動水壓力對結構抗震的影響，分析結果得出了在水平地震作用下動水壓力對結構影響較小，在豎向地震作用下動水壓力影響則較大等結論，并指出在結構發生豎向振動時流-固耦合作用不能忽略。程新俊等[17]在其模型試驗中考慮了地基土中的水以及上覆水對結構的影響，主要考察了模型土層的加速度、結構的加速度、結構應變以及土層孔壓等物理量，得出了在有上覆水的飽和砂土中，地震模型結構的上述物理量無顯著影響的結論，而干砂地基與飽和砂土地基的條件下，結構的地震響應存在較大的差異，同樣印證了水對結構的地震響應有很大影響。

2.3 地震波入射角度對地震響應的影響

地震波入射角度在沉管隧道的抗震研究中經常被忽視，在過往許多學者的研究中，地震波入射往往都是采取與結構垂直的入射方式，然而在實際工程中，地震發生的方位難以進行準確的預測，空間關系較為復雜，因此在地震波斜入射情況下的地震響應問題也應該予以重點考慮。張旭等[12]在研究天津海河沉管隧道接頭抗震問題時，考慮了地震波入射角度的問題，在建立三維有限元模型后，對地震波入射的角度進行了調整，得出了當地震波入射角度為90°時引起的管節接頭相對位移最大的結論。周鵬等[22]利用有限元分析軟件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整體三維有限元模型，采用粘-彈性人工邊界，考慮了海水與海床土的耦合效應，將地震作用轉化為人工邊界上的等效荷載，分析地震P波從不同的角度入射對隧道結構的影響，在其研究中指出了沉管隧道結構的地震動力響應會隨著地震動入射角度不同發生很大變化，在抗震設計時應予以考慮。

2.4 非一致激勵對地震響應的影響

沉管隧道一般都為長線型結構，地震波沿軸向傳播過程中往往會存在相位差，因此在不同邊界點上產生的地震響應存在差異。周云東等[26]人工合成考慮了地震動隨機性和傳播特性的多點地震動，在場地土基巖層底部分別施加一致輸入、行波效應、相干波及行波加相干波的地震激勵對有限元模型進行抗震研究，計算結果表明，非一致激勵會顯著增加隧道結構的地震響應。張學明等[18]進行了考慮行波效應的沉管隧道模型振動臺試驗，設計了裝配式模型箱來模擬非一致地震激勵的工況，得到了各個工況下土與隧道的加速度響應、接頭加速度響應、接頭軸力、接頭彎矩與變形等數據，分析并指出地震一致激勵下，隧道結構與周圍土體的運動情況較為一致，這與其他學者在數值模擬中得到的結論相似；在地震行波激勵下，隧道結構與周圍土體會產生相對滑移，且地震響應比一致激勵的情況下大。

2.5 溫度變化對地震響應的影響

與一般的地下結構不同，沉管隧道結構長期在水下工作，且埋設深度一般較淺。由于水的比熱容較大，在白天受到陽光直射，溫度上升較快，夜晚溫度則迅速降低，會產生一定的溫度差，溫度的變化在季節的更替中更為明顯。沉管隧道管節接頭中含有GINA止水帶等橡膠制成的重要部件，溫度變化會對其工作性能產生一定的影響，因此溫度變化對沉管隧道接頭處地震響應產生的影響問題同樣值得去深入研究。李貞新等[14]采用其提出的超長沉管隧道地震響應快速分析方法，對港珠澳大橋沉管隧道分別在升溫及降溫工況下進行了抗震分析，指出季節變化導致的溫度變化會對節段式沉管隧道地震響應產生較大的影響，尤其是對沉管的管節接頭變形量、豎向剪力鍵剪力、水平剪力鍵剪力等。李萬里等[27]基于反應位移法的基本原理建立了考慮接頭彈簧剛度和土彈簧剛度影響的縱向梁-彈簧有限元模型，并采用地震波非一致激勵的輸入方式，研究升降溫工況下沉管隧道接頭的地震響應，研究得出升溫工況下管節接頭的剛度提升、張開量減小，對抗震是有利的；降溫工況下管節接頭的剛度降低、張開量增大，對抗震是不利的，在抗震設計中應以降溫工況作為控制工況。

3 研究展望

我國關于沉管隧道的研究起步較晚，但隨著港珠澳大橋沉管隧道工程的順利建成通車，標志著我國沉管隧道建造技術已經步入世界前列。由于地震產生的巨大破壞性以及發生的不可預知性，抗震研究應始終著重關注，要深入了解沉管隧道在地震作用下的受力作用，才能有效提高沉管隧道結構的安全性。沉管隧道的抗震研究今后還可以從以下幾個方面進行深入探索。

3.1 數值模擬方面

(1)在考慮沉管隧道有限元模型“邊界效應”時，往往采用的是粘-彈性人工邊界消除邊界對地震波的反射作用，精度較低，以后可考慮用更高精度的人工邊界來代替。

(2)在建立地基土的有限元模型時，往往認為土層是水平均勻分布的，這與實際場地中土層的分布顯然不符，需要對更能真實反映實際工程場地情況的建模方法開展深入研究。

3.2 模型試驗方面

(1)針對沉管隧道接頭模型可以進行更精細化的處理，對接頭處的地震響應進行著重研究。

(2)結合工程實際，考慮更多復雜場地的參數。

(3)對試驗模型箱開展更深入的研究，找出能更好能消除“邊界效應”的模型箱，以準確地模擬實際工程的邊界條件。

(4)小尺寸的模型試驗的精度、合理性需要開展更多研究。