随着近年来交通运输需求的不断增加, 公路、铁路运输系统的快速延展, 明挖隧道结构形式也从较为简单的箱形单洞逐渐发展单层多跨、双层单跨、双层多跨等复杂形式, 断面尺寸也越来越大, 这些都对地下工程防灾减灾设计提出了更高的要求。大断面明挖隧道在运营阶段可能遇到的灾害以地震及火灾为主, 现阶段学者对于隧道火灾的研究较多, 且盾构隧道及山岭隧道的抗震研究不能直接应用于大断面明挖隧道, 因此对其进行抗震研究能促进地下结构防灾减灾研究的不断完善, 同时有利于大断面明挖隧道在实际工程中的推广应用。

付大喜^[1]统计近年来修建的大断面明挖隧道 (见表1) , 并采用荷载-结构模型研究明挖隧道断面形式的合理性。关于大断面明挖隧道防灾减灾方面的研究, 欧孝夺等^[2]通过结合超大断面四孔箱形明挖隧道施工过程监测的结构内力、沉降、变形等指标, 发现箱形隧道两侧不对称回填和上部不均匀覆土将造成墙体支座混凝土拉压状态反复变化的不利状态;李萍等^[3]应用FLAC 3D软件分析下伏溶洞对穿越上砂下黏地层隧道管片变形的影响;李盛等^[4,5,6]通过一系列试验及数值模拟, 基于涵洞减载基本原理研究高填土明洞土压力随土高度变化的规律及土拱效应, 提出铺设单层土工格栅减载结构土压力计算公式。在隧道抗震研究中, 朱建凯等^[7]基于贝叶斯方法对隧道施工灾害进行预测研究;Huh等^[8]在分析大量数值模拟结果的基础上提出浅埋地下双层混凝土箱梁结构易损性评估方法;Tsinidis等^[9,10,11]通过离心机试验及数值模拟研究软土中箱形隧道动力响应特点;Chou等^[12]以旧金山BART系统明挖隧道为研究背景, 通过离心机试验研究可液化回填土体中由于地震引发的明挖隧道上浮规律。综上, 现阶段关于明挖隧道在地震作用下的动力响应研究仍较少, 模型试验以结构简单的箱形隧道为主, 有限元模型也多局限于某一实际工程。明挖隧道与盾构隧道相比, 其上覆土层较浅, 隧道结构刚度和强度较低, 在地震等灾害作用下易发生严重的结构损伤, 目前仍缺少成熟的隧道抗震设计理论。因此, 需对明挖隧道抗震性能进行研究。

建立3种不同断面类型的明挖隧道数值模型, 结构形式分别为箱形双层、单拱双层、双拱双层。为研究损伤发展规律, 设置素混凝土组及含钢筋组试件进行对比, 并设置静力荷载条件及动力荷载条件。静力荷载采用逐级加载的方式施加, 动力荷载则通过在模型底部采用加速度加载的方式施加。

土体材料本构模型采用莫尔-库仑模型, 主要研究不同断面形式明挖隧道结构动力响应。因此, 根据已有地质勘察资料对土层进行适当简化, 各土层物理参数如表2所示。

隧道结构采用混凝土塑性损伤本构模型, 混凝土强度等级为C50, 单轴拉伸及单轴压缩条件下的应力-应变关系可根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》^[13]附录C.2中相应公式计算, 损伤因子计算方法参考文献[14]。

钢材选用双折线弹塑性本构模型, 弹性模量为210GPa, 屈服强度为640MPa, 抗拉强度为800MPa。

明挖隧道底板埋置于同一深度, 基本土层简化为3层, 为研究不同断面类型明挖隧道承载力及土层厚度增加时的结构损伤累积情况和可能发生破坏的位置, 通过model change命令在基本土层的基础上回填新土层。模型整体长200m、高61m, 土层自下而上厚度分别为25, 11, 25m, 模型纵向厚度取10m。3种类型隧道跨度均为33.6m, 单拱隧道高约23.9m, 双拱隧道高约17.8m, 箱形隧道高约16.1m, 如图1所示。基本覆土条件下底板埋深均为25m。

模型分为有配筋模型及无配筋模型 (见图2) , 分析对比2种模型在地震作用下的动力响应特点, 进一步评估配筋在结构抗震中发挥的作用。有限元模型中钢筋采用梁单元T3D2模拟, 通过embeded命令将钢筋嵌入隧道结构实体单元中。

静力模型左右边界及前后边界分别设置法向约束, 模型底部约束3个方向位移;动力模型左右边界设置粘弹性边界, 并设置弹簧及阻尼器, 前后边界仍设置法向约束, 模型底部固定y, z方向, x方向加载地震波。

对3种类型隧道结构分别施加图3所示地震波, 由于明挖隧道一般较盾构隧道纵向距离短, 且断面较大。因此, 主要研究结构横向地震响应。2条地震波反应谱如图4所示, 阻尼比取0.05。

取不同类型明挖隧道拱顶 (顶板) 、中隔板 (中柱) 、底板点进行计算。人工波2作用下不同位置加速度时程曲线如图5所示。

由图5a可知, 双拱隧道拱顶、底板及中隔板位置处的加速度变化趋势保持一致, 拱顶加速度峰值最大, 为93.3cm/s²;底板加速度峰值次之, 为89.1cm/s²;中隔板加速度峰值最小, 为74.2cm/s²。拱顶及底板加速度峰值出现时间均先于中隔板, 由于拱顶及底板与土体直接接触, 受土体传来的地震波影响, 而地震波经结构传递后作用于中隔板位置, 具有一定滞后性, 且由于结构阻尼的存在, 其加速度峰值较低, 出现时间较晚。

由图5b可知, 与双拱隧道相似, 单拱隧道最大加速度峰值出现在拱顶处, 为88.1cm/s²;最小加速度峰值出现在中隔板, 为75.71cm/s²;底板加速度峰值为86.4cm/s²。

由图5c可知, 与单拱隧道及双拱隧道不同, 箱形隧道最大加速度峰值出现在底板处, 为104.09cm/s²;拱顶加速度峰值出现了较大的衰减, 为68.73cm/s², 小于中隔板位置加速度峰值 (84.73cm/s²) 。

不同类型明挖隧道在人工波2作用下的位移时程曲线如图6所示。由图6a可知, 双拱隧道拱顶及底板位移绝对值最大值出现在地震波加载10s左右, 且结构不同部位保持较高的一致性, 由位移差值曲线可知2～3s及12.5s时结构位移差值较大, 最大差值为14.34mm, 且变化较剧烈, 与加速度时程曲线较契合, 表明结构变形经历了快速变化阶段, 可能使结构产生损伤及承载力快速下降。

由图6b, 6c可知, 单拱隧道及箱形隧道表现出与双拱隧道相似的位移响应规律。经分析可知, 位移峰值排列顺序为:拱顶<中隔板<底板, 3个位置位移变化趋势相似, 波峰出现的时间段基本吻合。由于地震波自下而上传递, 拱顶波峰出现的时间具有一定滞后性, 在后期地震波幅度减小的过程中三者绝对位移保持一致。单拱隧道绝对位移响应曲线与双拱隧道及箱形隧道呈现出较高的相似性, 说明地下结构动力位移特点主要由其所处土层的特性决定, 自身结构及材料属性不起决定性作用。

单拱隧道及箱形隧道拱顶底板位移差值曲线同样出现2个剧烈变化区, 与双拱隧道保持一致。单拱隧道拱顶底板相对位移最大值为16.28mm, 大于双拱隧道 (14.34mm) 及箱形隧道 (13.32mm) 。由于单拱隧道结构高度最高、跨越土层深度最大、受土层位移影响最大, 所以相对位移绝对值最大。由以上分析可知, 传统的结构动力响应分析虽能快速分析不同结构动力响应特点, 但无法直观地对结构在地震作用下的破坏情况进行分析, 不便对结构抗震性能进行评估。

损伤面积比如式 (1) 所示, 用其评估结构损伤程度及抗震性能的优劣。

式中:η为损伤面积比;d_i为不同损伤程度区域对应的损伤因子值;A_i为不同损伤程度区域的面积;A_total为结构总横截面面积。

结构损伤面积比曲线如图7所示, 由图7可知结构损伤区域发展情况。结构损伤区域在某一时间段快速增加, 且该时间段与加载的地震波第1次出现峰值加速度的时间吻合;该时间段前后损伤区域的发展均较缓慢, 保持不变或略有增加。

由图7a可知, 双拱隧道在人工波1作用下的结构损伤快速增长期为7.15～8.31s, 损伤面积增幅为4.47% (最终值4.67%-初始值0.20%) , 8.31s后结构损伤基本保持不变。由图7b可知, 双拱隧道在人工波2作用下的结构损伤快速增长期为1.41～2.71s, 损伤面积增幅约为2.6% (最终值2.79%-初始值0.19%) 。对于双拱隧道, 人工波1作用下结构损伤面积约为人工波2作用时的1.7倍。结构损伤快速增加期与加载的地震波加速度幅值最大值出现时间契合。

由受拉损伤云图可知, 人工波1作用时隧道结构损伤区域为边墙与底板及中隔板连接处较密集区, 中墙与拱顶及底板连接处也出现了较严重的贯通损伤区域, 地震作用下结构节点位置为薄弱位置, 设计时应予以加强。

由图7c可知, 单拱隧道在人工波1作用下的结构损伤面积发展趋势分为以下4个阶段:0～5s损伤区域基本保持不变;5～7.11s损伤区域出现明显增加;7.11～8.41s结构损伤急剧增加, 损伤面积比达到最大值3.19%附近;8.41s后损伤区域基本保持不变, 损伤区域比略有增加。由图7d可知, 单拱隧道在人工波2作用下的结构损伤面积比在1.41s时开始快速增加, 在2.21s时增至最大稳定值1.26% (最终值1.26%-初始值0%) 左右。在峰值加速度相同的条件下, 人工波1作用下的结构损伤面积约为人工波2作用时的2.5倍。

箱形隧道损伤面积比曲线发展趋势与单拱、双拱隧道相似。由图7e可知, 人工波1作用下7.16～8.36s结构损伤区域面积迅速增加, 增幅为3.46% (最终值6.58%-初始值3.12%) , 后期结构损伤区域基本保持不变。由图7f可知, 人工波2作用下结构损伤增加集中在1.51～2.31s, 增幅为2.1% (最终值5.06%-初始值2.96%) , 后期结构损伤面积小幅增加。

在2条地震波作用下, 不含钢筋模型的隧道结构损伤区域基本保持一致, 主要集中在边墙、中墙与拱顶、底板及中隔板相交节点处, 损伤区域发展程度较深, 拱顶与中隔板节点附近出现接近贯通的损伤条形区域。除节点附近产生损伤区域外, 拱顶与底板跨中区域也出现发展程度较深的损伤区域。

配筋模型及无筋模型在人工波1作用下的损伤面积计算结果如图8所示。由图8可知, 箱形无筋隧道初始损伤面积比最高, 为3.1%;箱形有筋隧道损伤增幅最大, 为5.7%;双拱无筋隧道损伤增幅次之, 为4.47%;单、双拱有筋隧道最终损伤面积比及增幅均较小, 分别为2.5%, 2.8%。在同一地震波作用下, 不同断面类型隧道、配筋或不配筋的相同断面类型隧道结构损伤面积比快速增加均发生在同一时间区间内, 即人工波1最大加速度幅值区域附近, 说明地下结构动力响应与地震波及其赋存土体的物理性质相关, 而与自身结构特性相关性较低, 隧道结构特点的异同决定其自身抵抗地震破坏的能力。在整体式隧道设计中, 应注意加强节点设计, 通过合理配筋等方式, 防止其发生脆性破坏导致结构突然失去承载力。

以箱形隧道及单拱隧道为研究对象, 分析不同覆土厚度条件下结构在人工波2作用下的损伤发展规律, 损伤面积比曲线如图9所示。由图9可知, 隧道损伤区域快速增加阶段在不同覆土厚度时保持一致, 对于覆土较厚的箱形隧道, 初始覆土厚度的增加导致隧道初始损伤增加;不同覆土厚度条件下隧道损伤区域面积增量基本保持一致, 对于拱顶覆土较浅的单拱隧道, 损伤增量随着覆土厚度的增加增幅较大;在相同动力条件下, 随着覆土厚度的增加, 隧道损伤区域面积比曲线呈现多台阶特点, 最终损伤面积不是由1次振动产生的, 而是由间隔时间较长的多次振动段组成, 可知1次地震将对隧道产生多次破坏作用。

建立不同断面类型、不同覆土厚度及是否配有钢筋的明挖隧道模型, 通过施加不同类型的地震波研究隧道结构动力响应规律, 得出以下结论。

1) 不同断面类型的隧道在相同地震波作用下, 其初始结构损伤不同, 但结构损伤发展趋势保持一致, 人工波1作用下结构损伤快速增加时间段约为7.15～8.31s, 人工波2作用下约为1.41～2.71s, 在这2个时间段内地震波的特点为振幅较大、频率较低, 地震波经土层过滤、放大后对结构造成了较大的损伤。

2) 无筋模型及配筋模型计算结果表明, 无筋模型损伤区域呈条状分布, 严重时贯通结构, 且损伤值较高;而配筋模型损伤区域呈片状均匀分布, 且损伤深度较浅, 多集中于表面, 损伤值也较低, 通过合理配筋能提高结构承载力, 并改善结构损伤形态, 在地下结构防灾减灾设计中发挥重要作用。

3) 地下结构在地震作用下产生的破坏主要由其赋存环境及地震波特点决定, 隧道结构特点决定其自身抵抗地震破坏的能力。

4) 3种类型的明挖隧道在相同峰值加速度条件下, 频率较低的地震波更易造成隧道损坏。随着覆土厚度的增加, 隧道动力破坏呈现多台阶特点, 1次地震将对隧道产生多次破坏作用。