梁欽華

地下隧道抗震研究概述

梁欽華

（臺州學院 基建管理處 浙江臺州 317000）

地下隧道抗震分析采用的各種研究方法的介紹，并分析其的優(yōu)點與不足。

隧道；抗震

當今，地下隧道抗震研究有現場觀測、模型試驗研究以及理論分析三個方面[1]，下面對這三方面的研究現狀作一總結。

一、現場觀測

現場觀測是研究隧道地震響應最直接的方法，得到的結果也是最有價值的。但該法最大的難處是要進行長期的觀測，且實地觀測主要局限于地表面，對地下深部所取得的資料十分有限，這是其薄弱環(huán)節(jié)。

二、模型試驗研究

模型試驗研究有以下三種方法：普通振動臺試驗、離心機振動臺試驗以及人工震源試驗 [2]。人工震源法比較困難顯示結構的非線性特性，所以較少采用。

三、理論分析

由于現場觀測和模型試驗研究的耗費很大，所以目前大部分研究都集中在隧道抗震性的理論分析上。地下隧道抗震分析的理論方法雖然看起來名目繁多，實際上主要是三種方法：靜力法、擬靜力法和動力分析法。這三種方法又可以再細分為若干方法，下面對各種理論方法的研究現狀進行詳細的敘述。

1.靜力法

靜力法主要是指以日本學者大森房吉提出的靜力理論為基礎的各種計算方法。靜力法計算方便，工作量小。但是它的缺點同樣很突出，其計算結果的可靠性較低；另外，該法不能考慮土與結構相互作用。

2.擬靜力法

擬靜力法是目前使用最廣泛的方法，根據林皋[3]的研究，擬靜力法還可細分為以下兩類：一種是波動法，另外一種是相互作用法。

2.1波動法

基于不同的假設，波動法又可以細分為如下幾種：

(1)ST. John法[4]

John C. M. S.，Zahrah T. F.[5]認為地震波導致的地下隧道變形有3種，相應地，隧道承受的地震荷載有彎曲荷載、橫向荷載和軸向荷載3種。

(2)自由場變形法[6]

自由場變形法假定地震時隧道與地基的變形一致，因此兩者之間不存在相互作用。而自由場變形可以通過數值方法或者基于彈性波理論的彈性封閉解獲得。該方法并不復雜，已在美國舊金山海灣地區(qū)的快速地鐵運輸系統(tǒng)(BART)和Los Ageles[7, 8]地鐵工程等地下結構工程中得以應用。

2.2相互作用法[3]

根據不同的假設，有以下幾種方法。

(1)Shukla法[4]

美國學者Shukla D. K.，Rizzo P. C.，Stephenson D. E.[9]等確定了模型。

(2)反應位移法[10, 11]

反應位移法，又稱為反應變位法、位移響應法或質量-彈簧模型法。

(3)圍巖應變傳遞法[12]

圍巖應變傳遞法的假定同樣是基于地震觀測而來。

(4)地基抗力系數法[12]

地基抗力系數法是用相互作用計算模型，計算隧道橫斷面地震反應。

3.動力分析法

動力分析法就是為了計算結構-地基動力相互作用而提出的，雖然求解方法并不指定，但動力分析法一般是指動力有限元。進行動力有限元分析時，主要解決三個核心問題，即人工邊界、土非線性動力本構及地震波輸入方式。

將上述各主要理論方法匯總，進行分析，如下表1所示

表1 各種理論方法匯總對比

結論

本文對目前地下隧道抗震分析采用的各種研究方法作了較為詳細的介紹，并分析其的優(yōu)點與不足，得到以下一些結論：

(1)現場觀測得到的結果也是最有價值的，在條件允許時應盡量采用。

(2)目前，試驗的發(fā)展趨勢應以離心機振動臺試驗為主，普通振動臺試驗為輔。

(3)動力分析法能全面考慮復雜邊界、場地土成層性、土體動力非線性以及結構-地基動力相互作用，其解更加接近實際情況，因此應作為隧道抗震分析領域重點發(fā)展的分析方法。但這種方法還存在兩個待解決的問題，一是發(fā)展較為理想的土體動力本構模型及其相應的參數決定方法；二是考慮采用非一致地震波輸入，這是該方法應重點改進的兩方面。

[1]何海健, 劉維寧, 王霆. 地下鐵道抗震研究的現狀與探討. 中國安全科學學報, 2005.

[2]劉晶波, 劉祥慶, and 杜修力, 地下結構抗震理論分析與試驗研究的發(fā)展展望, 地震工程與工程振動, 2007.

[3]林皋, 地下結構抗震分析綜述(上), 世界地震工程, 1990.

[4]于翔, 陳啟亮, 趙躍堂, 王明洋, and 國勝兵, 地下結構抗震研究方法及其現狀, 解放軍理工大學學報(自然科學版), 2000.

[5]J. C. M. S. and Z. T. F., A seismic design of underground structures, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 21, pp. 65-197, 1987.

[6]李彬. .地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究. [博士學位論文]. 北京: 清華大學, 2005.

[7]T. R. and K. F., Earthquake design criteria for subways, Journal of the Structural Division Proceedings of the American Society of Civil Engineers, vol. 6, pp. 1213-1231, 1969.

[8]M. JE and M. JL, Seismic modeling and design of underground structures. Numerical Methods in Geomechanics. Innsbruck, 1991.

[9]S. D. K., R. P. C., and S. D. E., Earthquake load analysis of tunnels and shafts, in Proceeding of the seventh World Conference on Earthquake Enginnering vol. 8, 1980, pp. 20-28.

[10]周德培, 地鐵抗震設計準則, 世界隧道, vol. 2, pp. 36-45, 1995.

[11]川島一彥, 地下構筑物の耐震設計. 日本: 鹿島出版社, 1994.

[12]林皋, 地下結構抗震分析綜述(下), 世界地震工程, 1990.

TU91

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1007-6344（2017）03-0029-01