地下工程抗震分析的研究现状及展望

马韦韦

中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008

地下工程抗震分析的研究现状及展望

马韦韦

中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008

随着地下工程的大量兴建和地震自然灾害的频发，地下工程结构的震害问题越来越受到人们的重视。文章对国内外在隧道及地下工程抗震减震研究分析方面的成果进行了归纳总结，指出了各自存在的优势及局限性，并提出了自身对今后该领域研究发展方向的看法。

地下工程；抗震分析；原型观测；理论分研究；模拟实验

1.研究背景

地震是自然界一种常见的自然灾害。过去，由于地下结构数量和规模的限制，其震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。因此人们普遍认为地下结构有较好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破坏，故地下结构的抗震研究长期未得到重视。

然而，随着地下空间的开发和地下结构建设规模的不断扩大，地下结构也相继出现了各种震害。1923年日本关东7. 9级大地震，震区内116座铁路隧道，有82座受到破坏；1952年美国加州克恩郡7.6级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重，1978年日本伊豆尾岛发生7.0级地震，震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列破坏。特别是1995年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构遭受最严重破坏的首例。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震设计和研究的重视。我国地处地震带之间，地震活动频繁。1999年9月21日，我国台湾省台中地区发生了里氏7.3级地震，台中地区57座山岭隧道有49座受到不同程度的损坏；2008年汶川特大地震中，根据四川省交通厅公路规划勘察设计研究院的调查统计，四川地区共有56条隧道受到不同程度的损坏，损坏程度如图所示[1]：

图1 地震中公路隧道受损评估统计结果

2.研究现状

地下工程特别是城市地铁是生命线工程，因此这对我国地下结构抗震研究提出了更高、更迫切的要求。目前隧道及地下工程地震响应的基本研究方法主要有：现场实测、实验研究、理论分析[2-4]。

2.1 现场实测

现场实测主要是隧道及地下工程在地震时的结构力学的响应，它包括震害调查和现场试验两大类，由于震害调查是在地震发生后，受到观测时间、手段和条件的限制，但其是原型实验最真实的结果，地震后岩土体与结构物的变形是一个场的概念，而模型试验很难模拟这一点。所以，地震时原位现场资料的采集成为隧道及地下隧道结构抗震研究中必不可少的手段之一，故一直很受重视。如Dowding和Rozen[5]根据71座铁路隧道和水工隧洞的地震破坏调查资料，得出了隧道地震损坏与震级、裂度和震中距之间的关系曲线及与地面运动之间的关系；冈本舜三[6]根据日本隧道地震损害的调查资料，得出了隧道免遭地震动力破损应距震源的安全距离，总结了隧道地震损害与衬砌厚度、岩土介质条件的关系。继1970年日本首先利用松化群发地震测定地下管线动态应变后，人们又对沉埋隧道、盾构隧道和地下隧道等进行了地震观测，掌握了地下结构的动力特性。

2.2 实验研究

试验研究主要有人工震源试验和振动台试验。由于起振力较小，代价昂贵，而且实地材料类型单一，人工震源实验法很难反映出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，一般不易采用。振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题，通过相似材料的物理模拟可以深入了解地下隧道衬砌结构的动力响应规律和震害特征，可以检验理论计算结果、验证数值模拟的正确性，从而改进计算模型和分析方法；此外还有助于隧道抗减震措施的优化和验证，从而为隧道的抗震设计提供依据，因此得以广泛应用。大支等人[4]首先采用振动台实验法研究了砂质地基液化对管线的影响问题；随后日本又利用这种方法对隧道抗震加固实验进行了实验。我国也利用振动台输入地震的方法对隧道模型抗震加固问题进行了试验，并开展了利用振动台输入地震波的隧道模型试验。90年代初，美国开展了大型模型的抗震实验技术。Phillips[7]曾在美国内华达州核试验场附近的一座试验隧道中进行过地下核爆炸的震动响应试验。Iwatate等[8]利用大型振动台试验模拟了阪神地震中地铁结构的振动破坏过程，并与实际震害进行了比较。

在国内，季倩倩等[9]在国内首次采用振动台模型试验研究了上海软土地铁车站结构的抗震性能，深入了解软土地铁结构的动力响应规律，为理论计算结果的正确性提供了验证；尚昊等[10]开展了大断面地下结构振动台模型试验，检测结构埋深、竖向地震荷载等因素对结构抗震能力的影响；通过对结构的加速度、动应变、位移等试验数据的分析、比较，找到了一些大断面地下结构的动力响应分布规律。刘晶波等[11]采用清华大学离心机振动台进行了砂土地基—地下结构相互作用系统的离心机振动台模型试验。

2.3 理论分析

理论分析方法：波动理论和有限元法是地下结构抗震的两种主要的理论分析基础。地下结构抗震理论分析方法有两类：一种是波动法，另一种是相互作用法，在这两种方法基础上发展了许多抗震分析的实用方法，如拟静力法、反应位移法、ST. John法、围岩应变传递法、地基抗力系数法、有限元法等。目前常用的理论分析方法有：田村重二郎的质量弹簧模型法（主要针对沉管隧道而言）、福季耶娃法、ST. John法、Shukla法、反应位移法、BART法、递推衍射法等。

理论分析方法在国内的研究成果较为丰富。孙铁成等[12]研究了围岩、抗减震层和衬砌等材料的刚度、阻尼和密度之间的匹配对隧道位移传递系数的影响，首次提出了地下结构综合位移传递系数的概念；黄胜等[13]提出一种新的基于无限元人工边界的合理地震动输入法，为地下结构抗震设计方法研究提供一定的理论参考。严松宏[14]运用概率方法和脉冲响应函数原理，探讨隧道及地下结构在弹性工作状态下随机地震响应分析及其动力可靠度研究的确定性方法，分析隧道及地下结构随机地震响应的统计特性以及隧道及地下结构地震动力可靠度；林志等[15]在广泛总结分析国内外关于地下工程结构抗震设计文献的基础上，从多自由度体系的动力平衡微分方程出发，采用时程分析法，计算盾构区间隧道衬砌结构的地震反应，并将连续介质快速拉格朗日差分法运用到地下结构的抗震研究中，研究在地震动作用下，地下铁道的动力反应的过程；曾德顺[16]用反应变位法对区间隧道的抗震设计中的问题进行了研究给出了隧道埋深、剪切波速、卓越周期、弹性地基刚度与隧道轴向变形和弯曲变形相互关系的结果；刘晶波[17]在借鉴地上结构抗震分析的 Pushover 方法思想的基础上，提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的 Pushover 分析方法。

3.局限性

地下结构的震害表现形式多样,破坏机理复杂且影响因素较多。目前,虽然对隧道抗震减震措施和分析方法的研究工作已经展开,但还没有形成一个系统的分析理论和完善的抗震减震方法。现有国内外的抗震分析方法都存在不同程度的不足。震害调查很难对地震过程中的动力响应进行量测，也无法控制地震波的输入机制和边界条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进行有目的、多角度的研究。原型观测能客观反映规律，真实可靠，是地下隧道结构抗震研究中必不可少的手段之一，但是观测机会难得，并且观测费用昂贵。因此，原型观测在实际应用中受到了很大的限制。模拟试验是目前研究隧道地震动力响应最有效、最直观的方法，但是同时必须看到，该方法在材料动力特性的模拟、相似关系比的确定和模型边界的处理等方面还存在不同程度的困难,而且模拟试验费用比较昂贵。

理论分析方法也存在着局限性，由于地震时，支配地下结构地震反应的因素是地基变形而不是地下结构的惯性力，因此，将静力法作为地下结构抗震设计的原则是不合适的。反应位移法则略去了结构本身惯性力的影响，认为地下结构地震响应仅取决于结构所在位置的地层变位，从而把地下结构的地震反应简化成拟静力进行计算。围岩应变传递法要准确地确定合理的应变传递率是非常困难的；另外其他方法做了大量简化，精度难以保证，如动力有限元分析法在计算模型及其参数的确定、地震波及其输入方式的选定等方面需要进行一定的简化，致使计算结果难以完全反映地下结构的复杂运动特性。

4.结语

通过原型观测和模型试验结果定性的分析震害产生的物理机制,总结特性规律和分析灾变后果，在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型,并发展相应的数值分析方法，再通过模型试验结果对数值方法的可靠性加以验证，这是目前分析抗震性能的有效途径[18]。未来模型试验的设计应进一步优化，使其更符合真实的应力状态和动力响应；在数值模拟中应合理选用结构的动力本构模型，使其更加准确描述地震作用下结构与周围岩土体作用的响应，这是未来应当研究的工作。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.028

马韦韦 （1987-）男 江苏南通 研究生桥梁与隧道工程专业。