铁道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３．１９９５（２０１３）１０ ００４４．０３ 盾构隧道结构横向抗震设计关键技术探讨 陈勇勤 （浙江公路水运工程监理有限公司，浙江杭州３１０００４） 摘要：基于某沿江城市新建越江盾构隧道横断面结构的抗震设计，采用了拟静力法之一的地震系数法计 算，再利用动力有限元的惯性力法进行检验，得到了隧道项部位移时程曲线、顶底间的相对位移时程曲 线、管片衬砌结构的内力图和变形图。得出的结论可以为本工程盾构隧道抗震设计和施工提供理论参 考，针对盾构隧道横断面结构抗震设计采取的方法也可为类似工程设计提供参考。 关键词：隧道工程 盾构隧道横向抗震设计 地震系数法 惯性力法 中图分类号：Ｕ４５２．２ ８文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３。１９９５．２０１３．１０．１４ 随着城市基础设施，尤其是交通土建设施建设的 大发展，国内外越来越多的城市开始新建地铁以及越 江盾构隧道，且具有断面越来越大，结构趋于复杂的特 点 。根据我国的地震板块区域图可以看出，我国较 地震活动期的后期和下一个地震活动期的平静期，可 忽略发震断裂错动对建筑物的影响。江河地段（盾构 段）场地类别为Ⅱ类，特征周期值为０．３５ ｓ，设计基本 加速度值为０．０５ｇ，设计地震分组为第一组。根据场 地７度地震条件下液化判定及统计结果，场地２０ Ｉｎ深 多的城市都处于地震高烈度地区，地震灾害将直接威 胁着既有及新建盾构隧道的运营安全和使用寿命。如 １９８４年南黄海的五级以上地震，使上海打浦路越江隧 道在１，２号井与隧道连接处向井内滑动，漏水点增加； １９８５年墨西哥城发生７．８级地震，城内地铁一度中 断；１９９５年日本阪神地震中，神户市部分地铁车站和 区间隧道受到不同程度的破坏。抗震分析已成为隧道 等地下结构工程设计必不可少的一部分。 从工程设计角度出发，为了确保盾构隧道在运营 度内松散粉细砂层、稍密粉细砂层均为可液化土层，其 它土层为不液化土。松散粉细砂层对拟建越江盾构隧 道影响不大，可不予考虑。稍密粉细砂层主要在盾构 出口段略有出露，但埋深已超过１５ ｍ，根据经验亦不 予考虑。 本工程按１００年基准期超越概率１０％的地震动 参数设防（地震烈度６．５度，基岩峰值加速度６９．３ ｃｍ／ｓ ），并按超越概率２％的地震动参数验算。 １．２设计原则 中的安全稳定，保证既有设施的变形、沉降和附加应力 不超过允许值，必须对其在地震中的内力情况进行必 要的分析判断，以便在结构设计中考虑必要的安全措 施 。在这一背景下，本文对新建过江盾构隧道的横 断面采用地震系数法和惯性力法做抗震设计，并进行 １）地下结构抗震设计，主要是保证结构在整体上 的安全，允许出现裂缝和塑性变形。 ２）结构应具有必要的强度，良好的延性。 ３）使结构具有整体性和连续性，在装配式钢筋混 凝土结构设计中，要采取必要的措施，加强管片间连 接，使之整体化。 ４）因地震波长通常总比隧道短，故地下结构纵向 将产生不同相位的变形。再者在隧道沿线地层突变 处，不同形状、刚度的结构连接处均存在一定的变形， 故应设置必要的抗震缝（变形缝），允许其在一定限度 内变形。 分析研究，以供工程设计和施工参考。 １ 工程背景及设计原则 １．１工程背景 研究依托某沿江城市的一条新建越江盾构隧道， 盾构隧道横断面外径Ｄ＝１０ Ｉｎ，衬砌厚度为０．４５ ｍ， 幅宽为２ Ｉｎ。根据该市地震工程研究院提供的《盾构 隧道工程场地地震安全性评价报告》，本拟建场地不 存在发生强震的构造环境和条件，在未来１００年处于 收稿日期：２０１３—０６．２４；修回日期：２０１３—０７—１０ ２盾构隧道横断面抗震设计 ２．１设计方法 隧道横断面抗震分析只考虑水平地震作用，采用 作者简介：陈勇勤（１９７５一），女，四川眉山人，高级工程师。 拟静力法之一的地震系数法计算，并用动力有限元的 ２０１３年第１０期 陈勇勤：盾构隧道结构横向抗震设计关键技术探讨 ４５ 惯性力法进行检验。 ２．２地震系数法 ２．３惯性力法 １）基本原理与基本假设 将隧道横断面抗震分析问题简化为动荷载作用下 的二维平面应变问题后，惯性力法 的控制方程为 地震系数法 是把时刻变化着的振动应力状态， 假定为静止的计算方法，认为地震对结构的影响只是 作用于构件重心处的惯性力Ｆ。 Ｆｃ＝Ｋｃ Ｘ Ｗ ［ ］｛６｝＋［ｃ］｛ ｝＋［Ｋ］｛６｝＝一［ ］｛￡｝ （ｔ） 式中：［Ｍ］，［ｃ］，［ ］分别为整体质量矩阵、整体阻尼 矩阵和整体刚度矩阵；｛Ｌ｝为地震作用方向矩阵； ｛艿｝，｛ ｝，｛艿｝分别为整体节点位移矩阵、速率矩阵 式中： 为结构构件重力；Ｋ 为地震系数，Ｋ。＝Ｋ。ｘ ×口，Ｋ。为水平地震系数，根据本地区的基本烈度而 定， ，ＪＢ分别为重要性修正系数和综合影响系数。 地震时非液化土层作用在隧道衬砌上的动土压力 ｅ 按下式确定 ｅｄ＝ｋｎＡ∑Ｆｉｈ。 式中，ｋ 为水平地震系数，Ａ为土层主动土压力系数， ｒ 为计算点以上各土层的重度（地下水位以下取饱和 重度），ｈ 为计算点以上各土层的厚度。 在求出水平地震作用后，即可直接用静力计算模 型求解。 盾构隧道衬砌的地震计算简图如１所示。图中 Ｆ 为结构的水平惯性力，ｅｄ 为侧向动土压力。衬砌 环周围的水平弹簧与垂直弹簧模拟土层的约束作用， 其刚度由水平向和垂直向基床系数换算得到。 图１ 盾构隧道衬砌环地震系数法计算简图 隧道衬砌的截面抗震验算公式为 ．ｓ≤Ｒ／ＴＲＥ Ｓ ＧＳＧＥ＋ Ｅ＾ＳＥ触 式中：Ｓ表示地震时隧道衬砌内力组合的设计值，包括 组合的弯矩、轴力和剪力；Ｒ表示隧道衬砌承载力设计 值；ｙ肌表示承载力抗震调整系数； 表示重力荷载分 项系数，钢筋混凝土材料一般取１．０；ｙ删表示水平地 震作用分项系数，钢筋混凝土材料一般取１．０；Ｓ。 表示 重力荷载代表值的效应；ＳＥｈｋ表示水平地震作用标准值 的效应。 通过计算可知，横断面的地震反应对结构影响不 属于控制工况。 和加速度矩阵； （ｔ）为基岩地震加速度。 进行惯性力法的动力有限元分析时，其基本假 设 有如下几点：①地震时，地层深部的运动通过隧 道下方某一深度处的基岩面向上传递，使位于基岩面 上方的岩土介质与其内埋设的隧道衬砌结构一起对基 岩面发生相对运动；②基岩面是位于隧道下方的，岩土 介质的物理性质以其为界发生显著变化或根据某一准 则（如地震波速大于某一定值）确定的界面；③土一隧 道体系因发生相对基岩面的运动而产生的地震惯性 力，可转化为作用在离散化后的体系的各个节点上的 节点力；④在缺少地震加速度记录的前提下，确定地震 惯性力时允许根据场地条件类似的原则采用来自邻近 地区的地震加速度记录或人工地震波。 ２）计算模型 在本次动力有限元分析中，计算横断面计算区域 的网格划分与边界条件如图２所示。 图２计算单元网格划分及边界条件 本隧道为处于半无限体土层中的双孔圆隧道，埋 深较浅处两孔之间的中心距为１５ ｍ。水平方向拟将 计算范围取为自隧道轴线起向两侧各延伸约３Ｄ（Ｄ为 隧道外直径），总宽度为１００ ｍ；竖向深度取为９０ ＩＴＩ。 与常规的平面应变问题一样，土层被划分为四边形二 维元，隧道衬砌结构简化为二维梁单元。 在惯性力法计算中，鉴于地震输入为水平振动，远 离隧道结构的地层的竖向变形可忽略，所以可在两侧 边界的节点设置竖向约束，而允许其在水平向自由变 形；作为基岩的９０ ｍ深度处的下部边界节点则设置为 全约束；上部边界为自由边界。 鉴于本次初步设计的研究对象为隧道衬砌结构， 铁一 道建筑 Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１ ３ 隧道周围的土层可简化为匀质、各向同性的弹性介质。 震设计，采用了拟静力法之一的地震系数法计算，再利 用动力有限元的惯性力法进行检验，得到了隧道顶部 对于分层地层，可按加权平均法将分层土层介质转化 为等效均质介质。 地震作用采用《盾构隧道工程场地地震安全性评 位移时程曲线、顶底间的相对位移时程曲线、管片衬砌 结构的内力图和变形图。得出的结论可以为本工程的 价报告》提供的设计基准期１００年内超越概率１０％的 基岩人工合成地震波，如图３所示。最大加速度幅值 Ｓ ０ 为６９．３ ｃｍ／ｓ ，时间步长０．０２ Ｓ，持续时间取２０ 盾构隧道抗震设计和施工提供理论参考，针对盾构隧 道横断面结构抗震设计采取的方法也可为其他类似工 程设计提供一定的参考。 另外，本次计算暂没有考虑盾构隧道管片在纵向 １Ｏ０ 的设计计算。为了适应地震时地层的变形，需在管片 ５０ 要｜¨．Ｉ ｌＩＩＪＩｌＩ６“山ｌ ｌＬＩ 山“４ＬＪ．ＩｌＩＩ从 抽 …． ０ ． 衬砌的环向和纵向接头处设置弹性密封垫，在工作井 与隧道接头附近以及连接通道两侧设置变形缝。覆土 厚度急剧变化处设置大变形环，以适应地震时隧道结 罂一５０ 。１Ｉ『Ｉｌ 啊同刖’ ’ ‘ｌ时ｌ『Ｉ［ＩＩ『Ｉ『ｗＩ ～一 Ｗｓ １００ 构产生的不均匀沉降。 参 考 文 献 图３基岩人工合成地震波加速度时程曲线 ［１］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社， 隧道顶部在人工合成地震加速度作用下，隧道顶 部最大位移仅为７ ｍｍ，而盾构隧道顶部和底部之间的 相对位移仅有约５ ｍｍ。另外，管片衬砌最大正弯矩为 １３．９ ｋＮ・ｉｎ，最大负弯矩为１４．１ ｋＮ・ｍ，最大轴力为 １２０．７ ｋＮ，最大剪力为１４．１ ｋＮ，地层及衬砌的最大变 形仅有７ ｍｍ。由此可以看出，相对于管片衬砌正常运 ２００３． ［２］川Ｉ岛一彦．地下构筑物 耐震设计［Ｍ］．东京：鹿岛出版会， １９９４：４３—６０． ［３］潘昌实．隧道及地下结构抗震问题的研究概况［Ｊ］．世界隧 道，１９９６（５）：７—１６． ［４］中华人民共和国交通部．ＪＴＪ ００４—８９公路工程抗震设计 规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９８９． 营情况下的内力值，地震产生的内力增量较小，因此地 震对管片的影响不属于控制工况。 ［５］韩大建，周阿兴，黄炎生．珠江水下沉管隧道的抗震分析与 设计（Ｉ）——时程响应法［Ｊ］．华南理工大学学报，１９９９，２７ （１１）：１１５—１２１． ３结论及建议 本文针对某城市越江盾构隧道横断面结构的抗 ［６］耿萍，丰月华，何川，等．盾构隧道横断面地震响应的广义反 应位移法分析［Ｊ］．铁道建筑，２００９（６）：５５—５８． Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｒｏｓｓ．ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ．ｄｒｉｖｅｎ ｔｕｎｎｅｌ ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇｑｉｎ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３ １０００４，Ｃｈｉｎａ） ｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｈｉｇｈｗａｙ＆Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｗｌｙ—ｂｕｉｌｔ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｓｅｕｄｏ—ｓｔａｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ｃｕｒｖｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ—ｔｏｐ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ｃｕｒｖｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ａｒｒｉｖｅｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｔｈｉｓ ｖｅｒｙ ｐｒｏｊｅｃｔ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｌｉｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ；Ｌａｔｅｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ；Ｓｅｉｓｍｉｃ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；Ｉｎｅｒｔｉａ ｏｒｃｅ ｍｅｔｆｈｏｄ （责任审编 赵其文）
