人防地下結構抗震研究

胡志耀

摘要：隨著地下空間開發規模的與日俱增，包括人防工程在內的地下結構的抗震性能越來越受到人們的廣泛關注，地下結構的抗震研究已逐漸成為當今地震工程界研究的重要方向。在此背景下，本文將圍繞人防地下結構的抗震性能展開研究，主要論述人防地下結構的發展概況、人防地下結構抗震的研究方法、地下結構地震動特性及提升抗震性能的建議三個方面的內容，以期能深入闡明人防地下結構的抗震性能，提升地下結構的抗震性能水平。

關鍵詞：人防工程；地下結構；抗震研究；抗震性能

在地下空間開發規模變大、人防工程建造數量增多、地震的不規則爆發增多的復雜背景下，對人防地下工程抗震性能的相關研究便具有了極其深遠的現實意義。我國地理位置特殊，正處于三大板塊交界的大陸淺源強地震區，全國多半城市處于地震區，所以，這也就意味著人防地下工程作為抗震性能最好的抗震工程，其抗震性能必然是人們關注的熱點問題。為此，下面本文將具體來分析人防地下結構的抗震問題，以期能夠促進地下防震工程的進一步發展。

一、 人防地下結構的發展概況

我國是一個多地震國家，且處于三大板塊的交接地帶，三大板塊的構造運動導致了構造地震，使得地殼巖石中長期積累的變形壓力在極短的時間內轉化為動能，導致了地震的爆發。隨著中國城市化的迅猛發展，在城市的人口壓力、交通壓力、用地壓力、生態環境壓力等多重壓力之下，我國地下空間開發規模迅速增大，，地下空間的開發利用已成為眾所關心的熱點。我們在建設人防工程、地下民用工程與地下戰備工程時，都把地下結構的抗震設計及安全性評價放在了極為突出的位置，這一點是非常值得欣慰的。

中國的地下空間開發開始的時間較早，在20世紀50年代便開始陸續修建早期的人防工程，積累了一定的經驗之后，60、70年代開始發動群眾構建一批簡易的人防工事，但當時的建造水平非常有限，使用壽命很短。如今，經過幾十年的探索，地下空間開發技術已逐漸嫻熟，并成功運用到各類地下建筑中，出現了我們所熟知的地下電站、地下城市、地下儲能、地下鐵道及輕軌、地下超市、地下停車場、水利工程、海底隧道等等，地下結構建筑已成功開拓了廣大的應用領域。1978年，廈門第三次全國人防會議確定了人防工程的建設原則，指出要堅持“長期堅持、平戰結合、全面規劃、重點建設”的原則。此外，自《人民防空法》頒布之后，地下人防建設的規模逐漸增大，而且出現了民用防空工程與戰備防空工程界限模糊的現象，這也就意味著民用防空工程可以改建成戰備防空工程。在未來的地下建筑中，我們須將遵循地下空間的開發建設與人防工程建設統籌兼顧的原則，切實貫徹“平戰結合”的原則，這是人防地下結構未來發展的必由之路。

二、 人防地下結構抗震的研究方法

地下結構抗震問題的研究方法主要有三類：地震觀測、實驗研究和理論分析。地震觀測是指在地震發生時進行實時測量，通過實測地下結構在地震時的動力特性來探究地下結構的抗震特點及抗震性能。第二類是理論分析法，目前常用的理論分析法是相互作用法和波動法。相互作用法是建立在求解結構運動方程式的基礎上，將介質的作用比擬為彈簧和阻力，然后通過地面結構模型進行分析的一類研究方法；波動法主要也是以求解方程為基礎，把介質和結構看作系統來加以分析的方法。前兩種方法的應用范圍較小，下面重點來分析模型實驗法。

模型實驗法是地下結構現有研究方法中最重要的研究途徑，主要可分為三類：人工震源實驗、振動臺實驗和離心機振動臺實驗。人工震源實驗是人為模擬震源的一種實驗方式，但是人工制造的模擬震源激震力一般較小，不易達到較高應力狀態，且無法反應地下結構非線性性質及周圍土體破壞等對地下結構動力反應的影響，應用范圍比較受限；其次是振動臺實驗法，這類方法的應用范圍較前者來說廣泛了很多，相關的研究案例有很多，筆者摘選其中比較典型、有說服力的一個案例來講解一下。徐志英、施善云采用加重乳膠鐵粉材料，制成了實驗對象——方形管道模型，實驗者選取了3m×5m大型振動臺上進行實驗。模型尺寸分別是：橫斷面24cm×24cm，壁厚2. 5cm，模型總長120cm。實驗對象準備完畢后，將實驗對象埋置于大型剛性容器填砂中，箱體長360cm，寬120cm，高100cm。采用簡諧波進行激振，并進行跟定測量，主要測量三類數據：地下結構的內動應力、砂土與地下結構接觸面上的動土壓力、加速度。在實驗基礎上提出了土-地下結構動力相互作用的計算模型。離心機實驗法的優勢最明顯，它可以通過增加模型的場加速度，模擬出與原型相等或相近的真實應力水平，重現原型的物理特性。

三、 地下結構地震動特性及提升抗震性能的建議

通過對以往發生的地震動所產生的震害情況的分析，我們大致可以得出地下結構地震動普遍具有的如下特性：一是地震反應的特點。地下結構地震時的反映特點與地面結構相比有很大不同，地震結構的振動變形會受到周圍地基土壤的約束作用，動力反應一般不會表現出自振特性；地下結構受震時一般不會波及周圍地震，這與地上結構有明顯不同；地下結構受震時的振動形態主要受地震波入射方向的影響，對于地下結構而言，地震形態的變化與入射方向存在不同步變化，即便入射方向改變不大，地下結構各點的變形和應力也可能會發生很大的變化；地下結構與地基之間存在著相互影響、相互作用的關系，這個相互關系會對地下結構的動力反應產生影響，但是影響程度是不同的，影響程度最大的因素是地基的運動特性。二是地震震害部位，地下結構的震害部位主要發生在地下與地面結構的交界處， 因為交界部位的結構穩定性是最差的，在地震時所受震害最深。例如地下隧道的進出相交口處、隧道的轉彎處、兩洞相交或者平動與豎井的相交部位，結構周圍巖土特性發生突變的部位等等。三是影響震害的因素主要有地形、土壤條件、斷面形狀及大小、震源位置、結構或襯砌的尺寸及材料等等。

結合國內外地下抗震結構的分析，現將提高地下結構抗震能力的舉措總結如下：一是地下結構的選址問題。選址問題是地下結構建造過程中一個極其關鍵的問題，為此，選址必須慎重、科學、合理。選址的通用原則是必須將地下結構建于穩定巖層和地基條件好的場地當中，避開斷層、山坡坡面、山坡不穩定地段，避免選擇局部地基情況變化較大的場地；二是在建造過程中，一定盡可能選埋較大的路線，建造隧洞時要加固隧道的出入口，兩洞相交時要保證交角度數接近直角，因為直角角度是最安全、最穩定的角度，在地震發生時受震害最小，若三個隧洞需要相交時，一定避免三洞相交于同一位置，同時也要關注三洞交點之間的距離，這個距離不能太近。

結束語：

國內外人防地下結構的抗震性能相關數據分析，結合全球范圍內多次地震震害破壞現象的相關資料，我們發現地震載荷下現有的人防地下結構并不安全，其抗震性能和安全性能有待提升。通過上述本文的探究，我們圍繞人防地下結構的抗震問題，著重論述了人防地下結構的發展概況、人防地下結構抗震的研究方法、地下結構地震動特性及提升抗震性能的建議三個方面的內容，以期能夠提升人防地下結構的抗震性能，促進人防工程和地下開發工程的進一步發展。

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