地下結構震害及抗震分析方法綜述

安騰

摘要：目前，我國開始大力發展地下空間，尤其是地鐵工程。通常情況下，地下結構具有良好的抗震性能，地震災害相對較少。但是地下結構一旦遭受地震破壞，將會帶來嚴重損失并且難以修復。本文主要介紹了地下結構的地震災害特征以及常用的地下結構抗震分析方法。并且對比分析了反應位移法、自由場變形法和地震系數法等的特點以及不足。

Abstract： At present， China has begun to develop underground space， especially the subway projects. Usually， the underground structure has good seismic performance， and relatively few earthquake disasters. But if the underground structure is damaged by the earthquake， it will cause serious damage and cannot be repaired. This paper mainly introduces the seismic hazard characteristics of underground structures and compared the methods of seismic analysis of underground structures， such as the reaction displacement method， free field deformation method and so on.

關鍵詞：地下結構；地震災害；抗震性能；反應位移法

Key words： underground structure；earthquake disaster；seismic performance；reaction displacement method

中圖分類號：TU93 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0244-02

0 引言

隨著現代城市的不斷發展與人口的迅速增長，人類對生活空間的需求也不斷擴大，地下結構的不斷發展便是其真實寫照。地鐵車站、隧道、地下商場等如雨后春筍般應運而生。但是近年來，自然災害頻繁發生，尤其是地震對人類的生活造成極大困擾，許多地下結構因遭受地震作用而發生破壞[1][2]。因此，在建設地下結構的同時，應對其抗震性能提出更高的要求。

一般情況下，地下結構的抗震性能相比于地上結構相對良好，因此多數已建成的地下結構都沒有考慮抗震性能。但是，地下結構一旦發生地震破壞，往往造成的生命財產損失將是無法估量的。1995年阪神地震中，大量地下結構尤其是地鐵車站及區間隧道發生不可修復的損壞。而神戶縣的大開地鐵車站中柱發生破壞導致車站頂板坍塌造成上層覆土層大量沉降。由于此次破壞遠遠超出了人們的想象，從事土木工作的人員才發現地下結構的抗震性能并不竟如人意，于是開始重視地下結構的抗震研究。近些中國各地地震不斷，尤其是四川的汶川地震，使得許多地下結構嚴重毀壞且不可修復。現在地下結構多為城市交通通道，如地鐵車站及隧道等。一旦破壞不僅造成交通癱瘓，而且容易引發次生災害，使得人們生命財產損失慘重。因此，地下結構的抗震性能研究問題顯得更加迫切和重要。

1 地下結構的震害研究

人們對地震災害的記錄主要是從19世紀初期開始，因為在更早的時候，地下結構相比于現在略少，而且由于其在巖土中故抗震性能相對于地上結構良好。從19世紀開始，隨著地下結構的不斷發展其地震災害記錄也愈來愈多。在研究這些地震災害記錄資料后發現，在同一地震下，地下結構抗震性能優于地上結構，但仍有許多地下結構在強震中發生不可修復性破壞，究其原因是由于其未經合理抗震設計。并且在這些震害資料中發現，地下結構發生嚴重破壞后部分還會導致火災等次生災害。因此，針對地下結構的抗震性能展開研究究顯得尤為重要。

1995年日本阪神發生了人類歷史上損失最為慘重的大地震。這次地震導致許多地下結構發生嚴重破壞。其中大開和上澤地鐵車站中大量側墻產生裂紋并且中柱發生損壞以及倒塌致使車站結構頂板坍塌，使車站上方道路與地面發生大量沉降與裂縫。圖1為上澤站和大開站中柱不同破壞模式和頂板坍塌情況[3][4]。

通過研究大量的地鐵車站震害資料發現：地鐵車站的破壞多從其中柱開始，即中柱為其薄弱環節。根本原因是由于地鐵車站隨著土體一起運動而發生較大的相對位移造成。通過研究發現，地下結構與地面結構的振動特性大不相同[5]。地下結構自振特性的變化，即結構的質量、剛度等的變化對其地震反應的影響并不是很大，而地基基巖的運動特性對結構的反應則應當重視。

通過觀測研究，總結出地下結構的震害特征主要有以下幾個方面[6][7]：①地下結構由于受周圍土體的約束故隨著埋深的增加而破壞越小。②地下結構周圍土體環境（土層、襯砌或圍巖）的剛度越大，結構破壞越小。③地下結構所處地質環境較差（斷層、滑坡、軟弱帶等），或者土層條件發生較大變化時，結構易被破壞。④地下結構的出入口、結構剛度和形狀突變部位容易破壞。

2 地下結構的抗震分析方法

地下結構的抗震分析方法有很多，現階段主要有三種：一為原型觀測法，即通過對地震中地下結構的觀測來解釋地下結構的動力反應；二是模型實驗法，通過振臺模型試驗定性的再現地震現象，以此來總結地下結構破壞規律分析災害后果；最后為理論分析，通過用數值方法或解析法建立合理的系統模型來模擬分析地下結構的地震響應特征。以上這三種方法各有特點和不足，通常需要將這三種方法結合起來以得到地下結構的地震反應規律。首先通過原型觀測來監測地下結構的地震響應及破壞過程，然后通過模型試驗再現其地震的實際現象，此過程中可控制邊界條件和土層性質等使得模型試驗更加豐富，以定性的研究地下結構在地震過程中的響應規律，最后再利用分析軟件建立合理的數值模型，模擬地下結構在實際工程中的地震響應。

數值法和解析法是工程設計中兩種常用的主流理論分析方法。其中，數值法是把結構和土體作為一個整體，在充分考慮土體非線性的基礎上求解得出地下結構的動力響應。在數值法中，運用較為廣泛的是動力有限元法，該方法利用有限元思想，可以模擬各種復雜邊界，分析復雜地質條件下結構的破壞，并且計算結構的動力反應。并且動力有限元法可以與最新計算機軟件結合，如ABAQUS和 FLAC3D等，使之在分析計算地下結構的地震動力反應時相得益彰。

現階段，針對地面結構的抗震設計分析方法已相對成熟，但由于地下結構與地面結構對地震的響應大不相同，故不能照搬地面抗震設計分析方法。上世紀中后期，地下結構的抗震理論與設計方法才逐漸開始發展。主要有兩種設計分析方法，即動力時程分析法和擬靜力法。動力時程分析法雖然能精確反應出結構各個時刻的動力響應，但是計算工作量過于龐大而且技術要求高，難以在工程中實踐應用。鑒于此，許多學者提出了一系列相關實用的地下結構抗震分析方法，即擬靜力法。擬靜力法在計算過程中進行了假設和簡化，因此計算量小，但精度不如時程分析法。但是該方法能合理反應地下結構的地震反應特點，故可以滿足工程設計要求。因此該方法也不失為一種實用有效的計算分析方法。

在分析地下結構的抗震性能時，由于地下結構受地基振動及周圍土體的影響，結構變形復雜，如果用三維模型來模擬，其計算過程中的高度非線性導致計算難以收斂且非常耗時。針對上述問題，各國學者研究提出了橫斷面和縱斷面抗震設計分析方法，即斷面分析法。本文主要對這兩種方法中的一些算法作簡要介紹和對比。

①縱向抗震計算方法。

反應位移法在上世紀70年代由日本學者提出，該方法主要用來模擬計算地下線性結構，并且認為影響地下結構地震響應的主要因素為地基變形。

自由場變形法于上世紀60年代提出，之后由St.John和Zahrah改進，推導了隧道由不同入射波從不同角度入射時的軸向應變、剪應變等。這種算法常與數值法相結合，不僅計算簡便，而且有效實用，曾用于許多大型工程。

②橫截面抗震計算方法。

地震系數法是以靜力理論為基礎，將地震荷載用與之相當的靜荷載替代，從而利用靜力模型來分析地下結構內力的一種方法。這種方法一般用于地下結構重量遠大于圍巖重量或者地下結構與地面結構合建時。但是地震系數法的缺點是不能準確的反應地下結構地震特點，而且當結構埋深或土層模量改變時，該方法的計算結果不再準確。

土-地下結構相互作用法其主要理論依據為地下結構與巖土介質在地震作用下的位移波形相似，從而研究得出。在做橫斷面設計時，該方法將土和地下結構作為一個整體而建立模型，首先對自由場地在地震作用下進行分析，然后將自由場地的剪切變形乘以相互作用系數得到結構剪切變形，從而計算結構的內力等。

反應位移法于上世紀70年代提出，該方法首先應用于縱斷面抗震計算方法中，隨后才逐漸應用于橫截面法中。該方法考慮到下結構響應的特點，將地層在地震作用下產生的相對位移通過地基以靜荷載的形式施加在地下結構上，從而計算求解結構的內力等。這種方法用靜力的方法求解動力問題，簡便有效容易計算，而且如果各項地震參數考慮周可以得出較好的結果。但反應位移法也有一定缺陷，首先其土體彈簧剛度值難確定，不論根據實驗結果還是地震觀測均難以準確推定，而不同彈簧剛度相對于結構的計算結果相差很大；其次該方法難以體現土體在地震時的相互作用，故不能真實反映地震時土體對結構的動力作用。

地下結構靜力彈塑性分析根據地上結構的 PUSHOVER分析方法而研究得出。該方法中需重點考慮水平荷載的分布形式，即對各土層和結構按照所處位置施加相應的水平加速度，考慮其水平慣性力，從而分析計算地下結構的地震響應。

3 結語

綜上，我們知道世界各國都已開始關注地下結構的抗震問題，并且提出了一些分析地下結構抗震的方法。目前，我國開始在一、二線城市大力修建地鐵，而且許多地鐵工程處于高烈度區，故更需要開展更加深入的理論分析和實驗研究，完善現有地下結構抗震分析方法，提出優良的地下結構抗震體系。這對我國城市建設有著重要的工程價值。

參考文獻：

[1]錢七虎，陳志龍，王玉北.地下空間科學開發與利用[M].南京：江蘇科學技術出版社，2007.

[2]Hashash Y M A， Park D， Yao J I. Ovaling deformations of circular tunnels under seismicloading，an update on seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling andunderground space technology， 2005， 20（5）：435-441.

[3]Jiang L Z， Chen J， Li J. Seismic response of underground utility tunnels： shaking table testingand FEM analysis[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2010， 9（4）：555-567.

[4]于翔，趙躍堂，郭志昆.人防工程的抗地震問題[J].地下空間， 2001，21（1）：28-32.

[5]沈慧.盾構隧道地震反應分析研究[D].大連理工大學，2006.

[6]Hashash Y M A， Hook J J， Schmidt B， et al. Seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2001， 16（4）： 247-293.

[7]李彬.地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究[D].清華大學，2005.