隧道抗震（精选五篇）
隧道抗震 篇1
隧道结构由于受到周围岩土体的强约束, 一直以来都被认为是具有很强抗震性能的结构。但是随着地下结构在地震作用下破坏的案例越来越多, 尤其是日本阪神地震给岩土工作者带来的冲击, 地下结构的抗震、减震问题开始受到有关学者的重视。
地震作为一种随机振动, 具有较高的复杂性和不确定性, 参数很难定量预测;另一方面在隧道结构受力分析上, 由于无法充分考虑围岩及支护结构的空间作用、材料的时效性、非弹性、阻尼的动态变化等多种因素, 使得定量分析几乎不太可能, 因此, 隧道工程抗震不能完全依赖计算解决。而立足于建筑结构抗震分析理论、实践及长期隧道工程抗震经验的基础上对隧道工程进行抗震概念设计, 将在一定程度上弥补计算的不足, 从而指导隧道抗震设计。
2 隧道抗震概念设计的含义
隧道抗震概念设计指在对隧道使用功能、所处水文地质环境、施工水平、建筑资金等了解的基础上, 通过对支护材料性能、隧道结构体系和建造技术的详细分析和对动力学概念的娴熟运用, 完成对隧道结构抗震整体的综合评价及抗震方案选择, 为隧道抗震初步设计提供正确的思路。
隧道抗震概念设计着眼于围岩及支护结构的总体地震反应, 灵活运用抗震设计准则, 既注意总体布置上的大原则, 又考虑关键部位的细节, 从而全面、合理地解决隧道抗震设计中的基本问题。
3 隧道抗震概念设计的原则与内容
借鉴建筑结构抗震概念设计的成果, 并结合隧道自身的特点, 隧道抗震概念设计大致包括以下内容。
3.1 场地选择
根据国内外学者大量的研究结果, 由断层所引起造成地层的错动和位移以及由边坡破坏造成的隧道坍塌是隧道震害的主要原因之一[1～3]。因此, 隧道选址时, 应进行详细的地质勘察, 尽量避开断层带及岩体破碎带。尤其是对于地震高发区, 在条件允许的情况下, 可选择适当增加工程投资及增加隧道长度以避开断层带。对于浅埋隧道应尽量避免偏压作用, 以防地震时造成的滑坡损毁隧道结构。当不能避免时, 除应加强该段隧道结构本身的抗震及减震措施外还应适当地对隧道上部的边坡进行加固处理以增强其动力稳定性, 如采用钢筋网喷锚支护加固边坡的上部岩土体, 在坡脚设置挡土墙增强边坡的整体抗滑移能力等。对隧道穿越松散的破碎带或砂土地层时, 可对相应地层进行注浆处理, 防止其在地震过程中产生滑移或液化现象, 导致隧道结构整体塌陷。
3.2 合理受力原则
合理受力包括两方面的内容:隧道本身的受力设计及衬砌结构的受力设计。
隧道本身的受力设计包括对其断面形式及断面面积的设计。在有条件的情况下, 隧道断面形式应根据地应力测量结果以及辅助计算来确定。在无法准确测量地应力的情况下, 可根据工程经验确定隧道断面形式。一般情况下, 圆形或椭圆形隧道的力学性能最好。但综合考虑施工工艺、造价等因素, 一般山岭隧道的修建很少采用圆形, 而更多地采用拱形、直墙拱形等。直墙拱形隧道在地震作用下隧道边角处将产生较大的应力集中, 要减小应力集中可以将矩形交角的局部范围改为圆弧形。
衬砌结构的选择也是很重要的方面, 包括结构材料的选择 (柔性材料、刚性材料或是刚柔并济) 和结构尺寸的选择。目前, 我国隧道的抗震手段, 主要是通过提高衬砌强度来实现。但是目前的研究成果表明, 对不同岩性的地层, 其中的结构地震响应是有本质不同的。设计人员在设计时需要对这些情况进行宏观定性的把握。一般对于特定的地层可以结合数值分析的结果来选择衬砌结构的刚度与厚度, 以使衬砌结构更利于抗震减震。
3.3 采取相应的构造措施
在隧道工程的设计中, 很少提到构造, 不是因为隧道工程中没有构造或是不需要构造, 而是广大设计人员对构造这个词的概念不是很清晰。以至于很多工程中其实用到了很多的构造方案, 但是并没有进行全面的归纳总结。如: (1) 在隧道底板设置仰拱以减小隧道底板结构受较大的地应力而起鼓; (2) 在围岩支护中使用钢筋网, 一方面加强衬砌结构的柔性, 另一方面对掉落的孤石能起到网兜的作用; (3) 对隧道超挖部分进行回填, 对欠挖部分进行局部扩挖, 一方面满足了使用要求, 另一方面也减小了隧道结构的局部应力集中; (4) 支护钢架宜形成整体结构, 而非每榀钢架单独发挥支护作用。如在相邻钢架之间采用纵向的连接件连接, 以增强整体支护能力。这些措施大都无法通过计算得出, 而是通过对隧道力学行为的分析或是根据实践经验得出。其目的就是保证隧道在静力或是动力条件下的整体稳定性。实践证明这些措施都是非常实用的。但是这些措施还不是很完善, 有待于进一步补充、修正。
3.4 空间作用原则
隧道结构本身是一个空间结构, 但在设计中往往为了简化计算, 将它分解成各种平面受力状态进行量化分析。这种简化计算存在一定的弊端。如对于一些变截面处的隧道结构, 受力比较复杂, 显然不能按平面受力状态计算。又如对于隧道轴线为弧线的地段, 由于水平拱的作用, 在分析平面受力状态的同时还需考虑其轴向的拉力作用等。在隧道抗震概念设计中, 就需要考虑隧道结构的空间作用, 实际上是还原到它本来的结构面貌, 通过对空间结构力学行为的仔细分析及一些辅助计算来完善平面设计的补充, 从而提高隧道结构的抗震能力。如此可以在一定程度上增强衬砌结构刚度、减小内力、改善其受力状况。一般来说, 考虑隧道结构的空间作用可以采用以下几个比较实用的措施:
1) 加强衬砌结构的平面外刚度 (如在各榀支护钢架间设立连接件) ;
2) 采用空间结构支护体系 (如空间框架、壳体结构) ;
3) 加强变截面处及交叉点处的支护;
4) 考虑结构体系间的相互作用 (如喷射混凝土衬砌与钢架支护体系的相互作用) 。
3.5 正确分析计算结果
目前, 计算机辅助算法普及较广, 对于以往手算不可能完成的地震动力有限元分析或有限差分分析, 都有软件可以计算, 如ANSYS或FLAC等。使用软件固然可以提高效率, 也拓宽了研究面, 但是它也存在自身的一些缺陷。首先, 从客观方面看, 各类数值分析软件所建的模型均是建立在一定的假设、之上, 如岩体的均匀性假设、连续性假设等, 这些假设与工程实际情况或多或少会有出入, 从而造成计算误差, 这种误差往往很大, 无法有效地指导设计工作。其次, 从主观方面看, 数值计算也是一项系统工程, 对设计人员的素质要求较高, 其中某些参数的取值、边界的设定等存在相当大的主观因素。因此, 设计人员在得到电算结果时应认真分析、慎重校核, 做出合理判断。必要时可与简化计算 (手算) 结果及实验结果进行综合比较分析, 从而得出较为合理的分析结果。
4 结论
1) 隧道抗震概念设计是一项系统工程, 它对设计人员的要求比较高。设计人员首先应该具备较为丰富的隧道设计及抗震设计方面的理论知识和实践经验。其次, 在具备较深厚的力学基础的前提下还要有较为宽广的知识面, 如水文、地质、材料等学科, 并且还应具备一定的电算能力。
2) 抗震概念设计在结构工程中应用较为广泛, 实践证明也是可行的。但在隧道工程中是一种比较新的理念, 其设计理念和理论基础还很不完善, 但由于目前还无法对隧道抗震进行定量设计, 概念设计值得深入研究。
摘要：把在建筑结构中应用较为广泛的抗震概念设计引入到隧道抗震设计中, 分析了隧道抗震概念设计的4个主要内容:场地选择、合理受力原则、构造措施及空间作用原则。最后得出隧道抗震概念设计能较好地指导隧道抗震设计, 但设计理念与理论基础还需要充实。另外, 高素质的设计人员也是隧道抗震概念设计中不可或缺的因素之一。
关键词：隧道,抗震,概念设计
参考文献
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高地震区公路隧道抗震加固设计研究 篇2
关键词：隧道地震加固技术措施
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1674-198X(2012)03(c)-0000-00
随着科技的飞速发展，以及国民经济发展所需的基础设施建投入的增加，地下空间开发和地下结构建设规模正在日益扩展，充分利用地下资源是未来城市及交通发展的趋势。地下结构的抗震设计及其安全性评价是隧道施工中的一项重要内容，加强这方面的研究具有非常重大的意义。目前我国有上千座铁路、公路隧道都处在西部强震地带，这一情况可以促进隧道震害的研究工作，并且可以准确地为抗震加固提供科学的数据资料。对于公路建设的选址和隧道设计、施工的开展都显得特别重要，保证隧道工程抗震稳定性，提高设计施工质量，既是对国家财政资金负责，也是对企业的市场信誉负责。本文结合盾构法施工原理，谈谈盾构法在隧道设计建设中的应用。
1盾构隧道抗震计算方法
抗震设计是需要进行科学的计算。近年来，隧道的设计施工技术普遍应用了复杂的横截面和大尺寸横截面的盾构技术，要求在横截面部位进行抗震设计已经成为惯例。但是在实际建设中，盾构隧道和周边土体之间的动力相互作用是很复杂和不确定的，盾构隧道横向上抗震设计方法目前还没有特别成熟的经验，许多工程师和研究人员一直致力于此项技术的研究。由于分析结果复杂，成熟的、适用的抗震设计方法还没有形成，处于研究阶段。隧道的地震变形方法是一种静力分析方法的体现。在静力分析方法中，人们把自由土体反应位移认定为施加在隧道结构上的地震荷载因素。最近一个时期，有人把此方法当作盾构隧道纵向抗震设计的适用方法。目前，我国在隧道纵向抗震分析中，设计使用方法一般有以下几种：
(1)震度法。该种方法是将地震对隧道的影响看作隧道产生的惯性力，把这个惯性力作为外力增加为隧道的荷载，以静力计算法获取隧道的内力、位移等响应值，从而判断其安全性；
(2)响应位移法。响应位移法认为地震时，结构的加速度及变形是因为周围地层的响应而产生的，隧道作为一种结构物与地层形成一个整体一起运动，从而使结构产生动应力和动应变，由于不同深度、位置处的地层位置，所产生的运动与位移是不同的，使结构物在相应深度处被迫产生不同的位移和运动，结构物在此情况下承受由强制变形产生的应力与应变 ；
(3)动力反应分析法，隧道作为一种地下结构物，在其纵向分析中一般用的最多的是质量弹簧模型法，其主要原理为：假定基岩上的表面地层作剪切振动，我们把表面地层看做被分成多数垂直于隧道轴线的条带分割，每个条带用等效质量一弹簧系统(一个质量、一个弹簧和一个把质量与基岩相连的减振器组成)代表，再把相邻的两个质量用弹簧和减振器连接后形成一个系统，建立该系统的运动方程后，计算出每个质量处的位移情况，然后按弹性地基梁理论计算隧道的位移和内力的具体数据 。
上述三种方法中，都有各自的弊端，第一种方法就是普遍应用的传统结构抗震分析方法，这样计算是不能反映出地下结构本身所具有的特点，后面两种方法是人们针对地下结构本身固有的地震反应特点而探索出来的，这两种方法考虑了结构与土层的相互作用问题，可对结构本身反应的计算方法仍然是利用静力的弹性地基梁理论进行的，所以对相互作用过程中的土的粘性阻尼的影响考虑显得缺乏。
2盾构隧道抗震措施的分析
采用盾构法的隧道建设中，从目前业内人士的研究状况看所采用的抗震措施，主要有以下几个方面：
(1)对于衬砌位移的处理措施，衬砌最大位移差越大，则相对衬砌产生的应力就越大。所以设计中应该注意减小衬砌的最大位移差，这样隧道衬砌承受的应力会相应的减小；
(2)减震的措施，隧道的减震设计中，减震层的弹性模量与围岩弹性模量的差直接关系到减震效果，但在实际地下结构中，设计师要考虑隧道在静力作用下的荷载及变形情况，还要考虑减震层的刚度下限。对于软质围岩，如果设置减震层，其效果不明显，但是如果设置加固层的减震，那么所产生的效果就非常明显了；在硬质围岩层面，设置减震层后，减震效果明显提高，而设置加固层的减震效果有所减弱，施工时要保证注浆密实并且浇筑范围要大些一些，其减震效果也就能够非常好 。
3提高隧道抗震能力的措施
(1)选好地基
选择一个最佳的建设位置，将隧道工程尽量建于均匀、稳定的地基中，避开断层，远离山坡坡面，绕开山坡不稳定地段以及饱和砂土地基，以便能够减少地震液化情况；
(2)勘测过程中尽量选取埋深较大的线形，使道路走向远离风化岩层区；
(3)设计区间隧道转角处的交角不可以太小，否则对抗震不利，应加强隧道出入口处的抗震设计及施工；
(4)如果施工实际情况允许，施工过程中尽量采用暗挖法；
(5)施工中尽量减少土体不连续性对抗震能力的影响，如果施工区内的土壤与岩石上或土体内有岩石隆起部位，施工中应在开挖范围内用土或集料进行回填处理，以消除地基硬点的影响，避免或减少破坏发生率；
(6)设计采用抗震缝，也可以增加隧道管段间的柔性接头等措施，从而实现降低隧道整体区间长度的目标；
(7)提高施工质量，严格按设计规范施工，增加土体与隧道衬砌间的稳定性和牢固性。
4盾构隧道抗震加固措施
对于公路施工的线性，是人们无法控制的，尤其是不能因为地震区就不修路，所以加固隧道，保证公路的使用寿命，就要采取科学的措施。上文已经对隧道的震害特点和抗震措施进行了分析，具体可从以下几方面实施：
(1)关于选择隧道位置，设计时应尽量选择山坡稳定、地质条件较好的位置开挖，避免使隧道穿越不稳定断层地区。
(2)隧道的洞口必须避开容易发生滑坡、岩堆和泥石流的地段，这样在一定程度上可以减少地震对公路的破坏。
(3)如果隧道经过地带是浅埋、偏压以及破碎带等不良地段时，设计施工方案可以在其衬砌背后进行压注水泥砂浆的办法进行加固处理。充分利用地下结构比地面结构抗震效果好的优势，借助先进的技术，对公路隧道受地震严重破坏的预测要缜密，找出容易被破坏的原因，进行有针对性的加固处理。
隧道是公路建设中一个重要的组成部分，既然避免不了就要保证设计的科学和施工质量的优质。虽然隧道的抗震效果比地面结构要强，但是设计施工质量也明显低于地面工程。认真应对公路隧道受地震严重破坏的预期，制动科学有效的设计方案，保证隧道抗震加固的效果。
参考文献
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[3] 孙阳,沈水龙,关战伟. 水平旋喷加固盾构进出洞口三维有限元分析[J]. 地下空间与工程学报. 2011(01)
隧道抗震仰拱形式优化分析 篇3
关键词：隧道,抗震,仰拱形式,曲率半径,界限,位移,应力
在隧道工程中, 仰拱的设置对维护隧道的整体稳定有重要的作用。我国许多学者针对隧道的仰拱展开多方面研究:王明年等[1]通过大比例尺模型试验与有限元分析相结合的方法对隧道仰拱的力学行为进行研究, 认为隧道仰拱对提高隧道结构承载力、衬砌结构的安全度等方面有重要作用;吕治刚等[2]认为隧道底部鼓起, 引起路面开裂的原因是由于仰拱过于薄弱以及设计时的荷载模式选用错误;叶冬明等[3]研究仰拱对衬砌结构的受力影响, 认为仰拱的设置能在整体上改善衬砌结构的受力和协调整体变形;汪洋等[4]通过对云岭隧道底鼓机理的分析, 认为隧道底鼓的原因是仰拱底部岩石吸水膨胀使仰拱和围岩之间产生较高的接触应力, 在水平力的进一步作用下, 最终导致底板压曲失稳破坏并形成底鼓;袁镜文[5]等认为不设仰拱的超大跨结构, 弯矩在拱顶及拱肩、拱脚处最大, 而轴力的分布自拱顶至墙脚依次增大, 至基底处达到最大值, 这对基底的承载能力要求高;陈克良[6]分析深埋隧道仰拱边墙连接方式的力学效应, 认为铰接情况可有效减小弯矩, 改善衬砌结构的受力状态, 但对控制衬砌底部变形不利。
学者们对隧道的仰拱做不少研究, 但针对隧道抗震仰拱形式的优化分析还比较少。 因此, 对隧道仰拱形式的优化研究是有必要的。本文对不同仰拱形式的隧道进行数值模拟, 得到较为有用的结论。
1 地震波的选取
目前, 国内外观测到的地震记录还比较少, 位于隧道地址周围的地震记录尤其难以观测得到。一般情况下, 均采用已有的地震观测记录对地震进行数值计算。 在本文的数值模拟计算中, 拟选用1940-5-18美国帝国谷的EL.Centro地震加速度记录地震荷载, 如图1所示。
EL.Centro地震波是一个超过300gal的地震波, 是第一个在世界上被完整记录的地震波, 其主要振动持续时间约为10s, 大概在2.14s处达到加速度的最大幅值。与其他地震波相比, EL.Centro地震波具有烈度高、震动级别大的特点, 更加适合被用作设计依据。在输入该地震波时, 依据烈度要求作了一些人工处理, 依据0.2g的比例降低, 使其频率保持不变。
2 数值模拟
2.1 确定计算模型
本文选用的隧道计算模型为浅埋曲墙式隧道, 埋深为10m, 隧道结构跨度为7m, 模型纵向高度为27m, 模型水平方向的尺寸依据经验值一般取4倍洞径左右, 故取60 m为模型水平方向尺寸。衬砌和围岩均采用软件中的Plane42单元。模型底部加固定约束, 左右侧加粘弹性边界, 粘弹性边界采用软件中的Combin14单元模拟。
2.2 选取计算模型中的材料参数
根据计算工况的需要, 通过规范确定计算模型中的材料参数, 如表1所示。
模型中的法向和切向的弹簧刚度、阻尼系数见表2所示。
2.3 地震作用下隧道仰拱曲率半径界限
为了研究隧道不同仰拱形式对隧道抗震的影响, 得到地震作用下隧道仰拱的曲率半径界限, 本文分别选用处于Ⅳ级土质及岩质围岩、Ⅴ级岩质围岩、Ⅵ土质围岩条件下的隧道结构作为研究对象, 计算EL.CENTRO地震波 (前8s) 作用下隧道仰拱曲率半径分别为2.5m、3m、4m、4.98m、6.37m、7m、7.64m、8m、8.67m、10m的10种情况, 部分计算模型如图2所示。
2.3.1 土质围岩中隧道的仰拱曲率半径界限
当输入的地震荷载为竖直方向, 隧道结构处于Ⅳ级、Ⅵ级土质围岩中时, 隧道衬砌各部位在El.Centro地震波作用下的受力状态 (第一、三主应力) 及位移见图3~图5及表3~表5所示。
m
Pa
Pa
由图3~图5可知, Ⅳ级土质围岩中隧道结构的位移、应力随仰拱曲率半径的变化而变化。 在7.64m曲率半径附近, 图形出现拐点, 隧道结构位移在曲率半径7~7.64m范围内陡降, 随后又在曲率半径7.64~8 m范围内迅速上升。经研究发现该拐点不随模型的变化而变化, 故在研究隧道结构位移、应力问题时, 将该拐点作为仰拱曲率半径的界限。
2.3.2 岩质围岩中隧道的仰拱曲率半径界限
当输入的地震荷载为竖直方向上的, 隧道结构处于Ⅳ级岩质围岩中时, 隧道衬砌在El.Centro地震波作用下的受力状态 (第一、三主应力) 及位移见图6~图8及表6~表8所示。
m
Pa
Pa
由图6~图8可知, Ⅳ级岩质围岩时, 图形拐点的位置与实际土质围岩拐点的位置一致, 在7.64m附近, 但变化规律相反。隧道结构位移在曲率半径7~7.64m范围内迅速上升, 随后又在7.64~8m曲率半径范围内陡然下降。
3 结论
1) 隧道结构在EL.CENTRO波竖向地震荷载作用下受到的第一主应力的绝对值比第三主应力的绝对值大很多, 一般混凝土衬砌结构有较好的抗压性能和较差的抗拉性能, 适用第一强度理论, 考察绝对值最大的主应力, 故将第一主应力作为评定隧道衬砌受力状态好坏的因子。
2) 对于土质围岩中的隧道, 其衬砌结构在地震作用下受力的最不利位置在仰拱拱底和拱顶部位;而对于岩质围岩中的隧道, 其衬砌结构在地震作用下受力的最不利位置则在边墙中部。
3) 在把第一主应力作为评定隧道结构受力状况好坏因子的条件下, 位于土质围岩和岩质围岩中的隧道在El.Centro波竖向地震荷载作用下的仰拱曲率半径界限均在7.64 m附近, 但两种情形在7.64m附近 (7~8m范围内) 的受力情况随仰拱曲率半径变化的变化规律刚好相反。
4) 在进行隧道结构抗震设计时, 为实现隧道仰拱形式的优化, 土质围岩中隧道的仰拱曲率半径最适宜范围为7~8m, 而岩质围岩中隧道的仰拱曲率半径应尽量避免设计在7~8m范围内。
参考文献
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[5]袁镜文, 李宇翔.大跨无仰拱隧道二次衬砌墙脚结构受力分析[J].交通科技与经济, 2012, 14 (6) :83-86
隧道抗震 篇4
历来对地下隧道的工程抗震验算, 都将其视作土体的一部分, 验算这种线状结构在地震行波的作用下, 隧道结构所引发的应力 (应变) 是否超过其承受的能力 (与常规荷载效应组合后) 。通过对历次强烈地震中地下结构的实际震害反映和现场模拟试验, 确认将地下结构视作完全顺应地震行波作用下土体的变位, 无疑是比较保守的。因为从整体来看, 地下线状结构与大地波动相比, 其结构刚度是微不足道的;但土体毕竟不是刚体, 就微观分析, 结构刚度还是有影响的, 土体的波动变位还不可能完全传递给地下结构。据此, 目前国际上较为通用的抗震验算模式, 乃是将地下线状结构视作埋设于土体中的弹性地基梁, 作为工程上实用的解析模型。
2 地铁隧道内风压变化的几点研究
近年来, 国内许多大城市正在建设或筹划城市快速轨道交通系统 (或地铁系统) , 其最高时速一般不大于80km/h, 平均旅行速度为35km/h。根据国内已建成的几条城市地铁系统的运行情况, 乘客对隧道内的压力及压力变化尚未有不良反应, 现行的《地下铁道设计规范》也未对此有明确的限制标准。最近一段时间, 有的城市对列车运行提出了更高运行速度的要求, 根据香港及国外已建成运营的地铁或快速轨道交通情况, 其隧道内的压力及压力变化率必须加以控制, 这方面有成功的例子, 也有失败的教训。
2.1 压力及压力变化率标准
列车在隧道内高速运行的压力及压力变化率若超出一定的限制, 轻则会造成乘客耳朵不适, 乘客舒适度降低, 行车阻力增大和能耗增加, 重则会造成乘客失聪, 甚至影响车辆行车安全。因此, 已建成并投入运营的高速轨道交通系统对隧道内的压力及压力变化率均作出了一定的限制, 虽然不同系统的限值存在较大的差异, 但基本上均从两个方面控制:
(1) “峰对峰” (peak to peak) 值, 即最大压力变化的绝对值;
(2) 压力变化率。
在有关的研究文献中还指出上述两种控制指标单独使用均不能合理地反映乘客的生理反应, 例如, 对于压力变化绝对值较高但压力变化过程较长的情况, 由于人体来得及适应耳膜内外压力变化, 因此不会有明显的不适反应, 这方面非常典型的例子是飞机在起飞或降落过程中的缓慢降压或升压过程, 虽然其前后的压力变化达几千帕, 但乘客一般不会有不良反应。另一方面, 若压力变化率较大, 但压力变化的绝对值控制在一定的范围内时, 乘客一般也不会有不舒适的反应。当然, 无论如何隧道内的压力变化绝对值不可以超过10k Pa, 这会对乘客的耳膜造成永久性伤害。
2.2 压力变化的形成及数学描述
列车在隧道内运行现象与活塞运动类似, 但又有所不同, 列车前面的空气一部分被推向前方, 另一部分则沿列车与隧道之间的环形空间形成回流, 这主要是由于空气黏性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩擦作用使得被列车排挤的空气不能像在大空间中那样及时散开。因此, 列车前方空气受压缩, 随之就产生特定的压力变化过程, 其引起的空气动力学效应会随着行车速度的提高而加剧。当然, 隧道内的压力变化除与行车速度有关外, 还受列车车辆的有关参数 (车头尾的形状系数、列车截面、列车表面阻力系数等) 、隧道型式 (隧道截面面积、隧道和道床的表面阻力系数、所有隧道通风管件变化等) 等条件的影响。
隧道内列车活塞运动所产生的空气动力学现象是三维可压缩、非定常的紊流, 但由于隧道的长度远大于隧道的水力半径, 而在隧道通风系统计算中是以隧道断面平均速度作为研究对象, 因此可以用一维非稳定流模型来描述, 在这方面美国交通部作过相应的理论分析并为大量的测试所证明。
2.3 压力变化的数值分析
目前, 在地铁隧道通风方面数值模拟分析较通用的软件为美国运输部组织编写的SES (Subway Environmental Simulation Computer Program) 程序, 该程序是一维模型, 不但可以用于预测地铁运营时隧道内的空气温湿度, 还可以用作压力分析, 而且已成功用于世界上多条地铁设计中。根据前面的分析可知, 由于地铁隧道内压力变化与许多因素有关, 因此, 根据地铁最普遍采用的相关参数选取3种最通常出现的情况进行了模拟分析, 分析结果如下。
(1) 长区间隧道
对于一段25km长的单洞单线隧道, 阻塞比约为0.48, 在隧道两端均为设置有站台屏蔽门的岛式站台的地下车站, 同时在隧道的两端均设有16m2的活塞风井, 列车的行车间隔为120s, 当列车以120km/h的速度经过隧道中部区域时, 根据SES程序模拟计算显示:其隧道内中部区域某固定点处一个行车间隔内的压力变化将超过允许标准, 最大压力变化率达972Pa/s, 因此正常运行时不可以有工作人员在隧道内作业;而列车上乘客所感受的压力变化则不同, SES模拟计算列车以高速通过区间隧道中部附近区域时, 25s内列车头及车尾的压力变化曲线, 列车在通过区间中点前, 其车头的压力是逐渐升高, 列车经过中点后, 其车头的压力又逐渐下降, 这是由于车头离前方车站活塞风井越来越近的缘故;而车尾的压力在列车开始制动前压力是一直下降的, 这是由于车尾离后方车站活塞风井越来越远的缘故。还可以看出, 虽然车头车尾的压力变化绝对值较大 (特别是负压) , 但其变化过程是相当缓慢的, 其最大压力变化率均小于50Pa/s, 与标准要求还相差较远。因此, 在高速地铁隧道内, 若不存在隧道突变时, 乘客并不会有不适反应。
(2) 长区间隧道中部中间风井处
高速地铁系统的站间距一般较长 (平均达2~3km) 才能体现高速运行的优势, 由于种种原因, 列车车辆的发热量也会有较大幅度的提高, 因此, 在屏蔽门系统下为控制地下区间隧道内温度, 一般会在隧道中部设置中间风井以加大区间隧道与外界的热交换。在利用SES程序模拟计算分析过程中发现, 当高速运行的列车通过中间风井时, 若不对中间风井处进行适当的处理, 列车车头、车尾处的压力变化率相当高, 这在某些已运行的快速轨道交通系统中是存在此种现象的, 乘客有非常明显的耳膜阵痛感。
(3) 长区间隧道口
一般地铁总有部分线路设于地面以方便与车辆段联络, 若地铁有部分线路是地面线路且洞口的位置处于列车高速运行区段, 当列车以高速冲入不作任何处理的隧道内时, 列车上乘客耳膜会有较强的压痛感, 这主要是由于压力变化率超标所致, 对已建成投入运营的系统来讲惟一的处理方法只有降低列车速度, 即以牺牲运营水平来解决, 因此, 在进行设计时就应控制解决好隧道口的压力变化率。国外有关研究机构曾进行过有关研究, 其基本结论是列车高速运行区段内的隧道口面积最少应加大到正常隧道面积的2倍, 然后在一定长度范围内渐变到正常隧道面积, 其加大长度与多种因素有关, 其中最重要的两项是隧道的长度和列车的速度。
责任编辑:胡明月
摘要：大城市的交通设施, 无论国内外都是人们关注的问题, 完全依赖地面交通难以获得令人满意的效果, 利用地下空间开拓城市轻轨交通, 已是国际上大城市解决交通问题的共识。自20世纪60年代中期开始, 北京着手筹建地下铁道, 并于60年代末建成了国内第一条地下轨道交通线。尔后, 国内各大城市也都在筹划开展地下轻轨交通的兴建。根据国内外有关资料, 提出了适合我国高速地铁隧道压力控制的标准及其抗震模型设计。
隧道抗震 篇5
中央大道海河隧道工程修筑起点为新港路,修筑终点为海河南津沽公路立交。该工程以隧道的形式穿越了进港一线铁路、规划永太路、规划中心公园、规划于新路、规划南大街、海河、津沽公路,在津沽公路南侧升至地面与规划的津沽公路立交相接。路线全长4.2 km,隧道全长3.38 km。地下暗埋段2.9 km,过河段255 m,南、北侧敞开段335 m。依据规划及设计方案,海河隧道采用双向6车道断面,道路等级为城市主干道,隧道内箱体净宽28.2 m。
1工程地质概况
本工程位于滨海冲积平原,场地原建有大量居民建筑,现已大部分拆除,海河两侧部分建筑尚未拆迁。场地内有多条铁路通过。地形简单、地势平坦,地面标高大致在 0.75～3.05 m。65 m深度范围内主要有 7 个沉积时代的地层,依据成因类型及土性变化进一步划分为若干亚层,地层具体情况如下。
1)人工填土层(Qml),由人工堆积形成,主要为杂填土、素填土,可分为2个亚层。
2)新近沉积层(Q43Nsi、Q43Nal),包含坑底(河底)淤积(Q43Nsi)以及故河道洼淀冲积(Q43Nal)2种沉积土层。以黏土、粉质黏土为主,局部含有淤泥质土或粉土,分为2个亚层。
3)第Ⅰ海相层(Q42m),为海相沉积,主要含有粉质黏土、粉土、淤泥质土、黏土,可分为5个亚层。
4)第Ⅱ～Ⅲ陆相层(Q41al～Q3eal) ,为河流相沉积,主要含有粉质黏土、粉土、粉砂、细砂,可分为3个亚层。
5)第Ⅱ海相层(Q3dmc),为滨海-潮汐带相沉积,大部分45 m深钻孔未揭穿,主要含有细砂、粉砂、粉质黏土,可分为3个亚层。
6)第Ⅳ陆相层(Q3cal),为河流相沉积,大部分45 m深钻孔未揭示,据65 m深钻孔的揭示情况,主要含有粉质黏土、粉土,可分为3个亚层。
7)第Ⅲ海相层(Q3bm),为浅海-滨海相沉积,65 m深钻孔未揭穿,据已揭示的情况,主要为黏土、 粉质黏土以及粉土、细砂,可分为3个亚层。
根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》及《中国地震烈度区划图》,该场地基本烈度为7度,地震加速度为0.15g,设计地震分组为第1组。因本工程为抗震重点工程,提高1度,按8度设防。、
2海河断裂及对隧道工程的影响
近场区全部为隐伏断裂。规模较大的NW向断裂主要是海河断裂;NE向断裂有沧东断裂、大寺断裂等;NE向断裂与NW向断裂相互切割交错,控制了本区的主要构造格局。
海河断裂在浅层人工地震勘探剖面和钻孔地层剖面上有清楚的显示。该断层在场区线路西侧呈北西—南东走向,经响螺湾地块东部向东南延伸,经大沽中学北侧进入场区,在大沽船厂院内与本工程线路相交,向北距离海河南岸岸堤约200 m。在海河河道内没有发现断层存在的迹象,表明海河断裂在该段并没有沿海河河道发育,而从南岸以南约200 m 附近的区域通过。该断裂浅层人工地震勘探剖面上可分辨的上断点埋深约150 m,钻孔地层剖面上断裂错位了第一海相层以下地层,对应的上断点埋深为18 m。该断裂在该段的年均垂直滑动速率为0.136～0.181 mm/a,年均水平滑动速率为0.27～0.36 mm/a。未来100 a期间的最大垂直运动幅度约20 mm,最大水平运动幅度约40 mm。因此,该断层仅通过了海河隧道工程的陆地区段,不会对海河河道区段造成影响,在该区段建设隧道工程是基本可行的,但需要在设计和施工中对该断裂通过的区段采取适当的防治措施,将其影响减小至最低。
3海河隧道抗震分析
天津海河沉管隧道是沉管工艺在我国华北地区的第一次使用。天津位于华北地震区的华北平原地震带,抗震要求高,如何对本沉管隧道进行科学合理的抗震分析具有重大的工程指导意义。基于安全考虑,上海交通大学用2种方法对天津海河沉管隧道进行抗震分析。
3.1大型有限元三维仿真模拟
1)采用大型有限元软件进行三维有限元实体建模与数值分析,计算得到隧道本身的应力与变形,接头张开量与相对位移,止水带与橡胶垫片的压缩量等对设计有用的信息。
2)在对工程图纸、配套资料进行研究、讨论的基础上,进行目标模型的设计和简化。然后进行三维实体建模,包括沉管隧道、柔性接头、地基土、配套建筑物等多个目标在内的、符合真实地理情况的、逼真的立体分析模型。针对沉管隧道的复杂几何形状及动力计算中边界条件的尺寸效应,首次建立了沉管隧道与周边土体的大型三维精细有限元模型。该模型可考虑沉管隧道、周边地层、加固土体等关键因素的结构细节,以及结构与土体的共同作用,对提高分析精度具有重要意义。
3)通过显式有限元软件进行时程分析,得到对应结果,并进行结果处理分析。接着通过调整不同的参数设置与地震波入射角度,在分析、比较的基础上,为天津海河沉管隧道工程的抗震规划和设计作出评价,并对以后类似工程项目的开展和进行提供参考和依据。沉管段有限元模型见图1。
3.2经典的等效质点-弹簧模型
1)参考上海交通大学建立的质点-弹簧简化模型,编制程序并进行抗震分析。弹簧参数设定时参考国内外相关规范的规定。
2)基本假定和计算模型及运动方程。一般地下结构的地震响应都受周围土的影响,周围土也同时受到结构的影响,这是一个土与结构相互作用的问题。然而对于隧道这种条形的地下结构,在地震过程中主要是受到周围土的支配,虽然隧道的存在也反作用于土,但土的变形往往是起主导作用的,隧道的变形必须与土的变形相协调。据此,我们提出以下的计算假设: 围岩是由单一的表土层和其下方的坚硬基岩组成,其自振特性不受隧道存在的影响,表土层的剪切振动基本振型对隧道在地震中产生的应变起主导作用;隧道的自身惯性力对其动力性态的影响很小,分析中可不予考虑;隧道变形可根据围岩变形计算,并视隧道为一弹性地基梁。
根据以上假定,将基岩以上的地层沿隧道轴向划分成一系列节段,每一节段均用与其剪切振动自振周期相同的质量弹簧来等效。隧道被视为弹性地基梁,那么连同隧道一起考虑在内的整体计算模型见图2。
该模型按以下方式构成。
(1)沉管段周围地基土可用剪切震动离散化模型表示,即把地基土切割成若干个切片,切片质量用等效集中质点Me表示。
(2)地基土切片等效质点与基岩之间用弹簧K3连接。
(3)等效质点之间用弹簧K2连接。
(4)沉管隧道视为地基梁,梁结构与等效质点之间用弹簧K1连接。
(5)沉管隧道管节间的接头用弹簧K0连接。
等效质点-弹簧模型以结构动力学为基础,为了求解的可行性,根据地下结构地震响应特点做出了一系列的假设,对复杂的土体-结构体系进行了大幅度的简化,从而使常规的动力响应分析方法能够应用于沉管的抗震分析。这种简化模型方法所基于的各种假设是否合理,以及它能否反映沉管的抗震特性并最终为设计人员提供参考,是我们所关心的问题。
3.3SSUM抗震分析方法
结合质点-弹簧模型与三维有限元分析结果,首次提出“SSUM(Sophisticated and Simple Unified Method)”抗震分析方法。 该方法联合使用大型三维动态有限元与等效质点-弹簧模型进行沉管隧道抗震分析。三维动态有限元法能考虑复杂边界条件和材料非线性,而等效质点-弹簧模型法具有丰富的应用实绩,SSUM 法综合利用了两者的优点,有效地提高了抗震分析的可靠性。用该方法对抗震等级为8度的华北地区首条沉管隧道进行了抗震分析,研究成果可供设计施工参考。
上海交通大学针对天津海河沉管隧道工程进行了精细的抗震分析。通过2种方法的对比研究,验证了海河隧道工程中采取的各种设计施工措施均能满足抗震计算要求,从而得出海河隧道工程在抗震要求方面安全的研究结论。
4结语
1)我国地震活动频繁,天津位于华北地震区的华北平原地震带上,且大范围的软土是抗震性能最差的一类,因此讨论天津软土地区工程抗震问题显得格外重要。
2)基于中央大道海河沉管隧道工程的重要性,上海交通大学根据地质灾害风险评估等级以及结构的抗震设计要求,在正确认识地震活动特点的基础上,通过有限元计算分析,为设计、 施工提供必要的科学依据,保证了结构的抗震安全性。
3)对顶管接头中的各种部件(GINA 止水带、钢拉索、水平剪切键、竖向剪切键等)及其工作方式进行了系统研究,提出了能真实地反映接头受力变形特性的沉管接头模型,解决了传统三弹簧模型的简化失真问题。经过与国外常用的简化梁-弹簧模型计算结果及设计值进行对比,发现该模型能合理地评价接头变形量,对今后类似工程有重要的借鉴作用。
摘要：天津地处华北地震区的华北平原地震带上,中央大道海河隧道是抗震重点工程。针对海河隧道的工程地质概况,上海交通大学提出了用大型有限元三维仿真模拟和经典的等效质点-弹簧模型2种方法进行抗震分析,并首次提出了“SSUM(Sophisticated and Simple Unified Method)”抗震分析方法。这对今后类似工程有重要的借鉴作用。