隧道纵向地震反应分析方法及抗震性能研究

隧道结构作为生命线工程的重要组成部分，一旦遭遇地震灾害，其破坏隐蔽、修复困难的弊端将会造成严重的经济损失和人员伤亡。本项目以隧道结构为研究重点，采用理论分析和数值模拟手段对隧道等长线型地下结构纵向抗震问题进行了深入研究。基于地震波斜入射时自由波场一维化时域算法，编制了非一致地震动输入辅助程序，发展了非一致地震动输入下隧道-地基系统动力时程分析方法；基于有限元离散化模型，完成了地下结构横向抗震分析整体式反应位移法的理论推导；在此基础上，提出了适用于隧道等长线型地下结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法，给出了根据自由场地震反应确定隧道纵向最不利变形和内力发生时刻的方法；并将此实用分析方法应用于大空间隧道结构以及埋置于非均匀场地中隧道结构的纵向抗震问题。项目工作对于发展隧道结构纵向地震反应分析方法，提高隧道结构地震安全性能、完善我国隧道结构抗震设计理论均具有重要意义。 2100433B

隧道工程是重要的生命线工程，其抗震问题日益受到重视。本项目以隧道结构为研究重点，采用理论分析和数值模拟手段对隧道抗震问题进行深入研究。基于地震波斜入射时自由波场计算方法，编制非一致地震动输入辅助程序, 建立可考虑非一致地震动作用的隧道-地基系统动力相互作用分析模型，并以此发展非一致地震动作用下的隧道-地基动力有限元分析方法；对现有隧道纵向抗震实用分析方法进行综合比较，并对传统反应位移法进行改进，提出一种适用于隧道纵向抗震分析的整体式反应位移法；建立一种合理的模拟盾构隧道中管片与接头不连续性的分析模型，开展系统的数值模拟分析，研究盾构隧道动力反应影响参数、动力反应规律和破坏机理，并初步提出适用于隧道结构的抗震性能量化指标体系。项目工作对发展合理而可靠的隧道纵向抗震分析方法及完善隧道结构抗震设计理论均有重要意义。

目前，针对地下隧道横断面的地震反应分析及简化设计方法已发展得较为完善，但对于非一致地震作用下隧道纵向的地震反应研究仍较少，有关理论和方法尚不完善，因而在抗震评估中难以有效判断隧道纵向行波效应对地下结构安全性的影响。针对上述问题，本课题计划通过梳理成层地基非一致地震反应的一维化时域算法和波动输入理论，完善非一致地震反应场地的三维数值模拟技术，据此建立地基-地下隧道系统纵向动力反应数值模型。在此基础上，分别针对由基岩向成层土地基斜入射的P波、SV波、SH波，以及地表附近形成的Rayleigh波条件下隧道纵向地震反应特性进行系统的数值分析，综合讨论产生隧道纵向最不利地震反应的影响因素，对已有隧道结构抗震简化设计方法提出改进建议。结合具体沉管隧道结构进行纵向地震反应非线性精细化数值模拟，研究沉管隧道结构的整体地震反应机理，对其抗震性能做出评价，并对类似沉管隧道工程提供参考。

非一致地震作用下隧道纵向地震反应研究是进行隧道纵向行波效应对地下结构安全性影响的抗震评估的重要内容。针对上述问题，本课题系统梳理了隧道纵向非一致地震反应的数值计算方法。通过梳理了成层地基非一致地震反应的一维化时域算法和波动输入理论，完善非一致地震反应场地的三维数值模拟技术，据此建立地基-地下隧道系统纵向动力反应数值模型。通过数值算例验算了该方法的有效性。本项目同时考虑到饱和地基土两相介质的特点基于u-U方程研发了用于动力问题的粘弹性传输边界。运用上述方法分别针对由基岩向成层土地基斜入射的P波、SV波、SH波条件下隧道纵向地震反应特性进行系统的数值分析，综合讨论产生隧道纵向最不利地震反应的影响因素。本课题成果对进一步开展隧道纵向地震反应非线性精细化数值模拟，研究沉管隧道结构的整体地震反应机理等工程问题具有重要的参考意义。 2100433B

本项目基于海底盾构隧道特点，结合理论分析、数值模拟、室内试验以及振动台模型试验等手段，开展海底盾构隧道全寿命抗震性能研究。通过反应位移法建立海底盾构隧道单/双层衬砌横向分析模型，对比分析单、双层衬砌在不同水平地震作用下隧道内力的分布情况和变形规律,计算表明管片变形、弯矩、轴力呈反对称分布在结构两侧，相同地震动水平时双层衬砌地震附加总内力值高于单层衬砌；建立复合式/叠合式双层衬砌三维实体数值模型，开展地震作用下管片结构与二次衬砌内力及位移的分布特征分析，相同工况下，复合式衬砌管片的轴力、弯矩和二衬的弯矩均大于叠合式衬砌，复合式二衬的轴力小于叠合式二衬轴力；根据相似理论开展单、双层衬砌模型地震响应振动台试验，研究地震作用下单、双层衬砌盾构隧道跨越软硬突变地层的纵向动力响应特征，结果显示：软硬突变地层加速度响应频谱表现出与均匀地层显著不同的“双峰值”现象，管片纵向应变峰值包络线出现明显的“三峰值”，结构应变受地层影响的区域分布于地层交界面两侧2.5-3.5倍隧道直径范围；建立海底盾构隧道不同服役龄期地震响应分析模型，导入不同荷载水平下，随着氯离子侵蚀时间增长隧道结构劣化的本构模型，采用动力时程法分析隧道结构劣化抗震性能，以隧道直径变形率作为圆形盾构隧道的性能量化指标，提出了适用于圆形盾构隧道各性能水平的量化指标；开展隔震材料室内试验，沥青系隔震层能够有效降低衬砌拉、压应力及变形量，隔震层厚度分别为5cm、15cm及30cm时，对应减震率为46.3%、50.4%和58.2%；采用数值模拟及振动台试验，对海底盾构隧道交叉结构地震动力响应特性进行研究，采用刚性连接时，主隧道纵向受影响范围约为3倍横通道宽度，柔性连接可降低结构各处的应变和内力，降低影响范围至1.5-2倍。研究成果可为海底盾构隧道的设计和施工提供重要参考，为今后大量海底盾构隧道全寿命周期的健康服役提供理论和技术支撑。 2100433B