近远场地震作用下跨地裂缝盾构隧道动力响应特性研究

《Soil Biology and Biochemistry》：Dynamic response of shield tunnels crossing ground fissures under near-field and far-field seismic excitations

本文基于西安地铁8号线工程背景，通过振动台试验和数值模拟相结合的方法，系统研究了跨地裂缝盾构隧道在近场（如Chi-Chi波）和远场（如El-Centro波）地震动作用下的动力响应规律。研究发现近场地震动因速度脉冲效应会显著增大隧道围岩与结构的峰值加速度、动土压力和螺栓应力，而地裂缝带作为地质薄弱区会加剧上下盘动力响应差异，导致拱顶和拱底出现应力集中现象。研究揭示了近场地震作用下盾构隧道的破坏机理，为类似地质条件下隧道工程抗震设计提供了重要理论依据。

　　

^Highlight

^工程背景

位于渭河盆地的西安地区地裂缝灾害严重，且处于多条地震带交汇处。本研究聚焦西安地铁8号线米家崖至幸福林带北段区间盾构隧道穿越f₃地裂缝的工程案例，场地位于浐河三级阶地。

^{振动台试验}

基于西安地铁8号线穿越f₃地裂缝的工程原型，在西安建筑科技大学结构抗震实验室开展了1/20缩尺模型试验，研究跨裂缝盾构隧道在近远场地震动下的抗震响应规律。通过监测加速度、螺栓应力及破坏形态等参数，发现近场地震记录（如Chi-Chi波）因其显著的速度脉冲特性，会导致隧道围岩加速度响应增强，且地裂缝带作为地质薄弱区会放大上下盘的动力学行为差异。

^数值模拟

为补充验证振动台试验结果，采用Abaqus有限元软件开展隧道数值模拟分析，实现了更全面的响应解读。模拟结果与试验数据高度吻合，共同表明近场地震波会引发隧道拱顶和拱底部位的应力集中现象，且地裂缝两侧10米范围内是环缝张开和螺栓受力的高风险区。

^结论

通过振动台试验与数值模拟的对比分析，得出以下结论：

1）试验与模拟结果高度一致，共同验证了近场地震记录（如Chi-Chi波）对隧道损伤的显著影响，并确认地裂缝带是关键薄弱区域；

2）地裂缝带会加剧隧道上下盘的动态响应差异，特别是在拱顶和拱底易出现应力集中和螺栓轴力集中现象；

3）环缝接缝区域在地裂缝附近易发生受拉破坏和接缝张开，损伤集中在地裂缝上下盘各10米范围内。