大跨度明挖現澆隧道工程結構抗震分析

◇華設設計集團股份有限公司 杜偉

本文以蘇州市某淺埋明挖城市隧道為研究對象，采用靜力計算法和非線性動力時程分析法，對隧道復雜大跨結構的抗震性能進行對比分析，分析了典型軟土地層中淺埋隧道結構的抗震安全性能，分析結果表明，在設防地震作用下，地震對結構的安全性影響較小，結構未進入塑性階段，對工程實踐具有一定的參考意義。

城市地下隧道是城市交通和生命線的重要組成部分，隧道結構的抗震性能對保證城市交通安全非常重要[1]。1995年日本Kobe 大地震[2]城市地鐵大開車站和上澤車站的嚴重倒塌破壞地震作用導致地下結構大量倒塌破壞的第一次記錄[3]，之后關于地震作用下結構破壞的報道逐漸增多，如1999年土耳其Duzce7.8級大地震[4]，1999年我國臺灣集集7.3 級地震[5]，2008年汶川8.0級地震[6]，2013年雅安7.0級地震[7]等。這些強震區地鐵車站和區間隧道工程遭受了大量破壞，促進了各國學者逐漸意識到地下結構抗震問題的重要性，推動了地下結構抗震分析和評價理論的進步和發展。

1 工程概況

本文依托蘇州市某城市隧道工程，采用明挖法施工，主線隧道為設計速度80km/h的雙向六車道城市快速路，隧道暗埋段結構為兩孔一管廊結構型式，根據建筑方案，折板拱斷面型式用于覆土深及分合流鼻端，分合流鼻端折板拱結構單孔凈寬22.85m，凈高8.15～9.30m。

圖1 主體結構橫斷面示意圖（單位：m）

2 抗震設計標準

依據《建筑工程抗震設防分類標準》《中國地震動參數區劃圖》《建筑與市政工程抗震通用規范》《地下結構抗震設計標準》，抗震設防標準如下所示。

（1）結構設計使用年限：100年。

（2）抗震設防烈度為：結構按7度抗震設防烈度要求進行結構抗震承載能力、變形驗算，并按8度設防采取相應的抗震構造措施。

（3）地表設計地震加速度幅值：設防（E2）地震取50年超越概率10%的0.125g（III類場地）、0.1g（II類場地）；罕遇（E3）地震取50年超越概率2%的0.220g（III類場地）、0.220g（II類場地）。

（4）工程抗震設防分類：乙類（重點設防）。

（5）抗震等級：三級。

3 靜力計算分析

主體結構靜力計算簡圖見圖2。

圖2 荷載計算簡圖

主體結構承載能力極限狀態基本組合及正常使用極限狀態標準組合的內力計算結果如圖3～4所示。根據計算結果知，在主線頂板中支座、主線頂板跨中、主線底板跨中、主線底板中支座、主線中隔墻底部、主線中隔墻頂部等部位彎矩值大，對配筋和結構尺寸起作用控制。

圖3 承載能力極限狀態基本組合彎矩圖

圖4 正常使用極限狀態準永久組合彎矩圖

4 地震作用計算分析

時程分析法將地震運動視為一個隨時間而變化的過程，并將地下結構物和周圍巖土體介質視為共同受力變形的整體，通過直接輸入地震加速度記錄，在滿足變形協調條件的前提下分別計算結構物和巖土體介質在各時刻的位移、速度、加速度，以及應變和內力，并進而驗算場地的穩定性和進行結構截面設計。

4.1 地震波

兩條實測波選用典型地震波EIcent-t波和Kobe波，人工波選用場地地震安全性評價報告提供的蘇州波，在設防和罕遇作用下的地震動加速度時程如下。

（1）E2地震作用（重現期475年）：50年超越概率10%的地震波時程，加速度幅值76.356cm/s2，積分步長0.02s，持時40s。

圖5 人工波設防地震動加速度時程曲線

（2）E3地震作用（重現期2450年）：50年超越概率2%的地震動時程，加速度幅值-138.324 cm/s2，積分步長0.02s，持時40s。

圖6 人工波罕遇地震動加速度時程曲線

在采用以上三條地震波開展時程分析法時，按照相應設防地震和罕遇地震的地表設計地震加速度峰值為基準進行調幅。

4.2 抗震計算模型

橫向地震作用時程分析建立非線性時程分析計算模型及隧道結構模型見圖7。場地類別為II類場地，模型深度取覆蓋層厚約50m，兩側范圍分別取大于結構寬度的3倍長度進行延展，模型兩側采用自由場邊界，底部水平向自由，豎向約束，并通過大質量法輸入基巖加速度。

圖7 非線性時程分析模型

圖8 隧道結構模型

4.3 截面內力

在橫向設防地震作用下，分別計算地震作用下對應的內力值。

（1）設防地震作用下結構內力結果（見圖9）。

圖9 設防地震作用下彎矩圖

（2）截面抗震驗算。

將不同荷載和方向下的地震工況下的軸力、剪力和彎矩值分別列于下表之中，通過對比發現，抗震工況對本結構不起控制作用。

（3）罕遇地震作用下隧道結構變形結果。

表1 控制截面內力驗算表

表2 罕遇地震作用下隧道結構變形驗算

5 結論

本文以某城市隧道分合流段復雜結構為研究對象，采用非線性時程分析法，對設防地震作用下結構的抗震性能以及罕遇地震作用下結構的變形情況進行了分析，主要結論如下：①在設防地震作用下，對各個斷面的關鍵控制截面進行了配筋驗算、抗剪驗算、裂縫控制驗算，構件各截面及配筋均滿足抗震設計要求。各構件截面尺寸及配筋均由正常使用極限狀態的準永久組合使用工況下的計算控制，地震工況不起控制作用。結構未進入或局部進入彈塑性工作階段，抗震變形驗算滿足抗震規范要求。②結構總體滿足抗震設防性能要求，抗震設計的重點是加強抗震構造措施。抗震措施按照本地區抗震設防烈度提高一度的要求確定。