随着城市化水平提高及城市人口增多, 城市交通系统面临严峻局势^[1,2], 修建地铁隧道可缓解交通拥挤带来的压力。值得注意的是, 众多地铁车站结构可能建在地震频发区域^[3]。1995年日本阪神地震造成多条地铁线路出现裂缝, 引发路面坍塌。2008年汶川地震使30余座地下隧道混凝土大面积开裂, 隧道路面挤压变形。众多实例均表明地震给城市地下隧道、给排水管道及燃气系统等城市生命线工程带来严重破坏, 故地铁车站抗震设计与安全性评估越来越重要^[4,5,6]。

目前, 众多国内外学者已在地铁隧道施工对地表沉降的作用方面进行了大量分析^[7,8,9,10], 也研究了地震作用下地下土体结构动力相互作用。陶连金等^[11]研究竖向强震作用下地铁区间隧道密贴下穿地铁车站结构体系的地震反应特性;车爱兰等^[12]对地震破坏过程及原因进行一系列模型振动试验和动力有限元分析;庄海洋等^[13]采用二维子结构分析方法分别对水平、竖向地震作用下的神户大开地铁车站地震响应进行数值模拟分析。但对于天津滨海新区这种不均匀软土层中的隧道群地震响应研究相对较少, 深厚软土场地中地下隧道抗震安全性亟待解决。

利用ABAQUS有限元软件建立地铁车站模型, 对深厚软土场地中车站结构在地震作用下的抗震性能、位移及应力进行详细研究, 对比分析地下连续墙对车站结构的影响。

以天津市Z2线轨道交通工程为背景, 勘察滨海新区不均匀软土场地具体土层参数。通过简化模型尺寸, 分别建立土层模型 (260m×70m) 及地铁车站模型 (24.98m×13.71m) 。根据实际勘察场地资料, 土层参数如表1所示, 地下连续墙密度为2 500kg/m³, 弹性模量为3×10¹⁰k N/m², 泊松比为0.25。

根据结构尺寸将土体、地下连续墙、车站网格分开划分, 其中土体分为5层。为使计算结果更加收敛, 土体与地下连续墙结构接触部分采用网格加密的方法划分, 加密区网格按边布种。地铁、地下连续墙、土体单元类型均为CPE4R。钢筋采用植入杆单元模拟。地下连续墙与车站及地下连续墙与周围土层的直接接触采用硬接触定义, 即2个实体间的接触面存在摩擦剪切应力。若剪切应力达到某个临界值, 实体间可能发生相对滑动, 否则将粘在一起。切向存在力的传递, 当不存在接触时法向不传力。

输入地震基岩波为天津波反演至地下相应高度, 时程为30s, 时间间隔为0.02s, 加速度峰值为0.88m/s²。地震波由土体底面垂直向上传播, 入射波时程曲线如图1所示。

土-地铁车站结构位移分析以土体位移为主, 车站位移在很大程度上受土体影响, 结构位移规律与土体基本一致。不同时刻 (t=0.22, 10.94s) 土-地铁结构位移云图变化较大, 但位移最大点多出现在车站结构上方土体中。

为进一步研究土体位移, 取土层中间区域最上部点 (A点) 、中间位置点 (B点) 和最下部点 (C点) 作为参考点。由参考点位移时程曲线可知, 整个地震波入射过程中, A点发生的位移除初始阶段个别时间点外几乎远大于B, C点 (见图2) 。由此可知, 地铁车站的存在对地震作用下顶层土体位移有较大影响, 反过来, 土体位移又极大地影响地铁车站位移。地铁车站设计及施工过程中, 车站覆土的作用不可忽视。

通过地铁车站顶、底板最大位移时程差分析车站位移, 参考点如图3所示, 各参考点位移差时程曲线如图4所示。

由图4可知, 点A1, A2位移差时程曲线较点B1, B2和点C1, C2波动差异性大, 点A1, A2位移差绝对值最大值为0.325m, 发生在t=19.20s;点B1, B2位移差绝对值最大值为0.041m, 发生在t=12.20s;点C1, C2位移差绝对值最大值为0.030m, 也发生在t=12.20s。可推断t=12.20s时地铁车站整体可能发生较大位移。

土-地铁车站结构应力分析主要以车站结构为主, 地震波入射过程中, 结构最大Mises应力主要出现在t=11.58, 14.19, 15.18, 15.54, 20.00s, 计算结果如表2所示。由表2可知, 最大Mises应力点一般为车站结构下柱下端点, 设计时应将这些点作为薄弱点处理, 应加强相应位置安全设计, 提高结构整体稳定性、安全性。

t=14.19s时左下柱下端点最大Mises应力时程曲线如图5所示。由图5可知, 应力波动较大, 结构主要承受较大拉力, 而混凝土抗拉能力远低于抗压能力, 这对结构抗震极为不利。

不考虑地下连续墙作用时, 由应力云图可知, 车站最大应力发生在t=14.72s, 为13.38MPa, 出现在车站右下柱下端, 选该点作为参考点, 与考虑地下连续墙时的最大Mises应力时程曲线进行对比, 结果如图6所示。

由图6可知, 不考虑地下连续墙影响时, 地铁车站应力明显较大, 地下连续墙使车站整体内力分布发生重大变化。

为分析车站受力情况, 建立有限元模型如图7所示。由应力云图可知, 地震作用下, 车站x方向最大压应力出现在左侧中柱搭接梁右下端 (D点) , 最大拉应力出现在右侧中柱搭接梁左下端 (E点) ;y方向最大压应力出现在左侧中柱搭接梁上端 (D点) , 最大拉应力出现在左侧中柱搭接梁下端 (F点) , 各点应力时程曲线如图8所示。

由图8可知, t=14.19s时x, y方向拉、压应力均达到峰值, x方向最大拉、压应力均出现在中间楼板与柱交接处;y方向最大压应力出现在中层楼板与柱交接范围内, 最大拉应力出现在左侧中下柱与底板交接范围内。因此, 柱与楼板交接范围是结构设计的薄弱点, 应加强抗震设计。

各点应力时程曲线均出现较大波动, 这与地震波输入时程有关, 说明地铁车站截面点并非只受拉或受压, 在整个地震波输入时程中, 同一截面点拉、压应力循环交替, 这是车站在地震作用下受到严重破坏的主要原因。

拉应力对车站结构的影响更大, x方向车站拉应力达11.11MPa, 如何提高车站水平方向抗拉性能是值得思考的问题。

地铁车站与地下连续墙完全耦合时, 车站x方向最大拉应力出现在D点, 最大压应力出现在E点, 各点应力时程曲线如图9所示。

由图9可知, 在整个地震波输入时程中, 应力时程曲线震荡较厉害, 且应力峰值较非完全耦合时大, t=14.75s最大拉应力达21.92MPa, 最大压应力达21.57MPa。

不存在地下连续墙时, 地震波作用下地铁车站x方向最大拉应力出现在D点, 最大压应力出现在E点;y方向最大拉应力出现在右侧中柱下边缘左端 (G点) , 最大压应力出现在右侧中柱下边缘右端 (H点) , 各点应力时程曲线如图10所示。

由图10可知, x方向最大拉、压应力与考虑地下连续墙影响时出现的位置一致, 但拉压状态不一致;y方向最大拉、压应力与考虑地下连续墙影响时出现的位置不同, 最大拉应力出现在右侧中柱下边缘左端, 最大压应力出现在右侧中柱下边缘右端。

以天津市Z2线轨道交通工程为背景, 应用有限元法分析天津市滨海新区不均匀软土场地地下车站结构在地震作用下的抗震性能、应力状态和位移反应、土-地铁车站结构动力相互作用特征, 得到以下结论。

1) 覆土层厚度对地铁车站应力、应变有一定影响, 设计时应充分考虑。

2) 地震作用下, 最大应力多出现在地铁车站中柱, 尤其是车站下层中柱中下端, 这些位置是抗震设计时的薄弱位置。不考虑地下连续墙影响时, 结构下层最危险, 设计时应加强, 提高结构承载力。

3) 整个地震波输入时程中, 车站中柱底部和中层楼板应力较大, 地震作用下易发生坍塌, 设计时应重视楼板承载能力。另外, 车站结构柱与楼板交接范围内拉、压应力均达到最大值, 在这些薄弱点应加强水平方向抗震设计。

4) 地下连续墙作用十分明显, 不考虑地下连续墙影响时, 车站结构位移、应力明显较大, 不利于结构抗震设计。

5) 无论是否考虑地下连续墙作用, 车站结构中下柱都是薄弱构件, 尤其是中下柱下端在地震作用下已发生破坏, 应加强抗震设计。