武康大道隧道结构横断面抗震计算分析

殷建国，杨司盟，上官士青

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100007)

隧道工程作为国家生命线工程，抗震计算分析是隧道工程重要设计内容之一。本文以简州新城武康大道隧道结构为例，利用反应位移法对隧道进行抗震分析。

1 工程概况

成都市简州新城武康大道，位于简州新城核心区内（简阳市养马镇板板桥村）,是核心区内一条呈北西-南东走向的城市主干路。拟建隧道工程总长约1.903km，主要位于拟建的武康大道（三溪路-简州大道）道路下，隧道里程为K0+395-K2+298。其中单层隧道敞开段263m，单层隧道暗埋段1550m，双层隧道敞开段10m，双层隧道暗埋段80m。

隧道敞开段采用U 形槽结构，暗埋段采用矩形箱涵结构。标准暗埋段隧道净宽18.4m，净高5.5m，隧道工程大部分范围采用天然地基上的浅基础方案。根据勘察资料，地道沿线分布的地层由人工填土、③1 淤泥质粉质粘土和坡残积粉质粘土及基岩组成。拟对基坑底的人工填土、③1 淤泥质粉质粘土和③3 膨胀性黏土进行换填处理或加固处理。软弱土层厚度≤4m 时，本工程采用级配砂砾石回填，采用分层压实，压实系数不小于0.96；软弱土层厚度＞4m 时，采用单轴搅拌桩方案进行地基处理。单轴搅拌桩采用直径600，搅拌桩水泥掺入量为20%（空搅部位8%），水灰比0.5。

隧道工程采用②1 层可塑性粉质黏土、③2 层可塑性粉质黏土、④2 强风化泥质砂岩或④3 中风化泥质砂岩作为基础持力层。

2 反应位移法的基本原理

反应位移法将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，采用梁单元模拟隧道结构，考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围土体剪力。在地震作用下，计算得到结构周围土体的最大位移，并作用于模拟土体的压缩弹簧及剪切弹簧端部。结构自身的惯性力，根据结构物的质量与地震最大加速度进行计算，并作用于结构单元形心处。结构四周土层剪力，根据剪应力互等原理，与地震作用下结构上下表面剪力相等。

3 计算分析

3.1 简图及荷载组合

由于隧道工程结构断面形式简单并处于均质地层，覆盖地层厚度不大于50m，复核反应位移法采用横断面地震效应计算。隧道工程计算采用二维横断面计算，取单位长度隧道结构进行建模，按实际尺寸取值，断面如图1 所示。

图1 主体结构暗埋段土层示意

根据现行荷载规范及地下结构抗震规范，针对施工阶段和使用阶段可能出现的最不利情况进行多工况验算，包含基本组合工况、标准组合工况、准永久值组合工况、基本地震工况以及罕遇地震工况共5 个荷载组合工况。分项系数根据相关规范要求进行如下取值：基本组合工况荷载组合=1.1×1.3×永久荷载+1.1×γL×0.7×1.5×可变荷载；标准组合工况荷载组合=1.0×永久荷载+1.0×可变荷载；准永久值组合工况荷载组合=1.0×永久荷载+ψq×1.0×可变荷载；基本地震工况荷载组合=1.0×永久荷载+1.3×地震荷载；罕遇地震工况荷载组合=1.0×永久荷载+1.0×地震荷载。其中，ψq 为准永久值系数，γL 为可变荷载考虑设计使用年限的调整系数。

3.2 土层参数

侧墙结构所在土层的重度γ、内摩擦角Φ、粘聚力C 详见表1，计算模型中土层参数均采用加权平均值。

表1 土层参数表

3.3 反应位移法荷载计算

3.3.1 静力荷载

地震工况与基本组合使用工况一致。

3.3.2 地震荷载--土层相对位移及等效地震荷载计算

基本地震工况：重现周期为475 年的地震动峰值加速度为0.05g。依据《地下结构抗震设计标准》5.1.3-2条及《城市轨道交通结构抗震设计规范》条文说明5.2.4条，地震动峰值位移umax=0.033m。依据规范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震动峰值位移umax=0.03m。取两者中较大值进行计算，umax=0.033m。场地覆盖层厚度为17.5米，H=17.5m。

罕遇地震工况：重现周期为2475 年的地震动峰值加速度为0.12g。依据《地下结构抗震设计标准》5.1.3—2 条及《城市轨道交通结构抗震设计规范》条文说明5.2.4条，地震动峰值位移umax=0.08m。依据规范中表3.2.2.1、表3.2.2.2，地震动峰值位移umax=0.08m。取两者中较大值进行计算，umax=0.08m。场地覆盖层厚度为17.5 米，H=17.5m。

计算基本地震工况各弹簧支座绝对位移、相对位移及等效地震荷载，结果见表2，其中假定底板处相对位移为0.00m。

表2 土层相对位移及等效地震荷载结果表

3.3.3 地震荷载——隧道结构剪力计算

采用反应位移法计算土层位移，通过土层位移微分确定土层应变，最终通过物理关系计算土层剪力。主体结构顶板与覆土作用剪力由下式确定：，其中G——土体的动剪切模量；ρ为土的质量密度，γxz为土体的剪切波速。γxz——土层应变；经计算可得，隧道顶板及底板处动剪切模量Gd=29.0MPa；

3.3.4 地震荷载——隧道结构惯性力计算

4 计算结果

4.1 基本地震工况及罕遇地震结构变位图

地震工况的计算结果如图2-3 所示，并进行隧道结构构件的承载力验算。与基本组合、标准组合以及准永久值组合工况计算配筋进行对比，主要构件的计算结果及承载力验算结果见表3，非抗震工况下的结构配筋满足抗震要求。

图3 罕遇地震结构变位图（cm）

表3 主要构件的计算及承载力验算结果表

4.2 隧道结构变形验算

根据基本地震工况计算结果，暗埋段基本地震作用最大水平弹性位移为0.0036m，结构层高约为6.35m；敞开段基本地震作用最大水平弹性位移为0.003m，结构层高约为，满足要求。

根据罕遇地震工况计算结果，暗埋段罕遇地震作用最大水平弹性位移为0.0084m，结构层高约为6.35m；敞开段计算结果中罕遇地震作用最大水平弹性位移为0.005m，结构层高约为，满足要求。

5 结论

经上述计算分析，在基本地震工况下，结构处于弹性工作阶段，构件承载力及楼层内最大的弹性层间位移满足抗震计算要求；在罕遇地震工况下，楼层最大的弹性层间位移满足抗震计算要求；相应隧道结构满足抗震要求。与非抗震工况相比，抗震工况不起控制作用，隧道结构主要由标准组合使用工况控制。