地?zé)嵩醋饔孟露軜?gòu)隧道地震響應(yīng)研究

關(guān)鍵詞：巖土工程；盾構(gòu)隧道；地?zé)嵩矗坏卣穑粩?shù)值模擬；有限元中圖分類號：TU435;[U25] 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A本文引用格式：，肖穎，梁壽，等.地?zé)嵩醋饔孟露軜?gòu)隧道地震響應(yīng)研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2025，42（2）：87-94.

Study on Seismic Response of Shield Tunnel Under the Action of Geothermal Source

Zhang Xuan’，Xiao Ying'，Liang Shou'， Yu Jiake2，WangRui3，HuLiming3

（1.CCCC-SHEB Third Engineering Co.，Ltd.，Xi'an710018，China;2.Zhejiang Huadong Geotechnical

Investigation amp; Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310o13， China; 3.School ofCivil Engineering， TsinghuaUniversity，Beijing10oo84，China）

Abstract：To investigate the seismic safety performance of shield tunnels under geothermal source effects，based on Xi'an Metro Line 10 project， finite element numerical simulation was adopted to reproduce the seismic response of shield tunnels under geothermal sources，and the influence of diferent relative positions between geothermal sources and the tunnel was analyzed.The results show that geothermal sources significantly amplify the stress levels in tunnel segments near the heat source while reducing the joint opening displacements in these areas，with minimal impact on sections far from the heat source.The distance between the heat source and the tunnelaffcts the stress levels in tunnel segments but has little influence on joint opening displacements.Geothermal sources significantly afect joint opening displacements and stress in shield tunnels near the heat source but have negligible impact on parameters such as acceleration and tilting angles.The research can provide reference for the design of similar working condition in the future.

KeyWords： geotechnical engineering; shield tunnel; geothermal source; earthquake; numerical simulation;finite

element

Citation format： ZHANG X，XIAO Y，LIANG S，et al.Study onseismic response of shield tunnel under the action of geothermal source[J].Journal of East China Jiaotong University，2025，42（2）： 87-94.

盾構(gòu)隧道作為城市軌道交通中的重要結(jié)構(gòu)，一般是由鋼筋混凝土管片和接頭螺栓連接而成，其抗震安全受到廣泛關(guān)注。在實(shí)際工程中，盾構(gòu)隧道在施工期和運(yùn)營期常遇到多種復(fù)雜荷載，如上部荷載、臨近結(jié)構(gòu)施工、地?zé)嵩O(shè)施等[2，尤其當(dāng)這些復(fù)雜荷載與地震共同作用時，會對盾構(gòu)隧道的抗震安全性提出更高的要求。地?zé)嵩O(shè)施常見于我國北方城市中，隨著西安、沈陽等城市地鐵不斷興建，盾構(gòu)隧道穿越地?zé)嵩O(shè)施的情況難以避免。地?zé)嵩O(shè)施，如地?zé)峁艿馈⒌責(zé)岜玫龋ㄟ^在隧道周邊形成非均勻的溫度場，使盾構(gòu)隧道內(nèi)部產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力較大時可能會降低盾構(gòu)隧道的抗震性能。因此，研究地?zé)嵩醋饔孟露軜?gòu)隧道的地震響應(yīng)，對保證其抗震安全性能有所助益。

針對盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)方面的研究開始較早，國內(nèi)目前已有大量相關(guān)研究，如Zhu等研究了簡化設(shè)計(jì)方法對可液化與不可液化土層中盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)的適用性，簡化方法對不可液化土中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算較為準(zhǔn)確，對可液化土中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算則誤差較大。目前也有一些學(xué)者對復(fù)雜條件下的盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)展開了研究，如張貫達(dá)研究了施工中穿越斷層破碎帶的盾構(gòu)隧道掌子面的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)掌子面位移與地震加速度峰值呈近似線性關(guān)系。吳宏等研究了穿越不同相對密度飽和砂土的盾構(gòu)隧道三維地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在交界處隧道更易發(fā)生破壞。這些工作主要聚焦于不同的土體特性對隧道地震響應(yīng)的影響，而針對熱源與地震共同作用下的隧道影響相關(guān)工作目前仍較少研究。張穩(wěn)軍等研究了地震和火災(zāi)耦合作用下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)損傷和防水性能，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道管片中震下仍有較好的防水性能，大震下防水性能完全喪失。因此，研究熱源與地震耦合作用下的隧道響應(yīng)可以為設(shè)計(jì)提供參考，具有一定的研究價值。

地?zé)嵩O(shè)施常布設(shè)于城市主城區(qū)地下空間中，在城市地鐵線路的建設(shè)過程中難免遇到盾構(gòu)隧道側(cè)穿地?zé)嵩O(shè)施的場景。西安地鐵10號線1標(biāo)段工程中，地鐵線路側(cè)穿地?zé)岜茫瑹岜门c盾構(gòu)隧道的最小距離約 3m ，出于安全考慮，需要分析熱源對盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)的影響。為此，提出將熱源產(chǎn)生的溫度荷載納入到動力時程計(jì)算中，采用熱-力耦合動力時程分析算法，探究熱源產(chǎn)生的非均勻溫度場作用下盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)。

以西安地鐵10號線工程為背景，采用ABAU-QUS有限元計(jì)算軟件模擬了熱源作用下盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)，并通過改變熱源的方位、距離等，研究了熱源與隧道相對位置對隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，分析了隧道管片的應(yīng)力水平、接頭的張開量、隧道傾斜角等地震響應(yīng)。本研究為未來類似工況如穿越地?zé)嵩O(shè)施的隧道、地下管道、深井等在設(shè)計(jì)上提供了參考。

1地?zé)嵩醋饔孟露軜?gòu)隧道的地震響應(yīng)

1.1數(shù)值計(jì)算模型

西安地鐵10號線1標(biāo)段項(xiàng)目中，東風(fēng)路站一未央湖站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，全長 2066.891m 。該區(qū)段盾構(gòu)側(cè)穿地?zé)岜茫瑹岜门c盾構(gòu)隧道的最小距離約 3m ，且該地區(qū)設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震動峰值加速度為 0.2g 。

根據(jù)西安地鐵10號線工程設(shè)計(jì)與實(shí)際勘察資料，本文在有限元軟件ABAQUS中建立了如圖1（a）所示的計(jì)算模型。土層共分為4層，從地表向下依次為回填土、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂。各層土均采用了考慮溫度效應(yīng)的摩爾-庫倫本構(gòu)模型，即在摩爾-庫倫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，加入了土體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)與比熱3個參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對土層在地?zé)嵩醋饔孟聹囟取⒆冃魏蛻?yīng)力的模擬。各土層的具體參數(shù)見表1，取值由地勘資料結(jié)合鄰近地區(qū)其他地鐵項(xiàng)目中的土層參數(shù)確定[7-8]。地震動如圖1（b）所示，截取了E1Centro波的前20s進(jìn)行計(jì)算，加速度峰值為 0.2g ，從土體底部水平輸入，土體左右兩側(cè)邊界為捆綁邊界，頂部為自由邊界，土體阻尼取為瑞利阻尼。

隧道管片模型如圖2所示，由6塊標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)隧道管片組成。隧道外徑為 6.2m ，厚 0.35m ，相鄰管片之間均由螺栓連接。管片采用考慮溫度效應(yīng)的混凝土隨動硬化模型，即在隨動硬化模型的基礎(chǔ)上加人了管片的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和比熱3個參數(shù)，具體參數(shù)見表2。螺栓采用ABAQUS中的非線性相互作用方式進(jìn)行模擬。管片和土體均采用溫度-變形耦合的平面應(yīng)變4節(jié)點(diǎn)單元（CPE4T）。

管片與土體的接觸設(shè)置為切向摩擦系數(shù)0.4，法向?yàn)橛步佑|。管片與管片之間切向摩擦系數(shù)為0.5，法向同為硬接觸。出于簡化考慮，設(shè)置管片與土體、管片與管片之間熱傳導(dǎo)無損失。

地?zé)嵩床贾萌鐖D1（a中紅色實(shí)線所示，位于隧道側(cè)邊，與實(shí)際工程背景一致。此外，為探究不同地?zé)嵩磁c隧道相對位置的影響，還設(shè)置了地?zé)嵩次挥谒淼理敳俊⒌撞浚约安煌嚯x的計(jì)算工況，具體計(jì)算方案見第2節(jié)。模擬中溫度邊界設(shè)置為土體頂部 20^°C 常溫邊界，隧道內(nèi)壁 30^°C 常溫邊界。需要指出的是，由于計(jì)算采用了二維平面應(yīng)變，地?zé)嵩磩t選用了線性布置，相較于實(shí)際工程會高估地?zé)嵩吹挠绊懀?jì)算結(jié)果從設(shè)計(jì)方面考慮較為保守。

計(jì)算步驟共有5步： ① 令未開挖的土層在重力作用下固結(jié)，產(chǎn)生初始應(yīng)力場； ② 應(yīng)力平衡后，利用ABAQUS中的生死單元功能進(jìn)行開挖，并激活隧道管片單元，重新平衡隧道和土體中的應(yīng)力場； ③ 令土體頂部和隧道內(nèi)部的溫度邊界生效，再次平衡應(yīng)力場； ④ 施加地?zé)嵩床⑸郎刂聊繕?biāo)溫度，計(jì)算至熱傳導(dǎo)平衡； ⑤ 施加地震動，記錄隧道管片的應(yīng)力、變形等。

1.2 數(shù)值分析結(jié)果

圖3給出了場地不同埋深處遠(yuǎn)場與近場土體的加速度時程。從不同埋深的遠(yuǎn)場和近場土體加速度反應(yīng)可以看出，在土層2，3，4中，遠(yuǎn)場和近場的地震加速度響應(yīng)均顯著減小，僅在土層1中發(fā)生了放大。同樣地，不同埋深處的遠(yuǎn)場和近場加速度峰值的差異表明了地下結(jié)構(gòu)在一定程度上會減少地震動的強(qiáng)度。

圖4給出了有熱源和無熱源作用下地表土體的加速度時程與盾構(gòu)隧道傾斜角時程。其中，隧道傾斜角定義為隧道頂?shù)字g最大相對位移與外徑之比[9-10]。從圖4中可以看出，隧道傾斜角的峰值出現(xiàn)于5.49s，峰值為 0.44% ，且有無熱源情況下，土體加速度與隧道傾斜角的時程曲線高度一致。這表明溫度變化對土體的影響較小，有無地?zé)嵩创嬖趯ν馏w的變形基本無影響，而地下結(jié)構(gòu)的變形受周圍土體的約束作用十分明顯，因此隧道的傾斜角同樣基本不受地?zé)嵩吹挠绊憽?/p>

圖5展示了有熱源和無熱源情況下，隧道管片各個方向的最大平均Mises應(yīng)力水平圖和放大倍數(shù)圖。最大平均Mises應(yīng)力為地震中該方向所有管片單元Mises應(yīng)力平均值的最大值，放大倍數(shù)為有熱源情況下最大平均Mises應(yīng)力與無熱源情況下最大平均Mises應(yīng)力的比值。從圖5中可以看出，在布置熱源的一側(cè)，Mises應(yīng)力顯著增加，最大放大倍數(shù)可達(dá)1.66倍；而在另一側(cè)熱源的影響基本消失，有熱源和無熱源的情況其Mises應(yīng)力基本相同。

頭6外緣的張開量時程曲線。從圖6中可以看出，對于接頭2＼～接頭5，有熱源情況下接頭張開量普遍減小，其中接頭3和接頭4最為明顯，這是由于熱源作用下，管片產(chǎn)生熱脹，限制了地震中管片的變形，而接頭3和接頭4距離熱源最近，限制最明顯[11-14]。接頭6位于熱源另一側(cè)，熱源基本無影響，其張開量與無熱源情況下基本一致。接頭1則發(fā)生了有熱源下張開量增加的情況，這主要是受到了接頭2的影響，由于塊1較小，接頭1與接頭2的變形相互影響顯著，兩者的張開量之和總是接近0。

2地?zé)嵩磁c隧道相對位置的影響

為了研究地?zé)嵩磁c隧道相對位置的影響，設(shè)計(jì)了如表3所示的模擬方案，主要分為兩類： ① 研究不同方位熱源作用下隧道的地震響應(yīng)，為方案1，方案2，方案3； ② 研究不同距離熱源作用下隧道的地震響應(yīng)，為方案1，方案4，方案5，方案6。其中方案1與1.2節(jié)中相同。

2.1 不同熱源方位的影響

若熱源位于隧道的不同方位，隧道周邊的溫度場會有顯著區(qū)別，隧道的地震響應(yīng)也會有所區(qū)別。

圖7給出了熱源位于不同方位時隧道各方向的最大平均應(yīng)力和放大倍數(shù)，其中放大倍數(shù)為與無熱源情況下Mises應(yīng)力的比值。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)熱源附近的放大倍數(shù)最大，熱源對側(cè)的Mises應(yīng)力基本無變化。當(dāng)熱源在上方時放大倍數(shù)最大，為1.82；當(dāng)熱源在下方時放大倍數(shù)最小，為1.51，但同時需要注意到熱源在上方時的最大Mises應(yīng)力值要小于熱源在側(cè)方和下方的最大Mises應(yīng)力值。

圖8給出了不同方位熱源情況下管片接頭2外緣的張開量時程曲線。當(dāng)熱源在上方和下方時，接頭張開量響應(yīng)規(guī)律與熱源在左側(cè)時基本一致，表現(xiàn)為靠近

0.3/魯 0.1 WWMMw-0.1左 上 下-0.30 5 10 15 20時間/s

熱源處的張開量顯著減小，遠(yuǎn)離熱源處的張開量與無熱源情況基本一致。以接頭2為例進(jìn)行分析，熱源在下方的情況中接頭與熱源相隔較遠(yuǎn)，此時張開量與無熱源的情況類似；熱源在上方和側(cè)方的情況中接頭與熱源較接近，此時張開量顯著減小。

2.2 不同熱源距離的影響

熱源距離對隧道的地震響應(yīng)存在影響，當(dāng)熱源足夠遠(yuǎn)時，隧道的地震響應(yīng)與無熱源的情況一致。圖9給出了熱源在左側(cè)不同距離時各方向的最大平均Mises應(yīng)力圖與放大倍數(shù)，其中放大倍數(shù)為與無熱源情況下Mises應(yīng)力的比值。從圖9中可以看出，距離增加熱源的影響減小，當(dāng)距離為 2m 與 3m 時，兩者的Mises應(yīng)力接近，可以判斷當(dāng)熱源距離大于 2m 時，熱源的影響趨于穩(wěn)定。距離為 0.1m 時，放大倍數(shù)最大為2.24，而實(shí)際工程的距離一般大于0.1m ，因此該值可作為設(shè)計(jì)中的保守估計(jì)。

圖10給出了距離為 0.1m 和 1m 情況下接頭2外緣的張開量時程曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩者十分接近，表明熱源距離對接頭的張開量影響較小。其余接頭以及距離為 2m 和 3m 的情況與此類似，因此這里不再贅述。

3結(jié)論

以西安地鐵10號線工程為背景，采用了ABAQUS有限元數(shù)值模擬的方法，研究了地?zé)嵩醋饔孟露軜?gòu)隧道地震響應(yīng)，并分析了不同方位與熱源距離的影響，得到以下結(jié)論。

1）地?zé)嵩醋饔孟拢馏w的加速度與無地?zé)嵩磿r基本一致，表明土體變形基本不受地?zé)嵩从绊憽Ｋ淼赖淖冃我才c無地?zé)嵩磿r基本一致，基本不受地?zé)嵩从绊憽?/p>

2）地?zé)嵩醋饔孟拢拷鼰嵩刺幩淼拦芷腗ises應(yīng)力顯著增加，接頭張開量減小；遠(yuǎn)離熱源處隧道管片的Mises應(yīng)力與無熱源時相近，接頭張開量也相近。

3）熱源位于不同方位時，管片的Mises應(yīng)力與接頭張開量變化規(guī)律基本一致。隨著熱源距離增加，管片的Mises應(yīng)力減小，但接頭張開量基本不變。

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第一作者：張玄（1986一），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)檐壍澜煌ê褪┕そㄔO(shè)管理。E-mail：1586827@qq.com。

通信作者：余嘉軻（1996一），男，博士，研究方向?yàn)橥羷恿W(xué)和土工抗震工程。E-mail：yu_jiake@qq.com。

（責(zé)任編輯：吳海燕）