隧道施工中地震响应的研究

第３６卷第８期　・３１８・　２　０　１　０年３月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲＥ　Ｖｏ１．３６Ｎｏ．８　Ｍａｒ．２０１０　

文章编号：１００９—６８２５（２０１０）０８．０３１８　０３　

洞体间距对隧道地震响应的影响分析　

张鸿张向荣　

摘要：结合具体工程实例，以非线性分析理论为基础采用动力有限元法对双洞口隧道体系中相邻隧道间距对隧道地震　

响应的影响进行了对比分析，得出了一些有益的规律和结论，从而为地铁隧道的抗震设计与研究提供参考和依据。　

关键词：地铁隧道，动力有限元法，非线性分析，接触面模型　

中图分类号：Ｕ４５２．２　文献标识码：Ａ　

地铁是重要的生命线工程，由于我国不少大中城市都位于高　

烈度设防区，因此地铁结构的抗震分析与研究具有重要的理论与　

工程意义。在实际工程中，地铁线路通常由往返程两条隧道构　成。本文结合具体工程实例，以非线性分析理论【１　Ｊ为基础采用动　

力有限元法对双洞口隧道体系中相邻隧道间距对隧道地震响应　

的影响进行了对比分析，得出了一些有益的规律和结论。　

１工程概况和有限元模型的建立　．　

本算例的相关地质与工程资料取自天津地铁１号线和２号　

线工程。１号线新建区段及２号线多数区段均采用盾构法施工，　

区间隧道的断面形状为圆形，隧道采用预制混凝土管片拼装而成　

的环形衬砌结构。该地区抗震设防烈度为７度。多数地区为Ⅲ　

类场地。　

混凝土环形衬砌的厚度为０．３５　ｍ，其外径为６．２　ｍ，内径为　

５．５　ｍ，隧道顶距地表１０　ｍ。土一隧道体系的有限元计算区域取　

为６０　ｍ×４０　ｍ。计算区域内的土体和土体中的衬砌均采用平面　

１　１　１　四结点等参元来划分；土体与衬砌之间设置面一面接触摩擦单　

元。根据地铁１号线某区段的地质勘察报告，地基的分层及各层　

物理力学参数见表１；衬砌混凝士力学参数见表２。将计算区域底　

部边界假定为基岩面，侧向边界上取为水平向自由而竖向约束。　表１土层物理力学参数　

张国斌等：铁路隧道地震动力响应数值分析　

铁路隧道地震动力响应数值分析　

张国斌，巨建民　

（大连交通大学。辽宁大连１１６０２８）　

【摘要】　基于某铁路隧道工程实例，运用有限元软件对其横断面采用二维平面应变模型进行模拟，模型采　用粘弹性动力人工边界，引人水平和竖直地震波加速度激振，以数值模拟的方法分析了地震工况下隧道的稳定性　及动应力、位移、应变变化规律。　【关键词】铁路隧道；动力响应；数值分析；平面应变　【中图分类号】ＴＵ４３５　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１００１—６８６４（２０１２）０３—００９７—０３　

ＴＨＥ　ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　０Ｆ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＴＵＮＮＥＬ　ＳＥＩｓＭＩＣ　ＤＹＮＡＭＩＣ　ＲＥＳＰｏＮＳＥ　

ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｂｉｎ，　ＪＵ　Ｊｉａｎ－ｍｉｎ　

（Ｄａｌｉａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ—　

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｌａｎｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　

ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｗａｖｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎ—　

ｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｒｕｌｅ　ｕｎｄｅｒ　

溶洞隧道地震动力响应分析

随着交通建设不断深入,越来越多的隧道将修建在高烈度地震区。我国岩溶地质分布广泛,存在着大量溶洞,部分隧道难免会穿越这些溶洞,其动力响应规律值得探究。

本论文采用数值模拟和理论解析等理论研究方法研究了溶洞隧道地震动力响应特性。首先,对国内外地下结构地震响应特性研究方法进行整理、研究,选择研究溶洞隧道的研究方法——数值模拟法和理论解析法。

概略介绍ABAQUS非线性动力分析理论基础,接着对所用地震波进行分析,选用地震响应边界为无限元边界。然后,基于工程波动理论,运用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,推导了岩溶隧道在平面SH波激励下动力响应位移解析解的计算公式并提出实用的简化解,通过数值模拟解验证了该动力响应位移解析解的合理性,并研究了溶洞半径、平面SH波入射角度以及溶洞与隧道的中心距等三个影响因素对溶洞和隧道的动力响应作用。

研究表明:溶洞和隧道衬砌的位移幅值与溶洞半径成正比,与两者间的中心距成反比,与平面SH波入射角度成正比。最后,以某西南高烈度地震区隧道为原型,利用ABAQUS有限元软件分析溶洞位置、溶洞半径、溶洞与隧道之间的净距、地震波入射角度等因素对溶洞和隧道衬砌Mises应力和位移幅值峰值的影响,得出溶洞和隧道衬砌横断面Mises应力、相对位移以及位移随隧道纵向距离的地震响应规律。

第３７卷　第６期　２０１３年１２月　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　Ｖｏ１．３７　ＮＯ．６　Ｄｅｃ．２Ｏ１３　

武汉过江隧道地震响应因素影响分析＊　

董必昌　

（武汉理工大学交通学院武汉４３００６３）　

摘要：运用ＡＮＳＹＳ软件，以武汉过江隧道衬砌结构典型地质剖面为例，研究地基土压缩模量、衬砌　模量、外径、顶板土层厚度及水深等因素对地震响应的影响，相关参数均来自工程实际，地震荷载　考虑ＥＩ－ｃｅｎｔｒｏ双向地震作用，得出如下结论：（１）随着地基土压缩模量增大，衬砌同一节点竖向位　移和应力最大值逐渐减小；在同一时刻，最大节点位移分布在衬砌顶部，最小节点位移分布在衬砌　底部；最大节点应力主要分布在衬砌左右侧壁位置，最小节点应力则分布在左上侧壁位置区域．当　土压缩模量大于２０　ＭＰａ后，无论是位移还是应力，其变化幅度减小；（２）衬砌模量越大，其节点位　移减小，而节点应力增大；外径越大，其节点位移较小，而节点应力除拱顶、拱底外逐渐增大，拱顶　拱底应力先略微减小然后增大；（３）地基土厚度越大，其节点位移逐渐减小；节点应力则逐渐增大；　（４）衬砌上部水深越大，无论是节点位移还是应力均逐渐增大．当水深在１０　ｉｎ内时，变化幅度较　小；超过１０　ｍ后，变化幅度增长较快．　关键词：地震响应；过江隧道；衬砌结构；节点位移；等效应力　中图法分类号：Ｕ４５２　ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—３８４４．２０１３．０６．０３０　

０　引　言　

近年来，为缓解城市交通日益拥堵的状况，武　汉市大力推行地铁隧道交通和轨道交通建设．然　而，与上述现象不适应的是，对于长江隧道，以及　

武汉地铁隧道的理论研究却远远落后于工程实　际，尤其是在这些隧道结构的抗震方面．周健、孔　戈［１　］利用动力分析法研究了武汉长江隧道横断