浅谈地下结构抗震减震研究发展概况*

陈思敏

陕西地建土地综合开发有限责任公司 陕西 西安 710075

引言

随着社会经济的快速发展和人口的日益膨胀，地上结构已经难以满足人类的日常需求，所以地下结构在全球范围内如火如荼的发展[1]。近年来，各地开始制定地方的地下结构抗震标准，如上海的《地下铁道建筑结构抗震设计规范》（DG/TJ08-2064-2009）[2]弥补了地铁抗震规范的空缺，鉴于对地下结构的研究存在着不少亟待解决的问题，本文对国内外地下结构地震灾害的现象、研究方法、抗震减震措施以及震后的修复进行了简要的分析和总结，以便更加清晰的了解地下结构抗震的现状和不足。

1 地下结构的震害

目前有记录中破坏最为严重和最具代表性的是遭受1995年日本阪神里氏7.3级地震的神户市的大开站和长田站。大开站虽然没有考虑地震因素，但设计时非常保守，中柱安全系数达到了3。然而震后35根钢筋混凝土中柱超过一半完全破坏，其中柱子的破坏形式主要在上下端或两侧，形状像被压碎的灯笼，轴向钢筋压曲；侧壁内侧的受力钢筋弯曲；路面产生沉降最大达到2.5m[3]。

在2008年的“5·12”汶川大地震中，成都市的地铁车站主体结构有4个车站发生了局部破坏。破坏的形式主要为施工缝和变形缝的破坏，同时止水带随变形缝一并破坏；梁、板、柱、墙均出现斜裂缝[4]。对于地铁区间隧道和公路隧道，最明显的破坏形式就是衬砌的错位和径向、环向的裂缝及仰拱的破坏，在裂缝处均有渗水现象，洞口处尤为明显。同时还伴随工程底板的开裂、错台及隆起和设备的脱落[5]。

2 研究方法

目前，对于地下结构的地震研究方法[6]大概分为三种：地震观测、模型试验、理论分析。

2.1 地震观测

地震观测是通过原位观测震前、震中和震后地下结构的位移、变形及内力，来了解地震对结构的动力响应。日本作为一个地震多发国家，在全国范围内设置了各类型传感器用来对全国动态监测，并将数据实时输入日本气象厅（JMA）总部[7]。尤其在2011年东日本大地震中，对震前、本震、余震、和诱发地震进行了持续的监测，得到了不同区域的震级、震源深度和最大加速度等一系列与地震相关的数据，同时绘制了加速度反应谱[8]。

2.2 模型试验

模型试验的方法主要为振动台试验[9]，目前国内普通振动台的数量较多且可以对土进行多向激震，同时对于本构关系不与围压相关的土具有很好的模拟效果；土工离心振动台可以较好地模拟反应位移法、反应加速度法以及土体的破坏机理[10]，故在试验中逐渐得到广泛应用。

郑少河等[11]对日本地震大开站进行试验研究，得出了与陈国兴类似的的结论：①结构所受的弯矩同样是中柱最大，几乎是结构侧壁的5～7倍，同样失稳破坏是由结构的中柱破坏开始。②水平地震力时，结构主要承受剪切变形；但在上下地震时，地基与结构一体不呈现剪切变形。

蒋树屏等[12]在对西藏嘎隆拉隧道进行试验模拟时，首次提出了施加边界条件的方法。通过对试验模型箱的左右边界交界面贴上光滑的聚氯乙烯泡沫，以减小边界与模型岩土接触面上的摩擦力；下边界黏结一层碎石以防止岩土与箱体底部钢板发生相对滑移。得出了如下结论：①峰值加速度沿边坡坡脚至坡顶增大，加速度放大系数为3左右。②随着加载次数的增加，土体的波阻抗不断减小，主要由于土的剪切刚度不断减小。

史晓军等[13]通过非一致激励振动台的试验进行研究即数值模拟，得出了非一致地震激励是产生结构纵向内力响应的根本原因。然而受于技术的限制，非一致地震激励振动台还暂未得到广泛的应用。

就目前开展的模型试验仍然存在着以下不足：①如何选择模型材料才能使更好地模拟土的动力本构关系和不良地质条件，即两种材料一致性的考虑。②需要考虑人工边界条件，以便模拟现场受力情况。不过目前对于人工边界的考虑也较少用于振动台的试验中，对地下结构受力和变形的精确性造成一定的影响。③对于地铁车站来说，目前的试验仅仅局限于对车站或隧道的单个研究，并没有考虑两个结构共同的作用效应。④由于振动台尺寸和承载力的受限，以及结构制作的困难，无法对大型或复杂结构进行大尺寸试验。

2.3 理论分析

地震系数法[14]最早由日本大森房教授提出，该方法简单方便，且经受过一般地震的考验，所以在很长一段时间作为我国的标准进行地下结构的抗震设计[15]。20世纪60年代，苏联学者福季耶娃法，以弹性力学为基础，求出了连续均匀介质中的应力－应变关系，得出了地下结构地震的精确解和近似解。由于计算的复杂性和参数选取的困难性，上文中的部分解析法已经慢慢地转化为为数值模拟提供计算依据和参数，将计算过程留给一些有限元分析软件，即数值模拟法。

数值模拟作为一种较为简单，快捷的方法，已经广泛的用在了研究过程中。同样对于数值模拟，仍需要采取人工边界来模拟无限边界。目前，主要使用的两种人工边界大概为黏性人工边界和黏弹性人工边界。

在前人的大量数值模拟中，可以得到如下结论：①地下结构在地震激励下与地上结构有着明显的不同，内力比地上结构分布更加均匀。②地震波入射角度不同，隧道也会产生不同的动力响应，横向入射地震波比纵向入射时结构的破坏更大，当地震波斜入射时，地下结构的动力反应与水平和垂直时差异较大，且大于地震波垂直入射的情况。③地震较小时（地震动峰值加速度为0.05g），解析法中的拟静力法如反应位移法和反应加速度法与非线性时程法相差较小，大约为6%；对于中震（地震动峰值加速度为0.1g）和大震（地震动峰值加速度为0.2g）两方法的结果相差分别为20%和50%，且都是拟静力法的计算结果较大，对于结构设计来说是不经济的。

同时数值模拟中仍有许多不足之处需要解决：①和模型试验一样，地铁车站与区间隧道交界处的地震响应仍值得我们去研究。②由于斜入射与垂直、水平入射对结构的影响不同，故需要找到一个最不利角度，在该角度下，地震波对结构的破坏最大，而设计时也应按该角度产生的内力进行设计。③P波和SV波在在入射以后会在自由面上产生转换，P波入射以后，既有P波又有SV波，同样SV波也是如此。故在数值模拟中，对自由面的设置也是一个很重要的问题。④地下结构受不同施工工艺的影响或结构在断层发育、岩体破碎、料场地质发生异变等区域，结构的抗震性能会有很明显的差异，同时对于土的动力本构关系的复杂性，故在模拟过程中很难与实际情况完全相同，故选择材料参数时需要考虑怎样才能使误差达到最小。

3 抗震、减震措施

引起地下结构破坏的主要是地基的变形或地基与结构之间的相对位移。所以抗震、减震的措施都是用来减少地震下结构的应变。抗震，即抵抗地震的能力，在地震来临时可以通过自身结构性质减小结构的变形能力；减震，即通过改变结构的性质，当地震来时使结构与围岩或土体一起变形，减小地震产生的相对位移，或通过隔震系统减小结构的位移。

3.1 抗震措施

3.1.1 增加结构的刚度。假设k1为围岩刚度，k2为结构刚度，当k2>k1时，结构刚度大于围岩或土体刚度，来阻止结构的变形，起到了抗震的作用，通常称为抗震层。在1992年，徐文焕首次通过解析法提出了在洞室周边通过增加刚性材料以减少结构的变形，在近些年来的发展中，提出了在地铁车站中使用钢筋混凝土箱型结构增加结构的刚度和完整性，或使用钢纤维混凝土来提高结构的刚度与强度。

3.1.2 加固围岩。当围岩的强度有所提高时，地震时围岩的变形减小，同时结构的变形也减小。加固围岩的措施有：注浆加固、锚杆（锚索）、钢筋网加固、喷射混凝土。注浆即通过混凝土或一些化学浆液使结构或围岩组成一个整体，提高了整体的刚度，也具有了较大的抵抗作用。在文献中，分别对锚杆设置的间距进行了现场试验研究，得出了锚杆间距对隧道应力、应变、位移和加速度的影响。即锚杆的设置也并非越密越好，锚杆过密，会使结构的应力较大，对抗震反而产生不利影响。对于硬质围岩，锚杆的抗震作用远不如在软弱围岩，也间接地证明了锚杆的作用是提高了结构的刚度和整体性。

3.1.3 抗震缝的设置。将结构划分为多个建筑物，可以降低抗震设计的难度以及提高抗震设计的可靠度，使各个部分的变形减小对其他部分的影响。抗震缝的设置，对于结构有明显的减震效果。并且随着两条抗震缝间距的减小，结构的内力和位移均减小，但过小的间距也会对结构产生局部增大效应。然而，抗震缝的设置对水平位移的峰值并没有太大的削弱作用，仅仅可以阻断水平位移的传播，减小了结构水平位移的传递范围。

3.2 减震措施

3.2.1 通过减小结构的刚度，增加结构的柔性，来达到与围岩或土体共同变形的效果。假设k1为围岩刚度，k2为结构刚度，当k2

3.2.2 增加隔震系统。其中隔震器有：叠层橡胶支座、摩擦滑移支座。常用的阻尼器有：弹塑性阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器。其中将隔震器与阻尼器适当的结合，就组成了隔震系统。

3.2.3 钢结构具有良好的延性，地震来临时可以随着围岩或土体共同变形。然而目前的地下结构较多的仍是混凝土结构，对于钢结构、组合结构等在地下工程的运用可以作为今后的研究方向。

在目前的研究过程中，仍存在一些问题有待解决：①减震层组合作用下，是否会比单个作用效果更好，还是多种方法之间存在削弱作用，以及抗、减震层与结构的相对位置，都是需要我们进一步考虑的问题。②在不考虑材料阻尼时，设置抗震、减震层对地震波的高频部分没有明显的效果，对于高频部分的抗震方法仍需要研究。③隧道的破坏最初是由仰拱的破坏开始，而隧道失稳绝大部分因素也是来自于仰拱的破坏。仰拱作为隧道的受力结构，在地震中的峰值应力得不到减弱，是急需解决的问题。

4 震后的修复

4.1 地下结构震后修复

由于国内对震后加固的研究较少，故对日本阪神地震后，神户市对车站的加固方法进行研究。由于地震对混凝土中柱的破坏较为严重，故当时采取的指导思想为：移去上部覆土，拆除顶板、中柱、侧墙等结构，根据当时的抗震设计规范，对未受损的结构加固，已受损的结构重建。根据中柱的破坏程度不同，采取了不同的修复方式：

4.1.1 对于轻微的破坏，注入环氧树脂进行加固。

4.1.2 对于核心混凝土完好，外部保护层破坏的混凝土中柱，由于其纵筋、箍筋等强度并未丧失，所以先除去破坏的混凝土保护层，用钢板围护，在钢板与混凝土之间留有12.5～25mm厚的空隙，向内填充无收缩的水泥砂浆。

4.1.3 对于已经完全失稳的混凝土中柱，采用 H型钢替换失稳的钢筋，同时将原先的钢筋混凝土柱改为钢管混凝土柱。

不过由于当时震后加固工期较紧，故并没有对加固后的结构进行全面的地震相应分析，只能通过增大安全系数的方法来对结构进行加固。

4.2 隧道震后修复

隧道的破坏主要是衬砌的脱落、开裂导致结构失稳，承载力不足。衬砌作为隧道的主要承重结构，故在震后的加固中也是重点考虑的。同样对于隧道不同的破坏程度，也有不同的加固方法。

4.2.1 对于施工缝开裂或二次衬砌有少量离散裂缝，可以使用水泥浆嵌补、注人环氧树脂或注化学药剂进行加固。

4.2.2 二次衬砌裂缝较多，甚至为贯通裂缝时，可以用素喷或网喷混凝土进行加固。

4.2.3 当衬砌脱落较为严重，同时钢筋外露的情况时，原则上需要拆除重建。对于震后的车站与隧道，目前国内尚无太多的研究，较多参考日本阪神地震后的修复措施，同时规范也没有一个明确的参考依据。所以震后的修复措施也可以作为今后研究的主要方向。

5 结束语

地下结构作为目前的发展方向，是城市规划的重要内容。同时地铁等地下结构建造周期长，造价高，一旦发生破坏，修复困难。然而我们目前对地下结构抗震的研究还远远不够，故在对设计、施工阶段还缺少一个共识。在今后的发展中，急需完善地铁的抗震规范和构造措施，建立一个良好的地下结构抗震体系，对今后的发展也有重要的科学意义和工程应用价值。