地下管廊抗震研究现状综述

梁建文，陈慧芳，李东桥，巴振宁

地下管廊抗震研究现状综述

梁建文，陈慧芳，李东桥，巴振宁

(天津大学建筑工程学院，天津 300350)

针对地下管廊工程建设高速发展、抗震减灾需求愈发凸显的现状，综述地下管廊抗震研究现状．首先，通过国内外以往的震害实例，对地下管廊的震害形式、震害影响因素及震害机理进行了系统性总结．其次，从拟静力试验和振动台试验两个方面总结了地下管廊抗震性能的试验研究现状．再次，总结了地下管廊抗震分析的简化分析方法、动力时程方法、地震易损性评估及减隔震技术的研究现状．最后，基于文献综述提出了目前地下管廊抗震研究亟待解决的问题并做出展望，以期促进地下管廊抗震研究的发展．研究表明：地下管廊在地震作用下的破坏形式主要有混凝土剥落、裂缝贯通、接缝错位或张开、管廊受剪断裂等；地震作用下地下管廊穿越非均匀场地时动力响应的放大效应显著，地下管廊穿越软硬交互等非均匀场地时的抗震性能研究值得重视；交叉节点是地下管廊的薄弱环节，交叉管廊的抗震设计方法研究值得关注；预制管廊接头易受到地震破坏，不同类型预制管廊接头的抗震性能研究需深入探索；城市大型地下管廊系统抗震性能受到不同交叉节点和不同管廊之间的交互影响，高效的地下管廊系统建模方法和高效的简化分析方法亟待研究；城市大型地下管廊系统地震易损性分析是重要的发展方向；地下管廊的减隔震技术值得发展．

地下管廊；震害；拟静力试验；振动台试验；简化分析方法；动力时程方法；地震易损性；减隔震技术

城市地下管廊结构是集电力、通信、供热、给排水等市政管线于一体的地下公共隧道，它科学化、集约化地利用地下空间资源，可以实现城市各类管线空间最大化利用，杜绝城市建设过程中道路重复开挖带来的诸多不良影响[1]．近年来，随着我国城镇化进程的高速发展，城市地下管廊建设快速发展．

中国是世界范围内地震活动最强烈和震害最严重的国家之一，国内23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市位于Ⅶ度以上的地震高烈度区域，地下管廊地震安全性面临严峻挑战．城市地下管廊作为地下浅埋线长形结构，亦是城市发展运行不可或缺的生命线工程，在地震作用下与周围场地之间存在复杂的动力相互作用．因此，地下管廊抗震研究具有重要的科学意义和社会效益．

早期研究认为，在地震作用过程中，由于周围场地的约束作用，地下结构相对于地上建筑物更加安全，不易受到地震破坏．然而，在1995年日本阪神地震中，地铁车站、地下管廊等结构均发生了不同程度的损坏和倒塌[2-3]，引起了国内外学者对地下结构抗震安全性的广泛关注．另外，在1999年中国台湾集集地震[4]和2008年中国汶川地震[5]等地震中，地下结构均遭受到了不同程度的破坏．为了揭示地下结构在地震作用下的动力行为机理，国内外学者对地下结构的抗震性能进行了多角度、深层次的研究，得到了诸多有价值的结论和成果．

迄今为止，地下结构的抗震性能研究多是针对盾构隧道等深埋结构，对地下管廊等浅埋结构体系的地震响应研究还处于起步阶段[6-7]．然而，现有研究表明，浅埋地下结构在地震作用下的动力响应更为不利[8]，更易遭到地震破坏[9-10]．鉴于此，本文在已有的相关研究基础上，对地下管廊的震害特点、相关抗震研究的发展历程以及未来发展趋势等重要问题进行了系统性的综述．首先，依据国内外以往地震中报告的地下管廊震害实例，总结了地下管廊的震害形式、震害影响因素以及震害机理，归纳了地下管廊在地震作用下的经典破坏模式，并针对地下管廊抗震试验研究的关键问题，从拟静力试验和振动台试验两个方面总结了地下管廊抗震性能试验研究的发展历程和现状；其次，对地下管廊在地震作用下现有的简化分析方法、动力时程方法、地震易损性评估和减隔震技术的研究现状进行了综述，着重讨论了地下管廊交叉节点等薄弱环节的抗震设计方法；最后，对地下管廊抗震研究的发展趋势进行了展望．

1 地下管廊震害

1.1 震害形式及影响因素

近年来，世界范围内地震活动频繁，地下管廊结构在强烈的地震作用下遭到了不同程度的破坏，并造成了管廊内支架承托折断、管线及管道断裂等严重损伤[7]，引起供水、供电、供气、通信的中断[6]．基于文献[6-7，11]和以往震害报告，对世界范围内部分地区地下管廊的震害形式以及由此引发的次生灾害进行了汇总，详见表1[7,12-17]．

由地下管廊历次的震害可知，管廊结构破坏多是地震引发的地面运动导致管廊周围土体变形过大引起的，从而造成管廊结构混凝土剥落、裂缝贯通、接缝错位或张开、管廊上浮位移较大而发生受剪断裂等破坏形式．此外，袁勇等[11]通过归纳发现，地震波特性、场地特征、管廊自身构造是影响管廊结构地震响应和破坏特征的关键因素．为了得到地下管廊结构在地震作用下的受力特点、变形特征、薄弱环节和破坏模式，近年来国内外学者进行了多层次、多角度的科学研究．

1.2 震害机理

在地震作用下，周围场地土变形对地下结构地震响应的影响远大于结构自身振动特性[9,18-20]，地下结构地震反应特性与上部结构存在显著区别．由于线长形地下结构纵向尺寸远大于横断面宽度，因此场地土变形引起的结构纵向变形模式与结构横断面的变形模式存在显著差别．Hashash等[19]、Tsinidis等[20]在前人的基础上总结了地下结构在地震作用下的典型变形模式：纵向拉压变形(图1(a))和弯曲(或挠曲)变形(图1(b))，倾斜入射地震波引起结构局部的反相变形(图1(c))，矩形横断面的弯曲-旋转-侧移组合变形(图1(d))，圆形横断面的压缩(图1(e))和椭圆翘曲变形(图1(f))．此外，根据前述管廊结构震害形式并结合地下结构在地震作用下的经典变形模式，本文绘制了地下管廊结构可能发生的贯通裂缝、接缝错位、廊体受剪断裂变形模式示意，详见图2．

表1 不同地区地下管廊在地震作用下的震害形式

Tab.1 Seismic damage forms of underground utility tunnels in different areas under seismic behavior

需要指出的是，地下管廊系统由于其特殊的功能，在城市地下呈现四通八达的网络状，形成了不同形式的交叉节点．在地震作用下，交叉节点是整个地下管廊体系的薄弱环节．然而，目前对地下交叉管廊抗震性能的研究还比较少见[21-22]，对于交叉管廊存在的地震响应机理以及交叉管廊的抗震设计等尚不清楚，缺乏系统性研究，这将是地下管廊未来抗震研究的一个重要方向．

图1 地下结构在地震作用下的典型变形模式[19-20]

（a)墙板裂缝和混凝土剥落 （b)管廊接缝处错位 （c)场地液化或地基隆起引起的管廊受剪断裂

图2 地下管廊在地震作用下的经典破坏模式

Fig.2 Classical damage modes of underground utility tunnels under seismic behavior

2 地下管廊抗震性能试验研究

2.1 拟静力试验

拟静力试验利用静力方法模拟结构在地震作用下往复振动的受力特点，进而从极限承载力、破坏机制和耗能能力等方面评估结构的抗震性能．目前国内学者关于地下管廊的拟静力试验方面的相关研究主要针对预制装配式管廊结构的受力性能、连接形式和构造措施[23]．

通过单调静力试验对新型U形套箍插筋连接节点[24]、叠合装配式管廊中的钢筋环插筋连接节点和约束钢筋搭接连接节点[25]的力学性能研究，发现新型节点的力学性能与现浇节点相当，且延性还有所优于现浇节点，其中叠合板式装配方法属于半装配方法，能够克服整体现浇式和全预制装配方法的部分缺点．郭福能[26]对叠合板式地下管廊顶板进行了力学性能分析，发现叠合板与整体式现浇板工程性能相当，但破坏模式有所区别．魏奇科等[27]通过低周反复荷载试验对比研究了叠合装配和整体现浇地下管廊边角点和中角点的抗震性能，讨论了角点区不同的破坏模式．胡翔等[28]以某一实际地下管廊为原型，通过对4个角点足尺构件的水平低周反复荷载试验，研究了底板现浇叠合板式地下管廊底部边角点和中角点的抗震性能．钟紫蓝等[29]对灌浆套筒连接和浆锚搭接连接的叠合板和现浇地下管廊侧墙构件进行了低周反复荷载作用下的面外抗震性能试验，发现两种连接方式的叠合板试件具有良好的传力性能，抗震能力与现浇试件相当．Zhao等[30]以雄安新区某地下管廊为原型，通过恒定轴向荷载和循环横向荷载共同作用，研究了预制4舱地下管廊试件整体截面力学性能以及局部L形角点、T形角点破坏机制．

综上可以看出，针对预制地下管廊的力学性能以及抗震性能进行了不同角度的试验，得到了诸多有益结论，为预制地下管廊的抗震构造措施提供了力学依据和试验数据支撑．

2.2 振动台试验

模拟地震振动台试验是通过向振动台面输入所需地震动引起上部结构发生动力反应，从而复现结构在地震发生时的运动状态，捕获结构地震反应机理，其是研究和评估结构地震反应和抗震性能的重要手段之一．近些年国内学者通过大型振动台试验对地下管廊结构的抗震性能进行了诸多研究．同济大学李杰教授团队[31-32]和哈尔滨工业大学汤爱平教授团队[33]对地下管廊振动台试验进行了研究．李杰教授团队[31-32]对地下管廊横断面在一致地震激励下的动力响应进行了分析．由于管廊是线长形结构，且地震波具有一定的空间变异性，为了得到管廊结构在多点激励下的地震响应，史晓军等[3]通过两台振动台模拟多点激励，首次实现了非一致地震激励下地下管廊抗震性能的试验研究，结果表明，非一致地震激励是引起管廊结构轴向内力的根本原因[34-35]．在此基础上，Chen等[36]通过振动台试验研究了低频和高频综合作用下不同相干模型对地下管廊抗震性能的影响．Yan等[37]利用4个振动台组成的振动台阵模拟地震波的行波效应，对港珠澳大桥沉管隧道进行了模拟试验，发现沉管隧道在多点激励下的接缝处变形显著增加．综上，非一致地震激励会显著影响地下线长形结构地震响应，因此地下管廊等地下线长形结构的抗震设计需考虑非一致地震激励对结构的空间效应影响.

文献[33]通过管廊体系及其周围土体的研究，发现管廊与其内部管线的动力响应明显不同，且地震动强度、土体性质、埋深等因素对管廊体系的地震反应影响显著．考虑到管廊结构在实际工程中穿越非均匀地层而表现出复杂的动力响应，Cho等[38]、黄德龙等[39-40]研究了非均匀场地(砂土＋黏土)中地下管廊与周围土体的动力相互作用，发现大震时土体-管廊发生相对滑移，且结构在不均匀场地的加速度响应远大于均匀场地的加速度响应．因此，地震作用下应考虑不均匀场地对地下管廊结构动力响应的放大影响.

现行标准[41]规定现浇地下管廊在沿管廊纵向刚度、上覆荷载和场地突变处均应设置变形缝，然而地震发生时变形缝处往往由于变形过大而发生渗漏，影响结构的正常使用[11]．文献[42-43]以橡胶垫和塑料薄膜模拟管廊纵向变形缝的力学特性和功能特点，通过振动台试验分析了管廊的动力响应及其与周围土体的动力相互作用，结果表明变形缝截面的弯矩小于管廊中部截面．Ding等[44]发现管廊纵向变形缝可显著降低结构的峰值应变和弯矩，起到了一定的减震作用.

可以看出，目前针对地下管廊地震反应的振动台试验研究对象多以整体现浇式为主，对预制装配式管廊的研究还处于起步阶段．Duan等[45]通过振动台试验研究了黄土地基中单舱预制管廊的抗震性能，指出应重视预制接头附近管廊的抗震设计．Li等[46]通过振动台试验研究了双舱预制管廊的地震响应和破坏模式，结果表明预制管廊的破坏主要集中在预制管段连接接头处，且预制管廊接头顶部是抗震薄弱位置．Yue等[47]通过振动台试验研究了可液化地基上单舱圆形预制波纹钢管廊的动力响应及损伤机理．

虽然至今开展了不少地下管廊振动台试验，但还存在诸多亟待解决的问题：交叉管廊振动台试验研究还鲜见报道，且在双向地震激励下的地震反应机理尚缺乏研究；预制地下管廊不同类型节点的动力响应及地下管廊变形缝处的地震响应规律还有待研究．

3 地下管廊抗震分析数值方法

3.1 简化分析方法

地震作用下地下管廊等线长形地下结构主要受场地变形控制，在横断面和纵向由于不同变形模式发展出了诸多简化分析方法，其均是通过拟静力方法近似分析地下结构在地震作用下的动力问题，但不同方法由于假设条件不同导致计算精度也不尽相同．

3.1.1 直线形地下结构

国内外学者基于一定的假设条件，针对地铁车站、隧道等地下结构横截面抗震分析提出了一些简化分析方法[48]．以地上结构抗震设计方法为基准，将惯性力作为地下结构在地震作用下受到的主要荷载，日本学者大森房吉提出了地震系数法[48]，然而该方法忽略了地下结构周围土体刚度对结构自身变形的影响，后续研究表明该方法计算误差较大．Newmark[49]认为地震作用下周围土层变形对地下结构的影响远大于结构自身惯性力，在此基础上，假设地下结构的抗侧刚度与周围土体相近且结构和自由场具有相同的侧向变形，提出了自由场变形法(图3(a))．基于自由场变形法，进一步考虑地下结构与周围场地土由于侧向刚度不同而导致的变形不协调性，Penzien[50]提出了土-结构相互作用系数法(图3(b))．日本学者引入地基弹簧定量描述土-结构相互作用，提出了考虑土层相对位移、周围土层剪力和结构水平惯性力的反应位移法[51](图3(c))．反应位移法也是中国标准[52-54]建议的简化分析方法，广泛应用于地下结构抗震设计与分析．鉴于反应位移法中地基弹簧刚度的不确定性，日本学者提出了反应加速度法[55](图3(d))，该方法对各不同位置的土层和地下结构施加水平有效反应加速度，实现对模型施加水平有效惯性体积力以模拟土-结构动力相互作用．刘晶波等[56]考虑到地下结构受周围地基约束的特点，提出了基于变形的适用于地下结构的Pushover法(图3(e))，该方法对地基-地下结构模型不同深度位置施加单调递增水平等效惯性加速度以实现水平惯性体积力的作用，建立带有附加自由场的土-结构相互作用模型确定目标位移.刘晶波等[57]在反应位移法的基础上，提出了整体式反应位移法(图3(f))，通过直接建立地层-结构模型反映土-结构之间的相互作用，避免了地基弹簧引起的计算误差，且该方法计算结果更为接近动力时程方法.

（a）自由场变形法分析模型 （b）柔度系数法分析模型

（c）反应位移法分析模型 （d）反应加速度法分析模型

（e）地下结构Pushover法分析模型 （f）整体式反应位移法分析模型

图3 地下结构横断面抗震设计经典简化分析模型

Fig.3 Classical simplified analysis models for seismic design of cross-section of underground structures

针对地下结构纵向地震反应的简化方法主要有标准[52-53]中的纵向反应位移法(图4)．刘晶波等[58]发展了一种适用于地下结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法，其能直接反映土-结构相互作用，避免了传统反应位移法因地基弹簧的确定引起的误差.然而传统反应位移法假设结构处于均匀地层中，当地下结构穿越复杂地层时不再适用，He等[59]为此提出了广义反应位移法，其通过有限元动力分析获得自由场位移反应，再将位移时程以强制位移的形式施加于地层弹簧的非结构连接端，进而计算结构的地震反应.

图4 地下结构纵向反应位移法计算模型

Fig.4 Calculation model of seismic longitudinal dis-placement method for underground structures

近几年，国内学者借鉴上述地下结构抗震简化分析方法中的反应位移法和广义反应位移法对管廊结构进行抗震分析计算，得到了一些有价值的研究成果．针对双层或多层地下管廊的工程得到了应用，官其铝[60]借鉴传统横断面反应位移法的基本思想，提出一种计算地下结构纵断面地震响应的反应位移法，研究了单层和双层预制管廊在地震作用下的动力响应，结果表明双层管廊受拉损伤峰值明显大于单层管廊的对应值，并建议应加强腋角和中隔板配筋．此外，土体液化后会产生侧向剪切变形和上浮位移，从而导致管廊结构在垂直轴向方向产生明显的变形，因此有必要考虑场地液化对管廊的影响[61]．阮滨等[62]基于有效应力方法对广义反应位移法进行了改进，研究了液化场地地下管廊非线性地震响应，结果表明管廊接头张开量在液化区显著增大．另外，钟逸[63]基于广义反应位移法建立了地下结构横向地震响应简化计算体系，分析了地下管廊纵向非均匀场地地震动力响应，指出应重视管廊穿越非均匀场地时的抗震设计.黄德龙等[40]通过振动台试验提出了地下管廊穿越不均匀土体过渡边界的简化分析方法．

3.1.2 交叉管廊

地下管廊相互交叉会形成大量的T形、L形及十字形交叉节点，这是地下管廊工程的一个显著特点，由于管廊在两个主轴方向的抗侧移刚度差距较大，地震作用下交叉节点可能产生较大的地震变形，因此交叉节点是整个地下管廊体系的薄弱环节．梁建文 等[21]基于传统反应位移法建立了壳-弹簧管廊有限元模型，以管廊层间变形和局部应力为参照研究了T形交叉管廊两个主轴方向的地震响应，并通过动力时程分析方法对计算结果进行了对比验证[22]．梁建文 等[64-65]在传统纵向反应位移法(图4)的基础上以T形和十字形交叉管廊为例，提出了交叉管廊针对管廊纵向拉压和挠曲变形的纵向抗震设计的反应位移法(图5)，该方法引入周期性地层变形输入，通过分析一个地层变形周期内交叉管廊的变形历程，寻找交叉节点处变形和内力的最不利模式．在此基础上，以井字形交叉管廊为例，针对交叉节点之间的相互影响，提出了多节点交叉形地下管廊纵向抗震分析方法[66]，给出了地下管廊系统中交叉节点的相互影响范围.

图5 交叉地下管廊纵向抗震设计简化分析方法

Fig.5 Simplified analysis method for longitudinal seismic design of crossing underground utility tunnels

3.2 动力时程方法

随着计算技术的高速发展，动力时程方法得到了广泛应用，不仅可以克服试验研究在相似比设计、模型试验材料缩尺困难等多个方面的不足，且能够进行多角度、深层次的参数分析．近年来，国内外学者针对地下管廊结构动力时程分析中的建模方法、本构选择、地震动输入、人工边界等进行了大量的研究，得到了诸多有意义的结论．

3.2.1 直线形管廊

实际工程场地是一个半无限空间，地震激励下土-管廊结构相互作用的动力时程分析需要引入人工边界来满足地震波在半无限空间内的传播．李杰等[31,67]考虑地基土的边界条件，提出一种变刚度方法近似模拟层状剪切土箱，采用塑性增量理论下Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构模型模拟土体的非线性，并通过试验数据验证了该模拟方法能够很好地消除场地的边界效应．在地下结构地震动力响应分析中，常用的人工边界条件有黏性边界、黏弹性边界和透射边界等[52,68]，由于黏弹性边界能比较好地模拟地震波在有限域模型边界处的无限域传播特 性[69]，且其易于在有限元商业软件中实现，故其在地下结构抗震分析中得到了广泛应用．

郭恩栋等[70]研究了管廊周围土体、廊体、廊内支座及内部管道的地震响应特征，发现相对于传统直埋方式，管廊内管线显著降低了地震响应，应重点关注管廊自身的抗震设计．李金奎等[71]通过等效线性本构模拟土体的动力非线性特性，研究了管廊结构的地震动力响应，结果表明土体变形是管廊破坏的最主要因素．汤鹏等[72]采用土体记忆型嵌套面弹塑性动力本构模型，研究了土体-内部混凝土支架-盾构管廊横向地震响应，发现内部混凝土支架先于管廊发生地震损伤，管廊穿越较软土层时的地震损伤显著增加．以上研究中地震波均是垂直入射，而实际地震波会以一定的角度传播到近场．蒋录珍等[73]采用Duncan-Chang本构和Davidenkov本构研究了不同地震动峰值、地震波入射角度及土体孔隙率等因素对地下管廊体系动力响应的影响．周晓洁等[74]采用等效线性化本构分析了不均匀层状场地中SV波斜入射下地下管廊的非线性反应．另外，有学者针对地下管廊结构在断层错动和远场地震动下的动力响应机理也做了初步的分析．Jin等[75]通过双向和三向地震激励输入对比研究了近断层和远场地震动不同输入机制下地下管廊及其内部管线的动力响应，结果表明，罕遇地震下近断层管道应力比远场高20%～50%，且管廊在三向激励下的损伤比双向激励增加了20%．

从以上研究可以发现，在土-管廊结构动力相互作用研究中，土体非线性本构的研究还亟待发展，且在地下管廊抗震设计中应着重考虑地震波斜入射、多向激励、地震波行波效应以及穿越复杂地层等的影响.

地下管廊预制装配化的快速发展使得预制地下管廊抗震性能逐渐受到广泛关注．由于管廊接头的复杂力学行为和强非线性力学特性，学者们提出了多种管廊接头模型．蒋录珍等[76]采用非线性弹簧单元模拟管廊接头的平动和转动效应，研究了非一致地震激励下预制管廊接头的地震响应．梁建文等[77]提出一个壳-弹簧模型，采用壳单元模拟预制管廊结构，弹簧单元模拟预制接头止水橡胶和预应力钢绞线的力学行为，研究了某非对称双舱管廊的纵向地震响应.许成顺等[78]采用了与文献[77]类似的接头模型，讨论了SV波斜入射下预制管廊接口变形响应．夏樟华 等[79]建立了预制管廊的三维精细化模型，计算了SV波斜入射下预制管廊的地震响应．谷音等[80]提出一个管廊-接头模型，采用分层壳单元模拟预制管节段，桁架单元模拟预应力钢绞线，弹簧单元模拟止水橡胶条，研究了行波效应和预制管节段长度对地下管廊地震响应的影响．Huang等[81]采用实体单元模拟管廊节段、止水胶条和锚固板，桁架单元模拟钢筋网和预应力钢绞线，研究了P波入射下预制管廊的地震响应.

整体而言，上述精细化模型虽在一定程度上能够反映预制管廊接头的力学行为，但预制接头构造复杂，所建立的计算模型需严格参照接头构造形式及材料属性才能获得比较精确的结果．当精细化模型应用于预制管廊的纵向抗震分析时，计算模型的尺度及模型自由度将十分庞大，对计算设备的性能要求较高，因此有必要研究简化的接头模型．

以上研究表明，目前学者们多是针对管廊结构在体波(P/S)作用下的地震响应进行研究，然而，与地铁隧道等深埋结构相比，地震面波对地下管廊等浅埋地下结构更易产生不利影响[9]．现有研究表明，Rayleigh波在地表浅层范围的能量约为地震总输入能量的67.3%[82-83]，对地下管廊等浅埋地下结构的地震影响更加重要．岳庆霞等[10]基于离散傅里叶变换得到近似Rayleigh地震波场，研究了Rayleigh波作用下地下管廊的地震响应，发现Rayleigh波作用下地下管廊结构以整体弯曲变形为主，且结构顶底板的应变幅值变化与Rayleigh波沿深度衰减的特性相一致．罗韬[84]利用小波变换多尺度分解技术得到近似Rayleigh场，得到与文献[10]相似的结论．庄鑫磊[85]提出了适用于Rayleigh波的整体式反应位移法．施有志等[86]通过在边界上多次脉冲激励激发生成Rayleigh波，讨论了Rayleigh波与底部地震波双动力共同作用下地下管廊的动力响应．

目前地下管廊在面波作用下的地震响应研究均是基于近似Rayleigh波，地下管廊在真实的面波作用下的地震响应机理还有待发展，场地内的Rayleigh波波长解析、地震动输入方法及人工边界等问题亟待解决．

3.2.2 交叉管廊

近年来，有学者采用动力时程方法研究了管廊十字交叉节点的地震内力和变形响应[87]以及不同幅值单、双向地震激励对十字交叉节点地震响应的影 响[88]，初步发现十字交叉节点与标准段连接的角点处于反复拉压状态，是抗震薄弱部位，且土体变形耦合作用对交叉管廊存在不利影响．梁建文等[22]研究了T形交叉管廊在两个主轴方向的地震响应，给出了T形交叉节点的影响范围及交叉处的内力放大系数参考值．

在实际管廊系统中同时有多个以及多种交叉节点(T形、十字形等)的影响，结构受力状态复杂，此外，随着城市地下管廊建设进程不断加快，管廊不同交叉节点间以及不同管廊间相互影响，地下管廊系统的地震响应研究至关重要且亟待发展．

王睿珺[89]利用梁-弹簧模型建立了带接口的地下管廊系统有限元模型，对其进行了变形和内力分析. Tao等[90]提出了“整体结构简化分析＋关键节点精细化分析＋整体结构抗震性能评估”的方法对地下管廊系统进行了抗震性能分析，但仍局限于线性分析.此外，由于地下管廊系统规模很大，如将大型管廊系统全局建模，模型将非常庞大，对计算设备的要求极高，因此，研究高效的地下管廊系统抗震设计方法也将是未来的发展趋势之一．

3.3 地震易损性评估

地震易损性分析是结构在不同地震动强度下达到或超越不同极限破坏状态的条件概率，能够从定量的角度反映结构的抗震性能．

在对地下结构进行地震易损性分析中，结构损伤指标、地震动强度参数的选取是至关重要的一环．不同的指标选取会影响结构弹塑性地震响应，因而得到不同的易损性曲线，分析结果也会有所差异．近年来，学者们针对地下管廊结构地震易损性特性进行了初步的研究．张景威等[91]以管廊横截面若干测点的竖向和水平位移限值为损伤指标，划分了基本完好、轻微损坏、生命安全和防止倒塌共4种损伤状态，采用非线性增量动力分析(incremental dynamic analysis，IDA)方法对地下双舱管廊进行了地震易损性分析．董正方等[92]以管廊层间位移角和相对弯矩比为损伤指标，基于修正的IDA方法对管廊进行了地震易损性分析，发现场地类别对管廊损伤程度影响较大．以上文献均是选择地表峰值加速度(peak ground acceleration，PGA)作为地震动强度参数，然而采用单一的地震动强度参数对隧道结构进行地震易损性分析存在一定的离散性，这与无法顾及多种地震动强度参数的影响有较大关系．张建辉等[93]针对软土浅埋隧道结构建立了地震易损性曲面，能够同时兼顾两种地震动强度参数对结构易损性的影响，且在拟合效果方面优于单一(标量)地震动强度参数分析．

目前还存在诸多问题值得研究：基于地下管廊横断面的性能参数选取损伤指标没有考虑结构纵向性能参数(纵向拉压、挠曲等指标)对结构易损性的影响；考虑到现有研究多是针对直线形管廊进行地震易损性分析，有必要研究交叉管廊不同类型交叉节点对管廊地震易损性的影响；有必要对城市地下管廊系统进行地震易损性分析评估，形成区域性管廊体系的地震易损性矩阵[94]；随着预制地下管廊的快速发展，预制装配方式对地下管廊地震易损性的影响也亟待研究.

3.4 减隔震技术

对结构进行减隔震设计主要是通过设置减隔震装置增大结构对地震能量的吸收和耗散，以此来降低或消除结构的地震损伤．

近年来，管廊结构的减隔震技术得到了学者们的关注．赵晓斌等[95]以橡胶材料为柔性减震层，研究了在非一致地震激励下阶梯形管廊加腋和减震层共同作用对管廊平口接头、现浇接头、企口接头动力响应的影响．胡天羽[96]对管廊外层泡沫混凝土减震层和橡胶混凝土减震层进行了参数分析，结果表明管廊外侧减震层能够有效降低结构主应力响应，但其对接头变形和结构位移影响较小．

可以看出，针对地下管廊的减隔震方法研究成果有限，在今后的研究中应充分借鉴上部结构、地下隧道结构等已有的减隔震技术对管廊结构进行多维度减隔震．

4 结论与展望

本文从地下管廊震害特点、抗震试验研究、简化分析方法、动力时程分析方法、地震易损性评估及减隔震技术等方面综述了国内外地下管廊抗震性能的发展历程和研究现状，主要得出以下结论．

(1) 地震作用下，地下管廊的变形主要表现为由场地纵向非一致激励下引发的轴向拉压和挠曲变形，以及场地横向地震动引发的横向弯曲-旋转-侧移组合变形或翘曲变形，造成管廊结构混凝土剥落、裂缝贯通、接缝错位或张开、管廊受剪断裂等破坏．

(2) 地下管廊穿越非均匀场地时地震动力响应的放大效应显著大于穿越均匀场地时的对应值，且在非一致地震激励下的动力响应显著大于在一致地震激励下的对应值．

(3) 预制管廊接头是预制管廊段的重要连接节点，亦是其薄弱部位，传统梁-弹簧模型难以准确模拟预制接头的复杂力学行为，相比于梁-弹簧模型，壳-弹簧模型具有明显优势．

(4) 地下管廊交叉节点是整个地下管廊系统的薄弱环节，考虑到目前针对地下管廊交叉节点的地震响应研究较少且现行标准也没有相关规定，因此可根据周期性地层变形输入方式进行交叉管廊的抗震分析.

在以上文献研究成果分析和讨论的基础上，针对未来地下管廊抗震性能研究工作，做出以下展望．

(1) 地下管廊交叉节点处的动力响应存在显著的放大效应，然而目前还鲜见各种形式交叉节点抗震性能的系统性报道，因此这方面值得进一步研究．

(2) 预制装配式地下管廊建设发展迅速，其多功能、多舱室、系统庞大复杂等特点显著，研究表明预制接头是地下管廊抗震性能的薄弱位置，各种接头的抗震性能研究应引起广泛关注并进行深入探索．

(3) 城市大型地下管廊系统庞大且复杂，对采用传统有限元方法建立的地下管廊系统数值模型进行全局抗震分析难度较大，因此有必要发展高效的地下管廊系统建模方法和简化分析．

(4) 目前地下管廊结构的地震易损性分析主要针对管廊横断面结构，未见管廊纵向损伤以及交叉节点对管廊结构地震易损性的影响，也缺乏城市大型管廊系统的地震易损性分析，在这些方面的改进是未来的一个重要发展方向．

(5) 减隔震技术可提高地下管廊的抗震性能，目前该技术在地下管廊中的应用研究还处于起步阶段，今后应对地下管廊进行深入的减隔震技术创新．

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Review of Seismic Analysis of Underground Utility Tunnels

Liang Jianwen，Chen Huifang，Li Dongqiao，Ba Zhenning

(School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

In view of the rapid development of underground utility tunnels and the increasing demand for earthquake resistance and disaster mitigation，a status quo review of seismic researches on underground utility tunnels is given. First，the damage modes，factors affecting the seismic damage and seismic mechanism of underground utility tunnels are systematically summarized via examples of seismic damage reported during the previous earthquakes that occurred worldwide. Second，the status quo of researches on the corresponding seismic performance tests is reviewed from two aspects，i.e.，quasi-static tests and shaking table tests. Third，a summary of the status quo of researches on simplified analysis methods，dynamic time-history methods，seismic vulnerability assessment and seismic isolation technologies used in the seismic analysis of underground utility tunnels is given. Finally，based on the literature review，the problems that need to be solved in the existing seismic researches are analyzed and prospected，so as to promote the development of seismic research on underground utility tunnels. Results indicate that the damage modes of underground utility tunnels under earthquake mainly include concrete spalling，crack penetration，joint dislocation or opening，and shear fracture. When underground utility tunnels cross a non-uniform site under earthquake，the amplification effect of dynamic response will be significant，so the seismic performance of underground utility tunnels crossing non-uniform sites where the interaction between soft and hard soils may exist deserves attention.Considering that the crossing nodes of underground utility tunnels are weak links，it is necessary to study the seismic method for crossing utility tunnels. In addition，the joints of precast utility tunnels are also vulnerable to damage，so the seismic performance of different types of joints used in precast utility tunnels should be studied further. Since the seismic performance of a large-scale urban underground utility tunnel system is affected by the interaction between different crossing nodes and different utility tunnels，efficient modeling methods and efficient simplified analysis methods for the system are urgently required. It is projected that the seismic vulnerability analysis of large-scale urban underground utility tunnel systems and the seismic isolation technologies for underground utility tunnels will betwo directions for further research.

underground utility tunnel；seismic damage；quasi-static test；shaking table test；simplified analysis method；dynamic time-history method；seismic vulnerability；seismic isolation technology

10.11784/tdxbz202305022

TU990.3

A

0493-2137(2024)02-0209-14

2023-05-23；

2023-08-10.

梁建文（1965— ），男，博士，教授.

梁建文，liang@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51978462).

the National Natural Science Foundation of China(No. 51978462).

(责任编辑：武立有)