馬韋韋

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008

地下工程抗震分析的研究現(xiàn)狀及展望

馬韋韋

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008

隨著地下工程的大量興建和地震自然災(zāi)害的頻發(fā)，地下工程結(jié)構(gòu)的震害問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。文章對(duì)國(guó)內(nèi)外在隧道及地下工程抗震減震研究分析方面的成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出了各自存在的優(yōu)勢(shì)及局限性，并提出了自身對(duì)今后該領(lǐng)域研究發(fā)展方向的看法。

地下工程；抗震分析；原型觀測(cè)；理論分研究；模擬實(shí)驗(yàn)

1.研究背景

地震是自然界一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害。過(guò)去，由于地下結(jié)構(gòu)數(shù)量和規(guī)模的限制，其震害事例較少，加之地下結(jié)構(gòu)受到周圍地層的約束，即使發(fā)生地震其震害程度也相對(duì)較輕。因此人們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)有較好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破壞，故地下結(jié)構(gòu)的抗震研究長(zhǎng)期未得到重視。

然而，隨著地下空間的開(kāi)發(fā)和地下結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下結(jié)構(gòu)也相繼出現(xiàn)了各種震害。1923年日本關(guān)東7. 9級(jí)大地震，震區(qū)內(nèi)116座鐵路隧道，有82座受到破壞；1952年美國(guó)加州克恩郡7.6級(jí)的地震造成南太平洋鐵路的四座隧道損壞嚴(yán)重，1978年日本伊豆尾島發(fā)生7.0級(jí)地震，震后出現(xiàn)了橫貫隧道的斷裂，隧道襯砌出現(xiàn)了一系列破壞。特別是1995年，日本阪神大地震對(duì)神戶市的地鐵線路造成嚴(yán)重破壞，它也是世界范圍內(nèi)大型地下結(jié)構(gòu)遭受最嚴(yán)重破壞的首例。阪神地震給地鐵結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重破壞及由此帶來(lái)巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，引起了世界各國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和研究的重視。我國(guó)地處地震帶之間，地震活動(dòng)頻繁。1999年9月21日，我國(guó)臺(tái)灣省臺(tái)中地區(qū)發(fā)生了里氏7.3級(jí)地震，臺(tái)中地區(qū)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(jù)四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，四川地區(qū)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(píng)估統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.研究現(xiàn)狀

地下工程特別是城市地鐵是生命線工程，因此這對(duì)我國(guó)地下結(jié)構(gòu)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(yīng)的基本研究方法主要有：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析[2-4]。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要是隧道及地下工程在地震時(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)的響應(yīng)，它包括震害調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩大類，由于震害調(diào)查是在地震發(fā)生后，受到觀測(cè)時(shí)間、手段和條件的限制，但其是原型實(shí)驗(yàn)最真實(shí)的結(jié)果，地震后巖土體與結(jié)構(gòu)物的變形是一個(gè)場(chǎng)的概念，而模型試驗(yàn)很難模擬這一點(diǎn)。所以，地震時(shí)原位現(xiàn)場(chǎng)資料的采集成為隧道及地下隧道結(jié)構(gòu)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(jù)71座鐵路隧道和水工隧洞的地震破壞調(diào)查資料，得出了隧道地震損壞與震級(jí)、裂度和震中距之間的關(guān)系曲線及與地面運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系；岡本舜三[6]根據(jù)日本隧道地震損害的調(diào)查資料，得出了隧道免遭地震動(dòng)力破損應(yīng)距震源的安全距離，總結(jié)了隧道地震損害與襯砌厚度、巖土介質(zhì)條件的關(guān)系。繼1970年日本首先利用松化群發(fā)地震測(cè)定地下管線動(dòng)態(tài)應(yīng)變后，人們又對(duì)沉埋隧道、盾構(gòu)隧道和地下隧道等進(jìn)行了地震觀測(cè)，掌握了地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究主要有人工震源試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。由于起振力較小，代價(jià)昂貴，而且實(shí)地材料類型單一，人工震源實(shí)驗(yàn)法很難反映出建筑物的非線性性質(zhì)和地基斷裂等因素對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，一般不易采用。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)法能夠較好地把握地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性以及地下結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用特性等問(wèn)題，通過(guò)相似材料的物理模擬可以深入了解地下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和震害特征，可以檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果、驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，從而改進(jìn)計(jì)算模型和分析方法；此外還有助于隧道抗減震措施的優(yōu)化和驗(yàn)證，從而為隧道的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)，因此得以廣泛應(yīng)用。大支等人[4]首先采用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)法研究了砂質(zhì)地基液化對(duì)管線的影響問(wèn)題；隨后日本又利用這種方法對(duì)隧道抗震加固實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。我國(guó)也利用振動(dòng)臺(tái)輸入地震的方法對(duì)隧道模型抗震加固問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)，并開(kāi)展了利用振動(dòng)臺(tái)輸入地震波的隧道模型試驗(yàn)。90年代初，美國(guó)開(kāi)展了大型模型的抗震實(shí)驗(yàn)技術(shù)。Phillips[7]曾在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場(chǎng)附近的一座試驗(yàn)隧道中進(jìn)行過(guò)地下核爆炸的震動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)。Iwatate等[8]利用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M了阪神地震中地鐵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)破壞過(guò)程，并與實(shí)際震害進(jìn)行了比較。

在國(guó)內(nèi)，季倩倩等[9]在國(guó)內(nèi)首次采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了上海軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能，深入了解軟土地鐵結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，為理論計(jì)算結(jié)果的正確性提供了驗(yàn)證；尚昊等[10]開(kāi)展了大斷面地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)埋深、豎向地震荷載等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響；通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度、動(dòng)應(yīng)變、位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、比較，找到了一些大斷面地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分布規(guī)律。劉晶波等[11]采用清華大學(xué)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了砂土地基—地下結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。

2.3 理論分析

理論分析方法：波動(dòng)理論和有限元法是地下結(jié)構(gòu)抗震的兩種主要的理論分析基礎(chǔ)。地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析方法有兩類：一種是波動(dòng)法，另一種是相互作用法，在這兩種方法基礎(chǔ)上發(fā)展了許多抗震分析的實(shí)用方法，如擬靜力法、反應(yīng)位移法、ST. John法、圍巖應(yīng)變傳遞法、地基抗力系數(shù)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(zhì)量彈簧模型法（主要針對(duì)沉管隧道而言）、福季耶娃法、ST. John法、Shukla法、反應(yīng)位移法、BART法、遞推衍射法等。

理論分析方法在國(guó)內(nèi)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(duì)隧道位移傳遞系數(shù)的影響，首次提出了地下結(jié)構(gòu)綜合位移傳遞系數(shù)的概念；黃勝等[13]提出一種新的基于無(wú)限元人工邊界的合理地震動(dòng)輸入法，為地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究提供一定的理論參考。嚴(yán)松宏[14]運(yùn)用概率方法和脈沖響應(yīng)函數(shù)原理，探討隧道及地下結(jié)構(gòu)在彈性工作狀態(tài)下隨機(jī)地震響應(yīng)分析及其動(dòng)力可靠度研究的確定性方法，分析隧道及地下結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性以及隧道及地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力可靠度；林志等[15]在廣泛總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從多自由度體系的動(dòng)力平衡微分方程出發(fā)，采用時(shí)程分析法，計(jì)算盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并將連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法運(yùn)用到地下結(jié)構(gòu)的抗震研究中，研究在地震動(dòng)作用下，地下鐵道的動(dòng)力反應(yīng)的過(guò)程；曾德順[16]用反應(yīng)變位法對(duì)區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)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(guān)系的結(jié)果；劉晶波[17]在借鑒地上結(jié)構(gòu)抗震分析的 Pushover 方法思想的基礎(chǔ)上，提出一種適用于地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)使用的 Pushover 分析方法。

3.局限性

地下結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)形式多樣,破壞機(jī)理復(fù)雜且影響因素較多。目前,雖然對(duì)隧道抗震減震措施和分析方法的研究工作已經(jīng)展開(kāi),但還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的分析理論和完善的抗震減震方法?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的抗震分析方法都存在不同程度的不足。震害調(diào)查很難對(duì)地震過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行量測(cè)，也無(wú)法控制地震波的輸入機(jī)制和邊界條件，更無(wú)法主動(dòng)地改變各種因素以對(duì)某一現(xiàn)象進(jìn)行有目的、多角度的研究。原型觀測(cè)能客觀反映規(guī)律，真實(shí)可靠，是地下隧道結(jié)構(gòu)抗震研究中必不可少的手段之一，但是觀測(cè)機(jī)會(huì)難得，并且觀測(cè)費(fèi)用昂貴。因此，原型觀測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制。模擬試驗(yàn)是目前研究隧道地震動(dòng)力響應(yīng)最有效、最直觀的方法，但是同時(shí)必須看到，該方法在材料動(dòng)力特性的模擬、相似關(guān)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(yàn)費(fèi)用比較昂貴。

理論分析方法也存在著局限性，由于地震時(shí)，支配地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的因素是地基變形而不是地下結(jié)構(gòu)的慣性力，因此，將靜力法作為地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則是不合適的。反應(yīng)位移法則略去了結(jié)構(gòu)本身慣性力的影響，認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)僅取決于結(jié)構(gòu)所在位置的地層變位，從而把地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)簡(jiǎn)化成擬靜力進(jìn)行計(jì)算。圍巖應(yīng)變傳遞法要準(zhǔn)確地確定合理的應(yīng)變傳遞率是非常困難的；另外其他方法做了大量簡(jiǎn)化，精度難以保證，如動(dòng)力有限元分析法在計(jì)算模型及其參數(shù)的確定、地震波及其輸入方式的選定等方面需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，致使計(jì)算結(jié)果難以完全反映地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)結(jié)果定性的分析震害產(chǎn)生的物理機(jī)制,總結(jié)特性規(guī)律和分析災(zāi)變后果，在此基礎(chǔ)上建立合理的能夠反映實(shí)際動(dòng)力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型,并發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法，再通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值方法的可靠性加以驗(yàn)證，這是目前分析抗震性能的有效途徑[18]。未來(lái)模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，使其更符合真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和動(dòng)力響應(yīng)；在數(shù)值模擬中應(yīng)合理選用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力本構(gòu)模型，使其更加準(zhǔn)確描述地震作用下結(jié)構(gòu)與周圍巖土體作用的響應(yīng)，這是未來(lái)應(yīng)當(dāng)研究的工作。

[1]高波,王崢崢,袁松,等.汶川地震公路隧道震害啟示[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,44(3):336～341

[2] 孫鐵成,高波,葉朝良. 地下結(jié)構(gòu)抗震減震措施與研究方法探討[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,44(3):1～5

[3]于翔,陳啟亮,趙躍堂,等. 地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法及其現(xiàn)狀[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,5:63～69

[4]陳貴紅.沉管隧道抗震數(shù)值分析[碩士學(xué)位論文D]. 成都：西南交通大學(xué)，2002

[5] Dowding C H and Rozen A. Damage to rock tunnels from earthquake shaking[J].J. Geotech.Eng.Div., ASCE.1978,Vol.104 (GT2):175-191

[6]李育樞.山嶺隧道地震動(dòng)力響應(yīng)及減震措施研究[博士學(xué)位論文D].上海：同濟(jì)大學(xué),2006

[7] Phillips J S, Luke B A. Tunnel damage resulting from seismic loading [C].Proc. 2nd Intern. Conf. on Rec. Adv. in Geot. Earthq. Eng. and soil Dyn. St. Louis, Missouri, 1991. pp207-217

[8] Iwatate T,Kobayashi Y,Kusu H,et a1．Investigation and shaking table tests of subway structures of the Hyogoken—Nanbu earthquake [C].12W CEE，2000：1043

[9]季倩倩.地鐵車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究[博士學(xué)位論文D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2002

[10]尚昊,郭志昆,張武剛.大斷面地下結(jié)構(gòu)抗震模型試驗(yàn)[J].巖土工程界,2002,5 (10):60～61

[11]劉晶波,劉祥慶,王宗綱,等.土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用系統(tǒng)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,11:114～121

[12]孫鐵成,王偉,申玉生.材料剛度匹配關(guān)系在地下結(jié)構(gòu)減震原理中作用的研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,23(2):109～115

[13]黃勝, 陳衛(wèi)忠, 伍國(guó)軍,等.地下工程抗震分析中地震動(dòng)輸入方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010,29(6):1254～1261

[14]嚴(yán)松宏.地下結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震響應(yīng)分析及其動(dòng)力可靠度研究[博士學(xué)位論文D].成都：西南交通大學(xué)，2003

[15]林志,朱合華,楊超,等. 盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(5):607～611

[16]曾德順. 反應(yīng)變位法在區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程力學(xué)（增刊），1999,：774～778

[17]劉晶波,劉祥慶,李彬. 地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的 Pushover 分析方法[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(4):73～79

[18]劉晶波,李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(6):106～109

[19]林皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述(上)[J].世界地震工程, 1990, 6(2): 1～9

[20]林皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述(下)[J].世界地震工程, 1990, 6 (3): 1～10

[21]李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究[博士學(xué)位論文D].北京：清華大學(xué),2005

[22]嚴(yán)松宏，高峰.地下結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力可靠度分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004. 26(5): 37～39

[23]楊林德，季倩倩，鄭永來(lái)等.軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2003,40(1): 7～11

[24]孫超,薄景山,齊文浩,等.地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀及展望[J]. 世界地震工程, 2009,25(2):94～98

[25]鐘興.淺談山嶺隧道抗震減震技術(shù)[J].西部探礦工程,2010,5:171～173

[26]王崢崢,高波,索然緒.雙洞隧道洞口段抗減震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2009,22(2):71～75

[27]朱永生.淺埋隧道地震動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析及研究[碩士學(xué)位論文D]. 成都：西南交通大學(xué)，2006

[28]楊小禮,李亮,劉寶琛. 強(qiáng)震作用下交通隧道的擬靜態(tài)反應(yīng)[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),2001,14(4):55～58

[29]孫鐵成,高波,葉朝良.地下結(jié)構(gòu)抗震減震的理論與計(jì)算現(xiàn)狀研究[J]. 路基工程,2008,1:26～27

[30]許增會(huì),宋宏偉.地震對(duì)地下工程影響的研究現(xiàn)狀與展望[J].山西建筑,2003, 29(7):35～36

[31]史良.黃土隧道抗震設(shè)計(jì)研究[碩士學(xué)位論文D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

[32]高峰,石玉成,嚴(yán)松宏等.隧道的兩種減震措施研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(2): 222～229

[33]韓錫勤,徐學(xué)勇.地下隧道工程抗震分析方法綜述[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30(增)：86～89

[34]鄧爽.長(zhǎng)江隧道襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的三維數(shù)值分析[碩士學(xué)位論文D].武漢：武漢理工大學(xué),2006

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.028

馬韋韋 （1987-）男 江蘇南通 研究生橋梁與隧道工程專業(yè)。