袁 勇，朱 力，禹海濤, *，馬華兵，李婷婷

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.中交二公局工程設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065；3.中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710075；4.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、天然氣等市政管線的公共隧道及其附屬設(shè)施[1]。相較于傳統(tǒng)直埋于地下或架在空中的市政管線形式，城市地下綜合管廊具有以下優(yōu)勢(shì)[2]：1)管線增容擴(kuò)容方便，易于在綜合管廊內(nèi)部檢修維護(hù)，有效避免道路反復(fù)開(kāi)挖；2)廊道內(nèi)管線不與土壤直接接觸，抗腐蝕性能好，最大限度增加管線使用壽命；3)防災(zāi)減災(zāi)性能突出。目前，我國(guó)眾多城市已經(jīng)開(kāi)展了地下綜合管廊示范工程建設(shè)。截至2020年底，全國(guó)已累計(jì)開(kāi)工建設(shè)城市地下綜合管廊近5 000 km。地下綜合管廊具有區(qū)別于其他類型地下工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體為：1)綜合管廊多采用明挖回填方式埋置于地表以下2.0～2.5 m，屬于淺埋結(jié)構(gòu)；2)由于綜合管廊的功能多樣性與復(fù)雜性，空間跨度較小，通常情況下跨徑3～5 m，屬于大型地下線性空間結(jié)構(gòu)[3]；3)綜合管廊由管廊結(jié)構(gòu)和內(nèi)置管道組成，是“城市生命線”的載體。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外地震頻發(fā)，地下綜合管廊在地震作用下發(fā)生了較為嚴(yán)重的破壞。除了管廊結(jié)構(gòu)自身的破壞，還有內(nèi)部管線的損壞，由此引發(fā)次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅城市公共安全。例如：1964年美國(guó)Alaska地震和1971年San Fernando地震，由于周圍土體液化大變形導(dǎo)致綜合管廊被拉斷，液化砂土流入管廊內(nèi)部，管廊被堵塞，運(yùn)營(yíng)停止。1971年，日本宮城地震中，仙臺(tái)市某段綜合管廊連接處被拉斷，廊道有裂紋，內(nèi)部管線因支架損壞產(chǎn)生橫向或縱向位移，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的破壞，其功能失效，城市供給中斷。1994年，北嶺地震中由于土體側(cè)向大變形導(dǎo)致綜合管廊開(kāi)裂，使得其內(nèi)的燃?xì)夤芫€發(fā)生破壞，導(dǎo)致爆炸[4-5]。1995年，日本阪神地震，仙臺(tái)市某64 km長(zhǎng)的綜合管廊供水管道損壞，造成供水中斷，水流入供氣系統(tǒng)影響供氣能力；神戶某綜合管廊結(jié)構(gòu)接縫處破壞嚴(yán)重，內(nèi)壁混凝土保護(hù)層剝落，雖未對(duì)其他管線造成大面積破壞，但仍嚴(yán)重影響了其功能。由此可見(jiàn)，城市地下管線抗震問(wèn)題日益凸顯，尤其對(duì)于新興的綜合管廊結(jié)構(gòu)形式，其抗震研究工作至關(guān)重要?！笆濉逼陂g，我國(guó)科技部立項(xiàng)了多個(gè)與城市綜合管廊抗震相關(guān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目或課題，以支持綜合管廊的抗震研究工作。

本文首先歸納并分析了歷史震害實(shí)例中綜合管廊結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)以及關(guān)鍵影響因素，簡(jiǎn)要概括了早期國(guó)內(nèi)外綜合管廊抗震研究的發(fā)展歷程。與已有研究文獻(xiàn)[6]不同，本文主要針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外綜合管廊抗震研究所涉及的關(guān)鍵影響因素(輸入地震動(dòng)特征、工程場(chǎng)地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn))對(duì)綜合管廊抗震研究的現(xiàn)狀展開(kāi)全面地闡述，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 綜合管廊震害特點(diǎn)及關(guān)鍵影響因素

1.1 綜合管廊震害特點(diǎn)

管廊結(jié)構(gòu)橫向剛度較大，總體表現(xiàn)為彎剪破壞，且脆性明顯，裂縫從腋角邊緣開(kāi)始出現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)為受彎破壞，且主要集中在壁板下部和變截面附近區(qū)域[7]，繼而出現(xiàn)襯砌龜裂、斷裂、內(nèi)壁混凝土大面積脫落等，可能導(dǎo)致內(nèi)置管線發(fā)生變形、晃動(dòng)、斷裂失效，造成城市供給中斷或引發(fā)次生災(zāi)害[6]。

此外，與一般地下結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)類似，管廊結(jié)構(gòu)接縫處為薄弱部位，地震發(fā)生時(shí)常在此處發(fā)生張拉失效及滲漏水；破壞多發(fā)生在土層介質(zhì)發(fā)生變化、不利場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)截面有較大變化處；受周圍土體變形影響較大，而對(duì)加速度并不敏感[2, 8]。與一般地下結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)的不同之處在于：管廊內(nèi)布設(shè)的管道在隨綜合管廊結(jié)構(gòu)變形的同時(shí)，對(duì)加速度較為敏感，可能會(huì)斷裂失效引發(fā)次生災(zāi)害，后期維護(hù)與重建成本高昂。

1.2 關(guān)鍵影響因素

通過(guò)對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)進(jìn)行分析，可總結(jié)得到：

1)地下綜合管廊一般埋深較淺，不同地層條件對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用表現(xiàn)出差異性。當(dāng)?shù)貙訉?duì)管廊結(jié)構(gòu)約束作用較小時(shí)，管廊與土體之間會(huì)發(fā)生滑移和脫離，此時(shí)需考慮結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響；反之，若管廊受周圍地層約束作用明顯，而對(duì)自身加速度響應(yīng)不敏感時(shí)，則可忽略結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響。

2)地下綜合管廊橫斷面尺寸介于管線與隧道之間，屬于狹長(zhǎng)線性地下結(jié)構(gòu)。由于大型綜合管廊往往由多個(gè)艙室構(gòu)成，截面剛度相較于大直徑隧道大，彎剪破壞和局部剪切破壞最為常見(jiàn)[7]，且管廊接頭和接縫處易發(fā)生破壞。

3)地下綜合管廊作為包含管廊結(jié)構(gòu)和內(nèi)部管線的結(jié)構(gòu)體系，其震害特點(diǎn)除了包含一般隧道結(jié)構(gòu)和直埋管道各自的震害特點(diǎn)外，還包含了兩者連接支座和固定裝置的破壞特點(diǎn)。

綜上所述，影響綜合管廊地震響應(yīng)機(jī)制的3個(gè)關(guān)鍵因素分別為輸入地震動(dòng)特征、工程場(chǎng)地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn)。因此，本文將重點(diǎn)從這3個(gè)方面對(duì)綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

2 國(guó)內(nèi)外綜合管廊抗震早期研究歷程

2.1 國(guó)外綜合管廊抗震研究歷程

國(guó)外綜合管廊抗震研究起步較早。1991年，高田至郎等[9]探討了生命線——管線的抗震設(shè)計(jì)原理與方法，提供了抗震分析的實(shí)用計(jì)算公式和參數(shù)，并提出管線構(gòu)造建議。1988—1999年，Rourke等[10]對(duì)地震作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析，并總結(jié)震害特點(diǎn)，指出結(jié)構(gòu)的破壞是由周圍土體變形和地震作用共同導(dǎo)致的。2005年，Kimura等[11]提出了2種施工優(yōu)化方法來(lái)改善綜合管廊的抗震性能。同時(shí)，也有學(xué)者重點(diǎn)研究了綜合管廊抗震加固措施，例如：Caulfield等[12]和Diemer等[13]先后于2005年和2014年對(duì)供水隧洞提出了加固方案。2001年和2002年，Shamsabadi 等[14-16]從綜合管廊結(jié)構(gòu)與周圍土體相互接觸作用的機(jī)制出發(fā)，根據(jù)分析所得結(jié)論提出了相應(yīng)的加固方案。早期國(guó)外綜合管廊抗震研究多偏于施工和加固方案，并未重點(diǎn)討論震害發(fā)生的機(jī)制。

2.2 國(guó)內(nèi)綜合管廊抗震研究歷程

我國(guó)綜合管廊建設(shè)時(shí)間較短，在結(jié)構(gòu)形式和建設(shè)環(huán)境上與國(guó)外綜合管廊有明顯區(qū)別。因此，有必要針對(duì)我國(guó)綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行系統(tǒng)研究。物理模型試驗(yàn)是初步探究地下管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律的有效手段。例如：2007年，馮瑞成[17]開(kāi)展了均勻場(chǎng)地條件下淺埋明挖共同溝體系的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，獲得了結(jié)構(gòu)、土體及內(nèi)部管線的地震反應(yīng)規(guī)律，并據(jù)此提出了抗震設(shè)計(jì)建議。2008—2009年，史曉軍等[18-19]開(kāi)展了單艙現(xiàn)澆綜合管廊大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，得到管廊結(jié)構(gòu)角部的內(nèi)力最大，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的直接原因是壁板與土接觸面的相互作用等結(jié)論，本研究設(shè)計(jì)的層狀雙向剪切模型箱成為后續(xù)開(kāi)展非一致地震激勵(lì)模型試驗(yàn)的有效試驗(yàn)裝置。2010年，史曉軍等[20]、陳雋等[21]、蔣錄珍等[22]開(kāi)展了非一致地震激勵(lì)地下綜合管廊振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，試驗(yàn)采用2個(gè)振動(dòng)臺(tái)分別輸入具有相關(guān)性的地震激勵(lì)來(lái)代替實(shí)際多點(diǎn)激勵(lì)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。研究表明，在非一致縱向激勵(lì)作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變呈中間大兩端小的分布模式，初步得到了非一致地震激勵(lì)下管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征。需要指出的是，圖1設(shè)計(jì)的試驗(yàn)加載裝置為2個(gè)分離的模型箱，忽略了非一致地震激勵(lì)輸入的連續(xù)性以及模型場(chǎng)地的連續(xù)性。

(a)振動(dòng)臺(tái)

數(shù)值模擬也隨著模型試驗(yàn)的開(kāi)展而發(fā)展，并與模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證。2007年，岳慶霞[23]提出了模擬Rayleigh波場(chǎng)的方法，并利用有限元軟件研究了管廊在地表Rayleigh波作用下的地震響應(yīng)；2010年，岳慶霞等[24]建立了多點(diǎn)隨機(jī)地震動(dòng)模型，分析了綜合管廊在非一致地震激勵(lì)下的隨機(jī)反應(yīng)。2014年，葉飛[4]開(kāi)展了均勻場(chǎng)地條件下淺埋明挖共同溝體系的數(shù)值模擬研究，并與馮瑞成[17]的模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證。此外，也有一些學(xué)者開(kāi)展了減隔震措施研究。例如：由浩宇[25]基于抗震理論和數(shù)值模擬，參考建筑隔震方法研發(fā)了一種支座隔震器，如圖2所示。

圖2 隔震器設(shè)計(jì)示意圖[25]

2.3 研究現(xiàn)狀分析

從國(guó)內(nèi)外地下綜合管廊抗震研究發(fā)展歷程可知，目前關(guān)于綜合管廊的研究主要集中在地震響應(yīng)分析，旨在指導(dǎo)綜合管廊抗震設(shè)計(jì)。地震響應(yīng)分析主要借助振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法，突破了非一致地震激勵(lì)的試驗(yàn)條件限制，在綜合管廊地震響應(yīng)規(guī)律方面取得了初步的研究成果，但至今仍缺乏針對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。需要指出的是，前期研究主要針對(duì)淺埋明挖現(xiàn)澆管廊單艙結(jié)構(gòu)形式，場(chǎng)地條件考慮為均勻場(chǎng)地，而隨著城市綜合管廊的大規(guī)模建設(shè)，近年來(lái)出現(xiàn)多種新型管廊結(jié)構(gòu)形式，工程場(chǎng)地條件復(fù)雜多樣。在這種情況下，更符合實(shí)際的地震作用也應(yīng)被考慮。為此，本文將從輸入地震動(dòng)特征、工程場(chǎng)地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn)3個(gè)方面對(duì)綜合管廊抗震研究的現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

3 地震動(dòng)特征對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

早期，為初步得到定性的綜合管廊地震響應(yīng)規(guī)律，地震動(dòng)輸入方向僅簡(jiǎn)單考慮為一致垂直入射，往往忽略了淺埋地下結(jié)構(gòu)受地表Rayleigh波的影響。此外，綜合管廊作為狹長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)，其縱向地震響應(yīng)也需重點(diǎn)關(guān)注。為進(jìn)一步精確把握地下綜合管廊地震響應(yīng)，學(xué)者們考慮了更符合實(shí)際的地震動(dòng)特征對(duì)綜合管廊的地震響應(yīng)進(jìn)行研究。

3.1 地震動(dòng)輸入特征對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

為考慮地震波傳播的行波效應(yīng)，史曉軍等[20]、陳雋等[21]、蔣錄珍等[22]開(kāi)展了非一致地震激勵(lì)地下綜合管廊振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬。針對(duì)該試驗(yàn)存在模型箱不連續(xù)輸入的問(wèn)題，Yuan等[26]、Yu等[27]推導(dǎo)出離散輸入與連續(xù)輸入的等效性與轉(zhuǎn)換條件，并基于該理論研發(fā)了多臺(tái)陣非一致激勵(lì)物理試驗(yàn)平臺(tái)；韓俊艷等[28]研制了可考慮土體連續(xù)性的懸掛式連續(xù)體模型箱，并在北京工業(yè)大學(xué)多臺(tái)陣振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)上進(jìn)行埋地管線抗震試驗(yàn)，對(duì)不同箱體中土體、管道加速度及管道應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，與一致激勵(lì)相比，非一致激勵(lì)可使管道和土體產(chǎn)生更大的相對(duì)位移，從而放大管道應(yīng)變響應(yīng)。也有學(xué)者進(jìn)一步研究了地震輸入方向?qū)芾冉Y(jié)構(gòu)和地層響應(yīng)的影響。例如: 周曉潔等[29]進(jìn)行了地震動(dòng)斜入射條件下層狀場(chǎng)地中地下綜合管廊的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)SV波以30°臨界角入射時(shí)地表加速度響應(yīng)最大，且成層土中含有軟弱土層時(shí)管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)更為劇烈。杜盼輝[30]考慮了支墩與管道、支墩與管廊、管廊和土體的相互作用，分別研究了縱橫2個(gè)方向激勵(lì)下非均勻場(chǎng)地中綜合管廊的地震響應(yīng)特點(diǎn)。鐘逸[31]考慮沿線土層的分布情況、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用以及土體的非線性，運(yùn)用廣義反應(yīng)位移法進(jìn)行了地下管廊縱向地震響應(yīng)分析。結(jié)果顯示，相比近場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下管廊地震響應(yīng)更劇烈，地震波的Arias烈度、頻譜成分、重要持時(shí)等都對(duì)管廊縱向地震響應(yīng)有一定的影響。因此，應(yīng)重視非均勻場(chǎng)地層條件下地下綜合管廊的抗震設(shè)計(jì)。

3.2 地表Rayleigh波對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

地表Rayleigh波對(duì)淺埋地下結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。目前，學(xué)者們主要采用數(shù)值模擬開(kāi)展Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)研究。羅韜[32]利用小波變化多尺度分解技術(shù)對(duì)地震波進(jìn)行重構(gòu)生成Rayleigh波，并研究得到了在Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)特點(diǎn)。莊鑫磊[33]采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)以及影響因素進(jìn)行了研究，并提出了Rayleigh波作用下的整體式反應(yīng)位移法。施有志等[34]建立了雙艙綜合管廊三維有限元模型，通過(guò)在邊界上多次施加脈沖荷載生成Rayleigh波，開(kāi)展了Rayleigh波與底部輸入地震加速度多種組合共同作用下綜合管廊的地震響應(yīng)研究。結(jié)果表明，管廊結(jié)構(gòu)縱向動(dòng)力響應(yīng)受沿軸向入射的Rayleigh波影響相對(duì)較大，且底部地震波與地表Rayleigh波共同作用比單獨(dú)底部輸入得到的整體響應(yīng)更大，兩者的匹配程度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果有一定影響。上述研究提出并驗(yàn)證了Rayleigh波的生成方法，且進(jìn)一步揭示了Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)規(guī)律，并與底部輸入地震動(dòng)共同考慮進(jìn)行地震響應(yīng)分析，對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

以上研究表明，不同地震動(dòng)特性會(huì)對(duì)綜合管廊地震響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，尤其在非均勻場(chǎng)地條件下，地層性質(zhì)的差異性會(huì)極大地改變管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征，進(jìn)而對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的抗震安全性構(gòu)成威脅。因此，綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重視非均勻場(chǎng)地條件及最不利地震動(dòng)特征的影響。此外，淺埋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)還需考慮地表Rayleigh波的作用。

4 工程場(chǎng)地特征對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

早期綜合管廊地震響應(yīng)研究主要針對(duì)的是均勻場(chǎng)地條件，而隨著綜合管廊建設(shè)的快速發(fā)展，不利工程場(chǎng)地條件及復(fù)雜場(chǎng)地條件下的綜合管廊抗震問(wèn)題也亟待研究。目前已有學(xué)者對(duì)多種非均勻場(chǎng)地條件下的綜合管廊地震響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，本文將針對(duì)飽和(可液化)地層和斷層破碎帶2種不利場(chǎng)地條件分別進(jìn)行闡述。

4.1 飽和地層綜合管廊地震響應(yīng)研究現(xiàn)狀

楊劍等[35]利用FLAC軟件模擬單艙綜合管廊在地震液化條件下的動(dòng)力響應(yīng)，研究了場(chǎng)地加速度響應(yīng)、地表位移、超孔壓比等動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律，初步揭示了可液化土中淺埋地下單艙綜合管廊的動(dòng)力特性。結(jié)果表明，管廊結(jié)構(gòu)會(huì)隨著液化土較大的側(cè)向剪切變形和上浮位移發(fā)生側(cè)向和隆起位移。但是研究未考慮多方向地震動(dòng)輸入條件，且僅針對(duì)單艙結(jié)構(gòu)形式，因此還需進(jìn)一步研究。

蔣錄珍等[36]建立了飽和土體場(chǎng)地條件下地下綜合管廊結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用動(dòng)力模型，并分析了不同地震波時(shí)程、加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地應(yīng)力場(chǎng)等因素對(duì)綜合管廊地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明孔隙水壓力是影響結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一。研究還發(fā)現(xiàn)，在單相土介質(zhì)-綜合管廊結(jié)構(gòu)上施加基于有效應(yīng)力法得到的地震波場(chǎng)，可以代替固-液兩相介質(zhì)場(chǎng)地的反應(yīng)，這一結(jié)論為提出飽和兩相介質(zhì)-地下綜合管廊簡(jiǎn)化計(jì)算模型提供了理論依據(jù)。

4.2 斷層場(chǎng)地綜合管廊地震響應(yīng)研究現(xiàn)狀

盧剛剛[37]開(kāi)展了綜合管廊60°斜穿地裂縫的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了綜合管廊在地裂縫不同位置處的地震響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)綜合管廊位于地裂縫上下盤不同位置時(shí)，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)、土體與管廊相互作用表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

武華僑[38]利用ABAQUS模擬了綜合管廊在走滑斷層、逆斷層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不同斷層位移作用下的非線性響應(yīng)，討論了斷層作用下管廊結(jié)構(gòu)的薄弱部位分布及破壞情況；同時(shí)，對(duì)比分析了斷層傾角、破碎帶寬度、埋深對(duì)管廊反應(yīng)的影響特點(diǎn)及程度。結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)計(jì)綜合管廊線形、埋深以及加固破碎帶可以減弱地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

以上研究針對(duì)特殊工程場(chǎng)地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，初步得到了不同場(chǎng)地條件下的自由場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)及其對(duì)綜合管廊地震響應(yīng)的影響機(jī)制，可為特定場(chǎng)地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。但研究缺乏與其他關(guān)鍵因素耦合的組合工況分析，且所得結(jié)論與隧道結(jié)構(gòu)類似，后續(xù)還需針對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，深入探究不同場(chǎng)地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的地震響應(yīng)特性。

5 針對(duì)管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn)的抗震研究現(xiàn)狀

針對(duì)綜合管廊不同結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn)，目前抗震研究可大致分為3類：管廊接頭和接縫的研究、對(duì)管廊典型節(jié)點(diǎn)的研究以及依托實(shí)際工程對(duì)不同管廊結(jié)構(gòu)形式的地震響應(yīng)研究。

5.1 管廊接頭和接縫抗震研究現(xiàn)狀

根據(jù)綜合管廊震害的調(diào)研結(jié)果可知，管廊接頭和接縫處以及結(jié)構(gòu)截面較大變化處更易破壞。因此，其應(yīng)該作為結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)對(duì)象。隨著預(yù)制裝配式管廊結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，預(yù)制裝配式接頭的抗震性能也被重點(diǎn)研究。

蔣錄珍等[39]基于橫向有接頭的綜合管廊非一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)建立有限元模型，發(fā)現(xiàn)采用非線性彈簧單元進(jìn)行地下綜合管廊接頭響應(yīng)分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，非線性彈簧單元為接頭模擬提供了新思路。劉營(yíng)等[40]綜合考慮預(yù)制管廊接頭連接、土與結(jié)構(gòu)相互作用以及預(yù)制與現(xiàn)澆段連接處的邊界條件，對(duì)不同管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析，結(jié)果表明預(yù)制與現(xiàn)澆段連接位置最易發(fā)生剪切破壞。王鵬宇[8]針對(duì)預(yù)制綜合管廊體系分別建立整體及帶接頭的有限元模型，對(duì)比分析接頭的存在對(duì)地下綜合管廊地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，若考慮接頭的影響，管廊結(jié)構(gòu)損傷程度明顯降低，但內(nèi)置管道的動(dòng)力響應(yīng)有所增加。Ding等[41]對(duì)有接頭和無(wú)接頭的綜合管廊進(jìn)行了一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，采用一致激勵(lì)分別輸入3種地震波，結(jié)果表明，無(wú)接頭管廊結(jié)構(gòu)相比有接頭管廊結(jié)構(gòu)，峰值應(yīng)變和彎矩響應(yīng)均有顯著增大，說(shuō)明接頭的設(shè)置有利于提高綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能。谷音等[42]基于預(yù)制綜合管廊-接頭-場(chǎng)地土三維分析模型，研究不同接頭連接剛度、不同預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)度以及行波效應(yīng)對(duì)預(yù)制綜合管廊接頭處地震響應(yīng)的影響，得到預(yù)制綜合管廊接頭的位移和加速度響應(yīng)以及預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度的變化規(guī)律，為接頭設(shè)計(jì)提供參考。

上述研究開(kāi)展了含接頭綜合管廊地震響應(yīng)的數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析，探明了接頭對(duì)管廊結(jié)構(gòu)與地層響應(yīng)的影響機(jī)制，即接頭存在會(huì)使綜合管廊結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)部設(shè)施的加速度增大，但管廊結(jié)構(gòu)自身的損傷、峰值應(yīng)變與彎矩會(huì)降低。另外，上述研究也對(duì)接頭剛度、節(jié)段長(zhǎng)度、行波效應(yīng)等因素進(jìn)行了參數(shù)化分析，可為管廊結(jié)構(gòu)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

5.2 管廊典型節(jié)點(diǎn)抗震研究現(xiàn)狀

過(guò)去研究多聚焦于單體綜合管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段的地震響應(yīng)，而城市地下綜合管廊的進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口以及交叉口等變截面部位，屬于受力復(fù)雜且剛度突變的典型節(jié)點(diǎn)[43]，有學(xué)者已對(duì)此展開(kāi)了地震響應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震研究。

姜龍[43]結(jié)合實(shí)際工程選取進(jìn)風(fēng)口節(jié)點(diǎn)建立了二維土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元模型，并得到其在單雙向地震激勵(lì)下的地震響應(yīng)規(guī)律。趙丹陽(yáng)[44]建立了2個(gè)單艙矩形管廊的十字形交叉節(jié)點(diǎn)三維整體分析模型，對(duì)比分析了特定地震波單向及雙向作用下交叉節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，單向地震作用下垂直于地震動(dòng)傳播方向的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)比傳播方向的大，雙向地震作用下非主震方向結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，且節(jié)點(diǎn)易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。黃德洲[45]考慮了更加復(fù)雜的交叉節(jié)點(diǎn)，建立三維有限元模型對(duì)復(fù)雜三艙-四艙交叉口結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，歸納總結(jié)了復(fù)雜交叉口節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)規(guī)律。梁建文等[46]利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了地下T型交叉管廊的抗震時(shí)程分析，結(jié)果表明T型交叉管廊在2個(gè)方向的內(nèi)力特點(diǎn)不同。王睿珺[47]基于實(shí)際綜合管廊網(wǎng)絡(luò)工程背景，建立了梁-土彈簧網(wǎng)絡(luò)綜合管廊有限元模型，并研究了地震傳播方向、非一致激勵(lì)以及接口存在對(duì)綜合管廊網(wǎng)絡(luò)地震響應(yīng)的影響。Zhang等[48-49]依托特高壓綜合管廊工程，以隧道-豎井變剛度節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，開(kāi)展了大規(guī)模多工況振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，基于變剛度節(jié)點(diǎn)地層-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)制，提出了隧道變剛度節(jié)點(diǎn)的廣義擬靜力分析模型，并推導(dǎo)出相關(guān)解析解以指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

綜上所述，由于典型節(jié)點(diǎn)自身形式的復(fù)雜性和不同方向剛度的差異性，目前文獻(xiàn)多采用不同地震動(dòng)輸入方向組合對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)的特殊截面、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地震響應(yīng)研究，以獲取管廊結(jié)構(gòu)的最不利地震動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5.3 不同結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

5.3.1 不同斷面形式和斷面尺寸的綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

隨著不同斷面形狀和斷面尺寸綜合管廊的出現(xiàn)，已有學(xué)者對(duì)綜合管廊斷面形式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。廖智麒[50]建立了10個(gè)不同斷面尺寸的綜合管廊數(shù)值模型，分析斷面尺寸變化對(duì)地震波作用下綜合管廊各項(xiàng)參數(shù)的影響。楊一靖[51]依托實(shí)際工程，對(duì)圓形、矩形、拱形斷面形式的單艙地下綜合管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)在不同峰值加速度水平地震作用下同一工況中，對(duì)于應(yīng)力極值，拱形管廊最大、矩形次之、圓形最??；而對(duì)于水平位移，圓形管廊最大、拱形管廊次之、矩形管廊最小。基于功能要求，雙艙及多艙綜合管廊目前也被廣泛應(yīng)用。仉文崗等[52]利用小型振動(dòng)臺(tái)開(kāi)展了雙艙矩形截面地下管廊的抗震性能和周圍土體的響應(yīng)研究，并通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，得到了雙艙綜合管廊及周圍土體的地震響應(yīng)特征。

上述研究工作探討了綜合管廊的斷面尺寸、斷面形狀對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，并考慮了不同地震動(dòng)特征、場(chǎng)地分層以及結(jié)構(gòu)埋深等多種因素，可為綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

5.3.2 預(yù)制裝配式綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

為提高綜合管廊施工效率，改善施工環(huán)境，預(yù)制裝配式綜合管廊得到飛速發(fā)展。目前，已有文獻(xiàn)對(duì)預(yù)制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)開(kāi)展了抗震研究。杜青等[53]提出了一種預(yù)制裝配式矩形鋼筋混凝土管廊節(jié)段三維分離式數(shù)值模型，并利用預(yù)制裝配式管廊節(jié)段的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性，研究指出，頂板與側(cè)壁連接處的倒L型節(jié)點(diǎn)區(qū)為地震破壞薄弱區(qū)。Pan等[54]對(duì)2種帶端部邊界構(gòu)件的預(yù)制L型接頭(轉(zhuǎn)角處)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究了L型節(jié)點(diǎn)在不同荷載組合作用下的力學(xué)性能。

疊合板式預(yù)制板塊可按照需求任意組合，因此被廣泛應(yīng)用。疊合裝配式地下綜合管廊是由疊合墻體、疊合頂板和現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板疊合而成的箱型結(jié)構(gòu)。魏奇科等[55]開(kāi)展了10個(gè)疊合裝配式和整體現(xiàn)澆式綜合管廊結(jié)構(gòu)邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)，得到不同體積配箍率和不同縱筋錨固長(zhǎng)度情況下邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)特征，給出了節(jié)點(diǎn)處箍筋間距和縱筋錨固長(zhǎng)度的建議。楊艷敏等[56]基于擬靜力試驗(yàn)，研究了底部腋腳配置斜向鋼筋的疊合裝配式管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能，以指導(dǎo)實(shí)際工程。李正英等[57]針對(duì)采用鐓錨鋼筋技術(shù)的疊合式裝配綜合管廊墻板節(jié)點(diǎn)構(gòu)件設(shè)計(jì)了足尺試驗(yàn)，分析了鐓錨鋼筋錨固長(zhǎng)度的合理取值，并對(duì)工程實(shí)際設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性意見(jiàn)。目前，關(guān)于疊合裝配式地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及破壞機(jī)制研究還處于初步階段，上述研究皆為對(duì)節(jié)段和節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行的試驗(yàn)研究，缺乏對(duì)整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)研究，其地震反應(yīng)規(guī)律尚不明確，且未考慮行波效應(yīng)、不利場(chǎng)地條件、地震動(dòng)特征等對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

鋼波紋管廊相較于鋼筋混凝土管廊，具有強(qiáng)度高、柔性好、壽命長(zhǎng)、形式多樣、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、施工周期短、施工無(wú)揚(yáng)塵噪音且造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)與推廣鋼波紋管綜合管廊有重大意義[58]。Yue等[59]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究了承載各種支架和管道的預(yù)制波紋鋼隧道的動(dòng)力響應(yīng)和損傷機(jī)制。陳守一[60]建立鋼波紋綜合管廊有限元模型，采用動(dòng)力時(shí)程方法分析，提出了考慮土-鋼相互作用的鋼波紋綜合管廊抗震分析方法。岳峰等[61]在此基礎(chǔ)上，對(duì)管廊和土-場(chǎng)地之間的相互作用機(jī)制進(jìn)行參數(shù)分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出了考慮土-鋼相互作用的波紋鋼管廊抗震計(jì)算方法。但是上述計(jì)算和分析方法未對(duì)管廊支架等進(jìn)行建模。

除一般場(chǎng)地條件外，有學(xué)者擴(kuò)展研究了可液化場(chǎng)地波紋鋼管廊的地震響應(yīng)特點(diǎn)。劉博文[3]開(kāi)展了鋼波紋結(jié)構(gòu)管廊在一般場(chǎng)地和可液化場(chǎng)地的大型振動(dòng)臺(tái)縮尺模型試驗(yàn)研究，提出了影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，并為此類管廊的設(shè)計(jì)及內(nèi)部支架的布置提出了建議。Yue等[62]采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究了液化場(chǎng)地淺埋預(yù)制波紋鋼綜合管廊的地震破壞機(jī)制，為預(yù)制波紋鋼綜合管廊的安全設(shè)計(jì)提供了建議。上述研究考慮了土與結(jié)構(gòu)的相互作用，得到了不同場(chǎng)地條件下波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并提出了相應(yīng)的抗震分析方法。但對(duì)波紋鋼管廊的地震響應(yīng)研究還缺乏對(duì)非一致激勵(lì)的考慮，對(duì)波紋鋼管廊連接接頭的力學(xué)性能也缺乏研究。

5.3.3 實(shí)際或擬建新型結(jié)構(gòu)形式綜合管廊的抗震研究現(xiàn)狀

隨著近年來(lái)新型結(jié)構(gòu)形式綜合管廊的不斷涌現(xiàn)，有學(xué)者針對(duì)實(shí)際或擬建新型結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊進(jìn)行了抗震分析。王靈仙等[63]針對(duì)某市地下綜合管廊工程，研究與下沉道路一體化構(gòu)建、包含梁柱結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆綜合管廊的受力性能和抗震性能，并對(duì)該地下綜合管廊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。王長(zhǎng)祥等[64]針對(duì)因預(yù)制裝配技術(shù)難以滿足多艙室需求而發(fā)展的組合式預(yù)制三艙綜合管廊結(jié)構(gòu)，提出一種適用于組合式預(yù)制三艙管廊縱向抗震分析的殼-彈簧計(jì)算模型，討論了組合式預(yù)制三艙管廊的變形以及雙艙管廊和單艙管廊之間的相互影響，相關(guān)建模及研究結(jié)論可為組合式管廊的抗震設(shè)計(jì)提供一定參考。韓佳欣[65]基于ABAQUS有限元軟件，對(duì)配置纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺紋筋(FRP筋)的地下綜合管廊進(jìn)行抗震性能研究，結(jié)果表明其具有良好的抗震性能，并在此基礎(chǔ)上提出了抗震設(shè)計(jì)建議。為集約高效地使用地下空間，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)開(kāi)發(fā)建設(shè)，出現(xiàn)了綜合管廊與地鐵車站共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系這種新型建設(shè)形式。馬曉明[66]建立了土-綜合管廊和地鐵車站共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系模型，并進(jìn)行了地震響應(yīng)規(guī)律分析。

上述研究工作針對(duì)新型綜合管廊結(jié)構(gòu)形式開(kāi)展了地震響應(yīng)研究，一方面可指導(dǎo)擬建新型管廊工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一方面有助于進(jìn)一步探索出抗震性能更優(yōu)、裝配更簡(jiǎn)單、更集約利用地下空間的新型管廊結(jié)構(gòu)形式。隨著城市綜合管廊大規(guī)模建設(shè)，單體綜合管廊開(kāi)始向共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系等形式發(fā)展，預(yù)制裝配式、抗震新材料的引入將成為發(fā)展趨勢(shì)，因此需要配合發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步開(kāi)展相應(yīng)的研究工作。

6 綜合管廊減隔震研究現(xiàn)狀

城市地下綜合管廊系統(tǒng)是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程，雖然地下綜合管廊已經(jīng)被證明相比直埋管線有易于維護(hù)、抗震防災(zāi)性能好、延長(zhǎng)管線壽命等優(yōu)點(diǎn)，但由于管廊結(jié)構(gòu)的斷面較大且兼具功能性，在地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)更加顯著并可能帶來(lái)次生災(zāi)害。為最大程度避免綜合管廊震害帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，綜合管廊減隔震也是結(jié)構(gòu)抗震分析中的重要組成部分和主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

已有學(xué)者針對(duì)管廊結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部管道的減隔震開(kāi)展了研究，提出了新型隔震設(shè)備和隔震措施以及改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式。凌建寶等[67]依托實(shí)際工程總結(jié)了預(yù)制管廊抗震構(gòu)造措施、節(jié)段間抗震縫的構(gòu)造措施、與豎向進(jìn)出口連接處的抗震構(gòu)造措施以及廊內(nèi)管道的抗震構(gòu)造措施。任建喜等[68]提出了一種新型綜合管廊抗震支墩，基于黏彈性邊界對(duì)該支墩和傳統(tǒng)支墩進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了抗震支墩具有更優(yōu)的抗震性能。胡天羽[69]研究了減震層對(duì)綜合管廊的減震作用，并分析了減震層的參數(shù)對(duì)減震效果的影響。

目前綜合管廊的減震措施主要參考隧道的減震措施；而由綜合管廊的震害特征可知，應(yīng)進(jìn)一步研究能有效降低內(nèi)置管線的動(dòng)力響應(yīng)和連接處的減隔震技術(shù)[2]。另外，也要對(duì)不同管廊功能性所帶來(lái)的次生災(zāi)害問(wèn)題(火災(zāi)、爆炸等)進(jìn)行深入研究。

7 結(jié)論與展望

本文介紹了國(guó)內(nèi)外綜合管廊抗震發(fā)展歷程，并系統(tǒng)闡述了綜合管廊抗震的研究現(xiàn)狀。通過(guò)總結(jié)分析得出以下結(jié)論：

1)輸入地震動(dòng)特征會(huì)對(duì)綜合管廊地震響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，尤其是非均勻場(chǎng)地條件下影響更為不利；淺埋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)還應(yīng)重視地表Rayleigh波的影響。

2)目前在工程場(chǎng)地特征方面的抗震研究主要集中于液化地層、斷層破碎帶等不利場(chǎng)地條件，并探究了關(guān)鍵場(chǎng)地參數(shù)對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響機(jī)制，為管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析提供了科學(xué)依據(jù)。

3)針對(duì)不同的管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點(diǎn)，目前研究主要從接頭和接縫、管廊典型節(jié)點(diǎn)、實(shí)際或擬建工程新型管廊結(jié)構(gòu)形式3方面分析了管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能和地震響應(yīng)特點(diǎn)，但還需進(jìn)一步探索抗震性能更優(yōu)、裝配更簡(jiǎn)單、空間利用更集約化的新型管廊結(jié)構(gòu)形式。

4)目前關(guān)于綜合管廊的減隔震研究還比較少，工程上主要借鑒傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)的抗減震措施，如節(jié)段間抗震縫、預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造等。但考慮到綜合管廊區(qū)別于一般地下結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)及其功能性以及管廊結(jié)構(gòu)-功能設(shè)施體系間的動(dòng)力相互作用，還應(yīng)重點(diǎn)研究廊內(nèi)管道、管道支座以及整個(gè)管廊體系的抗減震措施。

5)目前綜合管廊抗震研究工作主要圍繞綜合管廊結(jié)構(gòu)本身的地震響應(yīng)特征開(kāi)展，對(duì)內(nèi)部管線及支座的抗震安全性研究較少，且已有研究多基于具體工程條件，結(jié)論的廣泛性和通用性還需進(jìn)一步探究。另外，關(guān)于地震災(zāi)害演化和災(zāi)害鏈的研究亦是空白。

通過(guò)對(duì)已有成果的總結(jié)與研究現(xiàn)狀的討論，提出今后的研究方向與建議如下：

1)由于場(chǎng)地條件、地震動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)自身的形式是決定綜合管廊地震響應(yīng)的3個(gè)關(guān)鍵因素，因此管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重視關(guān)鍵因素的影響分析，并盡快提出相應(yīng)的簡(jiǎn)化實(shí)用分析方法，便于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)目前新型綜合管廊建設(shè)呈現(xiàn)出裝配便捷、適用性強(qiáng)、集約化、多功能、多艙室等發(fā)展趨勢(shì)，后續(xù)應(yīng)針對(duì)新型管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能深入開(kāi)展研究工作。

3)應(yīng)重視綜合管廊功能性對(duì)抗震安全性的需求，即除考慮一般地下結(jié)構(gòu)抗震分析面臨的難題外，還需結(jié)合綜合管廊自身的功能需求，進(jìn)一步加強(qiáng)管廊結(jié)構(gòu)與內(nèi)部管線/設(shè)備共同作用的地震響應(yīng)分析及結(jié)構(gòu)-功能一體化抗震設(shè)計(jì)研究工作，進(jìn)而提出合理的減隔震措施。