通過活斷層區地鐵隧道地震反應分析

趙 穎

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

通過活斷層區地鐵隧道地震反應分析

趙 穎

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

地鐵隧道作為生命線工程的重要組成部分，其抗震問題日益受到關注。早期人們認為地下結構受周圍土體的約束，具有良好的抗震性能，但1995年日本阪神地震造成了神戶市部分地鐵車站和區間隧道受損嚴重，震后修復困難，產生巨大的經濟損失，才使人們意識到地下結構的抗震問題也不容忽視。我國是世界上多地震國家之一，處于活動期的斷層在我國分布較廣，為避免使結構遭受活斷層錯動引發的震害，避讓措施成為地鐵隧道建設選線設計中的首選。然而，為了滿足交通功能的需要，在許多情況下地鐵線路的走向不可避免的要經過活斷層，活斷層錯動及地震動作用會對地鐵、隧道等地下工程構成嚴重威脅。目前對于通過活斷層區隧道抗震方面的相關研究不夠深入，還沒有制定出合理完整的跨斷層地下結構抗震設計規范。為了研究通過地震活斷層區地鐵隧道的地震反應特征及損傷破壞機理，發現其抗震

薄弱環節，以便為其抗震設計和安全性評價提供參考依據，本論文主要完成了以下研究：

（1）搜集了世界范圍內活斷層斷裂引發地表位錯的歷史震害資料，采用統計回歸分析方法，根據所搜集的震害數據回歸擬合了不同斷層類型基巖位錯與震級之間的統計關系式。基于擬靜力彈塑性有限元方法編制的覆蓋土層地震斷裂分析軟件，研究了不同土層性質下的地表斷裂位錯，經過大量的計算分析分別建立了走滑斷層位錯作用下地表位錯與震級、覆蓋土層厚度之間的關系式，以及逆斷層位錯作用下地表位錯與震級、覆蓋土層厚度、斷層傾角之間的關系式，而不僅僅局限于根據震級大小來估算地表位錯，以便能夠較準確地根據斷裂可能發生的地震震級估計工程場地可能出現的地表位錯。研究指出，增加基巖上覆土層厚度能夠減輕地表的破壞程度，場地土為粉質粘土時產生的震害相對于場地土為粘土時要重。

（2）以北京地鐵7號線的區間隧道作為工程背景，基于擬靜力有限元方法，利用損傷指標研究了隧道襯砌結構在不同斷層類型位錯作用下的損傷破壞機理，重點分析了結構損傷的開始部位、發展過程以及最終的損傷程度。研究結果表明，在正、逆斷層位錯作用下，隧道襯砌拱頂部位最先出現損傷且損傷最為嚴重。在走滑斷層位錯作用下，襯砌結構拱腰部位最先出現損傷且損傷最為嚴重。隧道襯砌結構出現損傷的區域主要發生在活斷層附近一定范圍內。通過對不同工況進行大量的計算分析建立了不同斷層類型位錯作用下，可不考慮斷層位錯影響的臨界覆蓋土層厚度與斷層位錯量之間的關系式，回歸擬合了能夠估計隧道結構在斷層位錯作用下的損傷區域范圍以及破壞最嚴重處的位置的關系式，為通過活斷層區埋地隧道的抗震設計提供了參考依據。根據計算結果給出了適用于北京地區，針對不同震級情況下，可不考慮活斷層錯動對于淺埋隧道影響的工程場地覆蓋土層厚度值。此外，從襯砌厚度、襯砌外徑、土層性質、隧道埋深和隧道與斷層的交角5個方面對減輕地鐵隧道震害的影響因素進行了分析。

（3）對在地震荷載作用下結構響應的應變率范圍內混凝土和鋼筋材料的動態強度特性和變形特性進行了試驗研究。利用試驗結果對《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）中給出的混凝土靜態本構模型進行了修正，建立了混凝土動態損傷本構模型，并研究了混凝土的損傷值與應變速率之間的關系，分析了在高應變率下混凝土損傷產生滯后現象的原因。

（4）通過在有限元軟件中嵌入合理的混凝土動態損傷本構模型，考慮了損傷與應變速率之間的關系，采用數值模擬方法研究了活斷層錯動速率對隧道結構抵抗斷層位錯的能力、變形特性以及破壞形態的影響。計算結果表明，隨著活斷層錯動速率的增加，隧道結構在彈性階段抵抗斷層位錯的能力呈現出提高的趨勢。斷層錯動速率越快，隧道結構的變形能力越差，結構破壞得越突然，破損程度越嚴重。

（5）通過在有限元模型中施加無限元邊界，合理地模擬了半無限域空間土體，實現了計算區域無限大的特點。通過算例驗證了無限元邊界能夠很好地模擬波動穿過邊界的情況，與實際波動在土體中的傳播規律基本相符。建立了地基土-隧道體系整體有限元、無限元耦合模型，選用3條典型地震波作為地震動輸入，對隧道結構進行了地震反應時程分析，總結了在地震動作用下隧道結構的震害特征與破壞機理。計算結果表明，拱頂部位是整個結構地震反應中相對較為薄弱的部位。

關鍵詞活斷層；地表斷裂位錯；擬靜力；損傷；錯動速率；時程分析

（作者電子信箱，趙穎：zhaoyinglxd@126.com）

中圖分類號：U452.28；

文獻標識碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.012