地下工程抗震分析的研究現狀及展望

馬韋韋

中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008

地下工程抗震分析的研究現狀及展望

馬韋韋

中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008

隨著地下工程的大量興建和地震自然災害的頻發，地下工程結構的震害問題越來越受到人們的重視。文章對國內外在隧道及地下工程抗震減震研究分析方面的成果進行了歸納總結，指出了各自存在的優勢及局限性，并提出了自身對今后該領域研究發展方向的看法。

地下工程；抗震分析；原型觀測；理論分研究；模擬實驗

1.研究背景

地震是自然界一種常見的自然災害。過去，由于地下結構數量和規模的限制，其震害事例較少，加之地下結構受到周圍地層的約束，即使發生地震其震害程度也相對較輕。因此人們普遍認為地下結構有較好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破壞，故地下結構的抗震研究長期未得到重視。

然而，隨著地下空間的開發和地下結構建設規模的不斷擴大，地下結構也相繼出現了各種震害。1923年日本關東7. 9級大地震，震區內116座鐵路隧道，有82座受到破壞；1952年美國加州克恩郡7.6級的地震造成南太平洋鐵路的四座隧道損壞嚴重，1978年日本伊豆尾島發生7.0級地震，震后出現了橫貫隧道的斷裂，隧道襯砌出現了一系列破壞。特別是1995年，日本阪神大地震對神戶市的地鐵線路造成嚴重破壞，它也是世界范圍內大型地下結構遭受最嚴重破壞的首例。阪神地震給地鐵結構造成的嚴重破壞及由此帶來巨大的生命和財產損失，引起了世界各國對地下結構抗震設計和研究的重視。我國地處地震帶之間，地震活動頻繁。1999年9月21日，我國臺灣省臺中地區發生了里氏7.3級地震，臺中地區57座山嶺隧道有49座受到不同程度的損壞；2008年汶川特大地震中，根據四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院的調查統計，四川地區共有56條隧道受到不同程度的損壞，損壞程度如圖所示[1]：

圖1 地震中公路隧道受損評估統計結果

2.研究現狀

地下工程特別是城市地鐵是生命線工程，因此這對我國地下結構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響應的基本研究方法主要有：現場實測、實驗研究、理論分析[2-4]。

2.1 現場實測

現場實測主要是隧道及地下工程在地震時的結構力學的響應，它包括震害調查和現場試驗兩大類，由于震害調查是在地震發生后，受到觀測時間、手段和條件的限制，但其是原型實驗最真實的結果，地震后巖土體與結構物的變形是一個場的概念，而模型試驗很難模擬這一點。所以，地震時原位現場資料的采集成為隧道及地下隧道結構抗震研究中必不可少的手段之一，故一直很受重視。如Dowding和Rozen[5]根據71座鐵路隧道和水工隧洞的地震破壞調查資料，得出了隧道地震損壞與震級、裂度和震中距之間的關系曲線及與地面運動之間的關系；岡本舜三[6]根據日本隧道地震損害的調查資料，得出了隧道免遭地震動力破損應距震源的安全距離，總結了隧道地震損害與襯砌厚度、巖土介質條件的關系。繼1970年日本首先利用松化群發地震測定地下管線動態應變后，人們又對沉埋隧道、盾構隧道和地下隧道等進行了地震觀測，掌握了地下結構的動力特性。

2.2 實驗研究

試驗研究主要有人工震源試驗和振動臺試驗。由于起振力較小，代價昂貴，而且實地材料類型單一，人工震源實驗法很難反映出建筑物的非線性性質和地基斷裂等因素對地下結構地震反應的影響，一般不易采用。振動臺實驗法能夠較好地把握地下結構的地震反應特性以及地下結構與地基之間的相互作用特性等問題，通過相似材料的物理模擬可以深入了解地下隧道襯砌結構的動力響應規律和震害特征，可以檢驗理論計算結果、驗證數值模擬的正確性，從而改進計算模型和分析方法；此外還有助于隧道抗減震措施的優化和驗證，從而為隧道的抗震設計提供依據，因此得以廣泛應用。大支等人[4]首先采用振動臺實驗法研究了砂質地基液化對管線的影響問題；隨后日本又利用這種方法對隧道抗震加固實驗進行了實驗。我國也利用振動臺輸入地震的方法對隧道模型抗震加固問題進行了試驗，并開展了利用振動臺輸入地震波的隧道模型試驗。90年代初，美國開展了大型模型的抗震實驗技術。Phillips[7]曾在美國內華達州核試驗場附近的一座試驗隧道中進行過地下核爆炸的震動響應試驗。Iwatate等[8]利用大型振動臺試驗模擬了阪神地震中地鐵結構的振動破壞過程，并與實際震害進行了比較。

在國內，季倩倩等[9]在國內首次采用振動臺模型試驗研究了上海軟土地鐵車站結構的抗震性能，深入了解軟土地鐵結構的動力響應規律，為理論計算結果的正確性提供了驗證；尚昊等[10]開展了大斷面地下結構振動臺模型試驗，檢測結構埋深、豎向地震荷載等因素對結構抗震能力的影響；通過對結構的加速度、動應變、位移等試驗數據的分析、比較，找到了一些大斷面地下結構的動力響應分布規律。劉晶波等[11]采用清華大學離心機振動臺進行了砂土地基—地下結構相互作用系統的離心機振動臺模型試驗。

2.3 理論分析

理論分析方法：波動理論和有限元法是地下結構抗震的兩種主要的理論分析基礎。地下結構抗震理論分析方法有兩類：一種是波動法，另一種是相互作用法，在這兩種方法基礎上發展了許多抗震分析的實用方法，如擬靜力法、反應位移法、ST. John法、圍巖應變傳遞法、地基抗力系數法、有限元法等。目前常用的理論分析方法有：田村重二郎的質量彈簧模型法（主要針對沉管隧道而言）、福季耶娃法、ST. John法、Shukla法、反應位移法、BART法、遞推衍射法等。

理論分析方法在國內的研究成果較為豐富。孫鐵成等[12]研究了圍巖、抗減震層和襯砌等材料的剛度、阻尼和密度之間的匹配對隧道位移傳遞系數的影響，首次提出了地下結構綜合位移傳遞系數的概念；黃勝等[13]提出一種新的基于無限元人工邊界的合理地震動輸入法，為地下結構抗震設計方法研究提供一定的理論參考。嚴松宏[14]運用概率方法和脈沖響應函數原理，探討隧道及地下結構在彈性工作狀態下隨機地震響應分析及其動力可靠度研究的確定性方法，分析隧道及地下結構隨機地震響應的統計特性以及隧道及地下結構地震動力可靠度；林志等[15]在廣泛總結分析國內外關于地下工程結構抗震設計文獻的基礎上，從多自由度體系的動力平衡微分方程出發，采用時程分析法，計算盾構區間隧道襯砌結構的地震反應，并將連續介質快速拉格朗日差分法運用到地下結構的抗震研究中，研究在地震動作用下，地下鐵道的動力反應的過程；曾德順[16]用反應變位法對區間隧道的抗震設計中的問題進行了研究給出了隧道埋深、剪切波速、卓越周期、彈性地基剛度與隧道軸向變形和彎曲變形相互關系的結果；劉晶波[17]在借鑒地上結構抗震分析的 Pushover 方法思想的基礎上，提出一種適用于地鐵等地下結構抗震分析與設計使用的 Pushover 分析方法。

3.局限性

地下結構的震害表現形式多樣,破壞機理復雜且影響因素較多。目前,雖然對隧道抗震減震措施和分析方法的研究工作已經展開,但還沒有形成一個系統的分析理論和完善的抗震減震方法。現有國內外的抗震分析方法都存在不同程度的不足。震害調查很難對地震過程中的動力響應進行量測，也無法控制地震波的輸入機制和邊界條件，更無法主動地改變各種因素以對某一現象進行有目的、多角度的研究。原型觀測能客觀反映規律，真實可靠，是地下隧道結構抗震研究中必不可少的手段之一，但是觀測機會難得，并且觀測費用昂貴。因此，原型觀測在實際應用中受到了很大的限制。模擬試驗是目前研究隧道地震動力響應最有效、最直觀的方法，但是同時必須看到，該方法在材料動力特性的模擬、相似關系比的確定和模型邊界的處理等方面還存在不同程度的困難,而且模擬試驗費用比較昂貴。

理論分析方法也存在著局限性，由于地震時，支配地下結構地震反應的因素是地基變形而不是地下結構的慣性力，因此，將靜力法作為地下結構抗震設計的原則是不合適的。反應位移法則略去了結構本身慣性力的影響，認為地下結構地震響應僅取決于結構所在位置的地層變位，從而把地下結構的地震反應簡化成擬靜力進行計算。圍巖應變傳遞法要準確地確定合理的應變傳遞率是非常困難的；另外其他方法做了大量簡化，精度難以保證，如動力有限元分析法在計算模型及其參數的確定、地震波及其輸入方式的選定等方面需要進行一定的簡化，致使計算結果難以完全反映地下結構的復雜運動特性。

4.結語

通過原型觀測和模型試驗結果定性的分析震害產生的物理機制,總結特性規律和分析災變后果，在此基礎上建立合理的能夠反映實際動力相互作用規律的數理分析模型,并發展相應的數值分析方法，再通過模型試驗結果對數值方法的可靠性加以驗證，這是目前分析抗震性能的有效途徑[18]。未來模型試驗的設計應進一步優化，使其更符合真實的應力狀態和動力響應；在數值模擬中應合理選用結構的動力本構模型，使其更加準確描述地震作用下結構與周圍巖土體作用的響應，這是未來應當研究的工作。

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馬韋韋 （1987-）男 江蘇南通 研究生橋梁與隧道工程專業。