梁建文，陳慧芳，李東橋，巴振寧

地下管廊抗震研究現(xiàn)狀綜述

梁建文，陳慧芳，李東橋，巴振寧

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

針對地下管廊工程建設(shè)高速發(fā)展、抗震減災(zāi)需求愈發(fā)凸顯的現(xiàn)狀，綜述地下管廊抗震研究現(xiàn)狀．首先，通過國內(nèi)外以往的震害實(shí)例，對地下管廊的震害形式、震害影響因素及震害機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)．其次，從擬靜力試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)兩個方面總結(jié)了地下管廊抗震性能的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀．再次，總結(jié)了地下管廊抗震分析的簡化分析方法、動力時程方法、地震易損性評估及減隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀．最后，基于文獻(xiàn)綜述提出了目前地下管廊抗震研究亟待解決的問題并做出展望，以期促進(jìn)地下管廊抗震研究的發(fā)展．研究表明：地下管廊在地震作用下的破壞形式主要有混凝土剝落、裂縫貫通、接縫錯位或張開、管廊受剪斷裂等；地震作用下地下管廊穿越非均勻場地時動力響應(yīng)的放大效應(yīng)顯著，地下管廊穿越軟硬交互等非均勻場地時的抗震性能研究值得重視；交叉節(jié)點(diǎn)是地下管廊的薄弱環(huán)節(jié)，交叉管廊的抗震設(shè)計方法研究值得關(guān)注；預(yù)制管廊接頭易受到地震破壞，不同類型預(yù)制管廊接頭的抗震性能研究需深入探索；城市大型地下管廊系統(tǒng)抗震性能受到不同交叉節(jié)點(diǎn)和不同管廊之間的交互影響，高效的地下管廊系統(tǒng)建模方法和高效的簡化分析方法亟待研究；城市大型地下管廊系統(tǒng)地震易損性分析是重要的發(fā)展方向；地下管廊的減隔震技術(shù)值得發(fā)展．

地下管廊；震害；擬靜力試驗(yàn)；振動臺試驗(yàn)；簡化分析方法；動力時程方法；地震易損性；減隔震技術(shù)

城市地下管廊結(jié)構(gòu)是集電力、通信、供熱、給排水等市政管線于一體的地下公共隧道，它科學(xué)化、集約化地利用地下空間資源，可以實(shí)現(xiàn)城市各類管線空間最大化利用，杜絕城市建設(shè)過程中道路重復(fù)開挖帶來的諸多不良影響[1]．近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市地下管廊建設(shè)快速發(fā)展．

中國是世界范圍內(nèi)地震活動最強(qiáng)烈和震害最嚴(yán)重的國家之一，國內(nèi)23個省會城市和2/3的百萬人口以上的大城市位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)域，地下管廊地震安全性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)．城市地下管廊作為地下淺埋線長形結(jié)構(gòu)，亦是城市發(fā)展運(yùn)行不可或缺的生命線工程，在地震作用下與周圍場地之間存在復(fù)雜的動力相互作用．因此，地下管廊抗震研究具有重要的科學(xué)意義和社會效益．

早期研究認(rèn)為，在地震作用過程中，由于周圍場地的約束作用，地下結(jié)構(gòu)相對于地上建筑物更加安全，不易受到地震破壞．然而，在1995年日本阪神地震中，地鐵車站、地下管廊等結(jié)構(gòu)均發(fā)生了不同程度的損壞和倒塌[2-3]，引起了國內(nèi)外學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)抗震安全性的廣泛關(guān)注．另外，在1999年中國臺灣集集地震[4]和2008年中國汶川地震[5]等地震中，地下結(jié)構(gòu)均遭受到了不同程度的破壞．為了揭示地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力行為機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了多角度、深層次的研究，得到了諸多有價值的結(jié)論和成果．

迄今為止，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多是針對盾構(gòu)隧道等深埋結(jié)構(gòu)，對地下管廊等淺埋結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)研究還處于起步階段[6-7]．然而，現(xiàn)有研究表明，淺埋地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)更為不利[8]，更易遭到地震破壞[9-10]．鑒于此，本文在已有的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，對地下管廊的震害特點(diǎn)、相關(guān)抗震研究的發(fā)展歷程以及未來發(fā)展趨勢等重要問題進(jìn)行了系統(tǒng)性的綜述．首先，依據(jù)國內(nèi)外以往地震中報告的地下管廊震害實(shí)例，總結(jié)了地下管廊的震害形式、震害影響因素以及震害機(jī)理，歸納了地下管廊在地震作用下的經(jīng)典破壞模式，并針對地下管廊抗震試驗(yàn)研究的關(guān)鍵問題，從擬靜力試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)兩個方面總結(jié)了地下管廊抗震性能試驗(yàn)研究的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀；其次，對地下管廊在地震作用下現(xiàn)有的簡化分析方法、動力時程方法、地震易損性評估和減隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，著重討論了地下管廊交叉節(jié)點(diǎn)等薄弱環(huán)節(jié)的抗震設(shè)計方法；最后，對地下管廊抗震研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望．

1 地下管廊震害

1.1 震害形式及影響因素

近年來，世界范圍內(nèi)地震活動頻繁，地下管廊結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的地震作用下遭到了不同程度的破壞，并造成了管廊內(nèi)支架承托折斷、管線及管道斷裂等嚴(yán)重?fù)p傷[7]，引起供水、供電、供氣、通信的中斷[6]．基于文獻(xiàn)[6-7，11]和以往震害報告，對世界范圍內(nèi)部分地區(qū)地下管廊的震害形式以及由此引發(fā)的次生災(zāi)害進(jìn)行了匯總，詳見表1[7,12-17]．

由地下管廊歷次的震害可知，管廊結(jié)構(gòu)破壞多是地震引發(fā)的地面運(yùn)動導(dǎo)致管廊周圍土體變形過大引起的，從而造成管廊結(jié)構(gòu)混凝土剝落、裂縫貫通、接縫錯位或張開、管廊上浮位移較大而發(fā)生受剪斷裂等破壞形式．此外，袁勇等[11]通過歸納發(fā)現(xiàn)，地震波特性、場地特征、管廊自身構(gòu)造是影響管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和破壞特征的關(guān)鍵因素．為了得到地下管廊結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特點(diǎn)、變形特征、薄弱環(huán)節(jié)和破壞模式，近年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多層次、多角度的科學(xué)研究．

1.2 震害機(jī)理

在地震作用下，周圍場地土變形對地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自身振動特性[9,18-20]，地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性與上部結(jié)構(gòu)存在顯著區(qū)別．由于線長形地下結(jié)構(gòu)縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫斷面寬度，因此場地土變形引起的結(jié)構(gòu)縱向變形模式與結(jié)構(gòu)橫斷面的變形模式存在顯著差別．Hashash等[19]、Tsinidis等[20]在前人的基礎(chǔ)上總結(jié)了地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的典型變形模式：縱向拉壓變形(圖1(a))和彎曲(或撓曲)變形(圖1(b))，傾斜入射地震波引起結(jié)構(gòu)局部的反相變形(圖1(c))，矩形橫斷面的彎曲-旋轉(zhuǎn)-側(cè)移組合變形(圖1(d))，圓形橫斷面的壓縮(圖1(e))和橢圓翹曲變形(圖1(f))．此外，根據(jù)前述管廊結(jié)構(gòu)震害形式并結(jié)合地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的經(jīng)典變形模式，本文繪制了地下管廊結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的貫通裂縫、接縫錯位、廊體受剪斷裂變形模式示意，詳見圖2．

表1 不同地區(qū)地下管廊在地震作用下的震害形式

Tab.1 Seismic damage forms of underground utility tunnels in different areas under seismic behavior

需要指出的是，地下管廊系統(tǒng)由于其特殊的功能，在城市地下呈現(xiàn)四通八達(dá)的網(wǎng)絡(luò)狀，形成了不同形式的交叉節(jié)點(diǎn)．在地震作用下，交叉節(jié)點(diǎn)是整個地下管廊體系的薄弱環(huán)節(jié)．然而，目前對地下交叉管廊抗震性能的研究還比較少見[21-22]，對于交叉管廊存在的地震響應(yīng)機(jī)理以及交叉管廊的抗震設(shè)計等尚不清楚，缺乏系統(tǒng)性研究，這將是地下管廊未來抗震研究的一個重要方向．

圖1 地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的典型變形模式[19-20]

（a)墻板裂縫和混凝土剝落 （b)管廊接縫處錯位 （c)場地液化或地基隆起引起的管廊受剪斷裂

圖2 地下管廊在地震作用下的經(jīng)典破壞模式

Fig.2 Classical damage modes of underground utility tunnels under seismic behavior

2 地下管廊抗震性能試驗(yàn)研究

2.1 擬靜力試驗(yàn)

擬靜力試驗(yàn)利用靜力方法模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下往復(fù)振動的受力特點(diǎn)，進(jìn)而從極限承載力、破壞機(jī)制和耗能能力等方面評估結(jié)構(gòu)的抗震性能．目前國內(nèi)學(xué)者關(guān)于地下管廊的擬靜力試驗(yàn)方面的相關(guān)研究主要針對預(yù)制裝配式管廊結(jié)構(gòu)的受力性能、連接形式和構(gòu)造措施[23]．

通過單調(diào)靜力試驗(yàn)對新型U形套箍插筋連接節(jié)點(diǎn)[24]、疊合裝配式管廊中的鋼筋環(huán)插筋連接節(jié)點(diǎn)和約束鋼筋搭接連接節(jié)點(diǎn)[25]的力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)新型節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，且延性還有所優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，其中疊合板式裝配方法屬于半裝配方法，能夠克服整體現(xiàn)澆式和全預(yù)制裝配方法的部分缺點(diǎn)．郭福能[26]對疊合板式地下管廊頂板進(jìn)行了力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)疊合板與整體式現(xiàn)澆板工程性能相當(dāng)，但破壞模式有所區(qū)別．魏奇科等[27]通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)對比研究了疊合裝配和整體現(xiàn)澆地下管廊邊角點(diǎn)和中角點(diǎn)的抗震性能，討論了角點(diǎn)區(qū)不同的破壞模式．胡翔等[28]以某一實(shí)際地下管廊為原型，通過對4個角點(diǎn)足尺構(gòu)件的水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了底板現(xiàn)澆疊合板式地下管廊底部邊角點(diǎn)和中角點(diǎn)的抗震性能．鐘紫藍(lán)等[29]對灌漿套筒連接和漿錨搭接連接的疊合板和現(xiàn)澆地下管廊側(cè)墻構(gòu)件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載作用下的面外抗震性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種連接方式的疊合板試件具有良好的傳力性能，抗震能力與現(xiàn)澆試件相當(dāng)．Zhao等[30]以雄安新區(qū)某地下管廊為原型，通過恒定軸向荷載和循環(huán)橫向荷載共同作用，研究了預(yù)制4艙地下管廊試件整體截面力學(xué)性能以及局部L形角點(diǎn)、T形角點(diǎn)破壞機(jī)制．

綜上可以看出，針對預(yù)制地下管廊的力學(xué)性能以及抗震性能進(jìn)行了不同角度的試驗(yàn)，得到了諸多有益結(jié)論，為預(yù)制地下管廊的抗震構(gòu)造措施提供了力學(xué)依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐．

2.2 振動臺試驗(yàn)

模擬地震振動臺試驗(yàn)是通過向振動臺面輸入所需地震動引起上部結(jié)構(gòu)發(fā)生動力反應(yīng)，從而復(fù)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時的運(yùn)動狀態(tài)，捕獲結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理，其是研究和評估結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和抗震性能的重要手段之一．近些年國內(nèi)學(xué)者通過大型振動臺試驗(yàn)對地下管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了諸多研究．同濟(jì)大學(xué)李杰教授團(tuán)隊(duì)[31-32]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)湯愛平教授團(tuán)隊(duì)[33]對地下管廊振動臺試驗(yàn)進(jìn)行了研究．李杰教授團(tuán)隊(duì)[31-32]對地下管廊橫斷面在一致地震激勵下的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析．由于管廊是線長形結(jié)構(gòu)，且地震波具有一定的空間變異性，為了得到管廊結(jié)構(gòu)在多點(diǎn)激勵下的地震響應(yīng)，史曉軍等[3]通過兩臺振動臺模擬多點(diǎn)激勵，首次實(shí)現(xiàn)了非一致地震激勵下地下管廊抗震性能的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，非一致地震激勵是引起管廊結(jié)構(gòu)軸向內(nèi)力的根本原因[34-35]．在此基礎(chǔ)上，Chen等[36]通過振動臺試驗(yàn)研究了低頻和高頻綜合作用下不同相干模型對地下管廊抗震性能的影響．Yan等[37]利用4個振動臺組成的振動臺陣模擬地震波的行波效應(yīng)，對港珠澳大橋沉管隧道進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沉管隧道在多點(diǎn)激勵下的接縫處變形顯著增加．綜上，非一致地震激勵會顯著影響地下線長形結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，因此地下管廊等地下線長形結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計需考慮非一致地震激勵對結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)影響.

文獻(xiàn)[33]通過管廊體系及其周圍土體的研究，發(fā)現(xiàn)管廊與其內(nèi)部管線的動力響應(yīng)明顯不同，且地震動強(qiáng)度、土體性質(zhì)、埋深等因素對管廊體系的地震反應(yīng)影響顯著．考慮到管廊結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中穿越非均勻地層而表現(xiàn)出復(fù)雜的動力響應(yīng)，Cho等[38]、黃德龍等[39-40]研究了非均勻場地(砂土＋黏土)中地下管廊與周圍土體的動力相互作用，發(fā)現(xiàn)大震時土體-管廊發(fā)生相對滑移，且結(jié)構(gòu)在不均勻場地的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)大于均勻場地的加速度響應(yīng)．因此，地震作用下應(yīng)考慮不均勻場地對地下管廊結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的放大影響.

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[41]規(guī)定現(xiàn)澆地下管廊在沿管廊縱向剛度、上覆荷載和場地突變處均應(yīng)設(shè)置變形縫，然而地震發(fā)生時變形縫處往往由于變形過大而發(fā)生滲漏，影響結(jié)構(gòu)的正常使用[11]．文獻(xiàn)[42-43]以橡膠墊和塑料薄膜模擬管廊縱向變形縫的力學(xué)特性和功能特點(diǎn)，通過振動臺試驗(yàn)分析了管廊的動力響應(yīng)及其與周圍土體的動力相互作用，結(jié)果表明變形縫截面的彎矩小于管廊中部截面．Ding等[44]發(fā)現(xiàn)管廊縱向變形縫可顯著降低結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)變和彎矩，起到了一定的減震作用.

可以看出，目前針對地下管廊地震反應(yīng)的振動臺試驗(yàn)研究對象多以整體現(xiàn)澆式為主，對預(yù)制裝配式管廊的研究還處于起步階段．Duan等[45]通過振動臺試驗(yàn)研究了黃土地基中單艙預(yù)制管廊的抗震性能，指出應(yīng)重視預(yù)制接頭附近管廊的抗震設(shè)計．Li等[46]通過振動臺試驗(yàn)研究了雙艙預(yù)制管廊的地震響應(yīng)和破壞模式，結(jié)果表明預(yù)制管廊的破壞主要集中在預(yù)制管段連接接頭處，且預(yù)制管廊接頭頂部是抗震薄弱位置．Yue等[47]通過振動臺試驗(yàn)研究了可液化地基上單艙圓形預(yù)制波紋鋼管廊的動力響應(yīng)及損傷機(jī)理．

雖然至今開展了不少地下管廊振動臺試驗(yàn)，但還存在諸多亟待解決的問題：交叉管廊振動臺試驗(yàn)研究還鮮見報道，且在雙向地震激勵下的地震反應(yīng)機(jī)理尚缺乏研究；預(yù)制地下管廊不同類型節(jié)點(diǎn)的動力響應(yīng)及地下管廊變形縫處的地震響應(yīng)規(guī)律還有待研究．

3 地下管廊抗震分析數(shù)值方法

3.1 簡化分析方法

地震作用下地下管廊等線長形地下結(jié)構(gòu)主要受場地變形控制，在橫斷面和縱向由于不同變形模式發(fā)展出了諸多簡化分析方法，其均是通過擬靜力方法近似分析地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力問題，但不同方法由于假設(shè)條件不同導(dǎo)致計算精度也不盡相同．

3.1.1 直線形地下結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者基于一定的假設(shè)條件，針對地鐵車站、隧道等地下結(jié)構(gòu)橫截面抗震分析提出了一些簡化分析方法[48]．以地上結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法為基準(zhǔn)，將慣性力作為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下受到的主要荷載，日本學(xué)者大森房吉提出了地震系數(shù)法[48]，然而該方法忽略了地下結(jié)構(gòu)周圍土體剛度對結(jié)構(gòu)自身變形的影響，后續(xù)研究表明該方法計算誤差較大．Newmark[49]認(rèn)為地震作用下周圍土層變形對地下結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自身慣性力，在此基礎(chǔ)上，假設(shè)地下結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與周圍土體相近且結(jié)構(gòu)和自由場具有相同的側(cè)向變形，提出了自由場變形法(圖3(a))．基于自由場變形法，進(jìn)一步考慮地下結(jié)構(gòu)與周圍場地土由于側(cè)向剛度不同而導(dǎo)致的變形不協(xié)調(diào)性，Penzien[50]提出了土-結(jié)構(gòu)相互作用系數(shù)法(圖3(b))．日本學(xué)者引入地基彈簧定量描述土-結(jié)構(gòu)相互作用，提出了考慮土層相對位移、周圍土層剪力和結(jié)構(gòu)水平慣性力的反應(yīng)位移法[51](圖3(c))．反應(yīng)位移法也是中國標(biāo)準(zhǔn)[52-54]建議的簡化分析方法，廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與分析．鑒于反應(yīng)位移法中地基彈簧剛度的不確定性，日本學(xué)者提出了反應(yīng)加速度法[55](圖3(d))，該方法對各不同位置的土層和地下結(jié)構(gòu)施加水平有效反應(yīng)加速度，實(shí)現(xiàn)對模型施加水平有效慣性體積力以模擬土-結(jié)構(gòu)動力相互作用．劉晶波等[56]考慮到地下結(jié)構(gòu)受周圍地基約束的特點(diǎn)，提出了基于變形的適用于地下結(jié)構(gòu)的Pushover法(圖3(e))，該方法對地基-地下結(jié)構(gòu)模型不同深度位置施加單調(diào)遞增水平等效慣性加速度以實(shí)現(xiàn)水平慣性體積力的作用，建立帶有附加自由場的土-結(jié)構(gòu)相互作用模型確定目標(biāo)位移.劉晶波等[57]在反應(yīng)位移法的基礎(chǔ)上，提出了整體式反應(yīng)位移法(圖3(f))，通過直接建立地層-結(jié)構(gòu)模型反映土-結(jié)構(gòu)之間的相互作用，避免了地基彈簧引起的計算誤差，且該方法計算結(jié)果更為接近動力時程方法.

（a）自由場變形法分析模型 （b）柔度系數(shù)法分析模型

（c）反應(yīng)位移法分析模型 （d）反應(yīng)加速度法分析模型

（e）地下結(jié)構(gòu)Pushover法分析模型 （f）整體式反應(yīng)位移法分析模型

圖3 地下結(jié)構(gòu)橫斷面抗震設(shè)計經(jīng)典簡化分析模型

Fig.3 Classical simplified analysis models for seismic design of cross-section of underground structures

針對地下結(jié)構(gòu)縱向地震反應(yīng)的簡化方法主要有標(biāo)準(zhǔn)[52-53]中的縱向反應(yīng)位移法(圖4)．劉晶波等[58]發(fā)展了一種適用于地下結(jié)構(gòu)縱向地震反應(yīng)分析的整體式反應(yīng)位移法，其能直接反映土-結(jié)構(gòu)相互作用，避免了傳統(tǒng)反應(yīng)位移法因地基彈簧的確定引起的誤差.然而傳統(tǒng)反應(yīng)位移法假設(shè)結(jié)構(gòu)處于均勻地層中，當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)穿越復(fù)雜地層時不再適用，He等[59]為此提出了廣義反應(yīng)位移法，其通過有限元動力分析獲得自由場位移反應(yīng)，再將位移時程以強(qiáng)制位移的形式施加于地層彈簧的非結(jié)構(gòu)連接端，進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng).

圖4 地下結(jié)構(gòu)縱向反應(yīng)位移法計算模型

Fig.4 Calculation model of seismic longitudinal dis-placement method for underground structures

近幾年，國內(nèi)學(xué)者借鑒上述地下結(jié)構(gòu)抗震簡化分析方法中的反應(yīng)位移法和廣義反應(yīng)位移法對管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析計算，得到了一些有價值的研究成果．針對雙層或多層地下管廊的工程得到了應(yīng)用，官其鋁[60]借鑒傳統(tǒng)橫斷面反應(yīng)位移法的基本思想，提出一種計算地下結(jié)構(gòu)縱斷面地震響應(yīng)的反應(yīng)位移法，研究了單層和雙層預(yù)制管廊在地震作用下的動力響應(yīng)，結(jié)果表明雙層管廊受拉損傷峰值明顯大于單層管廊的對應(yīng)值，并建議應(yīng)加強(qiáng)腋角和中隔板配筋．此外，土體液化后會產(chǎn)生側(cè)向剪切變形和上浮位移，從而導(dǎo)致管廊結(jié)構(gòu)在垂直軸向方向產(chǎn)生明顯的變形，因此有必要考慮場地液化對管廊的影響[61]．阮濱等[62]基于有效應(yīng)力方法對廣義反應(yīng)位移法進(jìn)行了改進(jìn)，研究了液化場地地下管廊非線性地震響應(yīng)，結(jié)果表明管廊接頭張開量在液化區(qū)顯著增大．另外，鐘逸[63]基于廣義反應(yīng)位移法建立了地下結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)簡化計算體系，分析了地下管廊縱向非均勻場地地震動力響應(yīng)，指出應(yīng)重視管廊穿越非均勻場地時的抗震設(shè)計.黃德龍等[40]通過振動臺試驗(yàn)提出了地下管廊穿越不均勻土體過渡邊界的簡化分析方法．

3.1.2 交叉管廊

地下管廊相互交叉會形成大量的T形、L形及十字形交叉節(jié)點(diǎn)，這是地下管廊工程的一個顯著特點(diǎn)，由于管廊在兩個主軸方向的抗側(cè)移剛度差距較大，地震作用下交叉節(jié)點(diǎn)可能產(chǎn)生較大的地震變形，因此交叉節(jié)點(diǎn)是整個地下管廊體系的薄弱環(huán)節(jié)．梁建文 等[21]基于傳統(tǒng)反應(yīng)位移法建立了殼-彈簧管廊有限元模型，以管廊層間變形和局部應(yīng)力為參照研究了T形交叉管廊兩個主軸方向的地震響應(yīng)，并通過動力時程分析方法對計算結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證[22]．梁建文 等[64-65]在傳統(tǒng)縱向反應(yīng)位移法(圖4)的基礎(chǔ)上以T形和十字形交叉管廊為例，提出了交叉管廊針對管廊縱向拉壓和撓曲變形的縱向抗震設(shè)計的反應(yīng)位移法(圖5)，該方法引入周期性地層變形輸入，通過分析一個地層變形周期內(nèi)交叉管廊的變形歷程，尋找交叉節(jié)點(diǎn)處變形和內(nèi)力的最不利模式．在此基礎(chǔ)上，以井字形交叉管廊為例，針對交叉節(jié)點(diǎn)之間的相互影響，提出了多節(jié)點(diǎn)交叉形地下管廊縱向抗震分析方法[66]，給出了地下管廊系統(tǒng)中交叉節(jié)點(diǎn)的相互影響范圍.

圖5 交叉地下管廊縱向抗震設(shè)計簡化分析方法

Fig.5 Simplified analysis method for longitudinal seismic design of crossing underground utility tunnels

3.2 動力時程方法

隨著計算技術(shù)的高速發(fā)展，動力時程方法得到了廣泛應(yīng)用，不僅可以克服試驗(yàn)研究在相似比設(shè)計、模型試驗(yàn)材料縮尺困難等多個方面的不足，且能夠進(jìn)行多角度、深層次的參數(shù)分析．近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對地下管廊結(jié)構(gòu)動力時程分析中的建模方法、本構(gòu)選擇、地震動輸入、人工邊界等進(jìn)行了大量的研究，得到了諸多有意義的結(jié)論．

3.2.1 直線形管廊

實(shí)際工程場地是一個半無限空間，地震激勵下土-管廊結(jié)構(gòu)相互作用的動力時程分析需要引入人工邊界來滿足地震波在半無限空間內(nèi)的傳播．李杰等[31,67]考慮地基土的邊界條件，提出一種變剛度方法近似模擬層狀剪切土箱，采用塑性增量理論下Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬土體的非線性，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模擬方法能夠很好地消除場地的邊界效應(yīng)．在地下結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)分析中，常用的人工邊界條件有黏性邊界、黏彈性邊界和透射邊界等[52,68]，由于黏彈性邊界能比較好地模擬地震波在有限域模型邊界處的無限域傳播特 性[69]，且其易于在有限元商業(yè)軟件中實(shí)現(xiàn)，故其在地下結(jié)構(gòu)抗震分析中得到了廣泛應(yīng)用．

郭恩棟等[70]研究了管廊周圍土體、廊體、廊內(nèi)支座及內(nèi)部管道的地震響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)直埋方式，管廊內(nèi)管線顯著降低了地震響應(yīng)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注管廊自身的抗震設(shè)計．李金奎等[71]通過等效線性本構(gòu)模擬土體的動力非線性特性，研究了管廊結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)，結(jié)果表明土體變形是管廊破壞的最主要因素．湯鵬等[72]采用土體記憶型嵌套面彈塑性動力本構(gòu)模型，研究了土體-內(nèi)部混凝土支架-盾構(gòu)管廊橫向地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土支架先于管廊發(fā)生地震損傷，管廊穿越較軟土層時的地震損傷顯著增加．以上研究中地震波均是垂直入射，而實(shí)際地震波會以一定的角度傳播到近場．蔣錄珍等[73]采用Duncan-Chang本構(gòu)和Davidenkov本構(gòu)研究了不同地震動峰值、地震波入射角度及土體孔隙率等因素對地下管廊體系動力響應(yīng)的影響．周曉潔等[74]采用等效線性化本構(gòu)分析了不均勻?qū)訝顖龅刂蠸V波斜入射下地下管廊的非線性反應(yīng)．另外，有學(xué)者針對地下管廊結(jié)構(gòu)在斷層錯動和遠(yuǎn)場地震動下的動力響應(yīng)機(jī)理也做了初步的分析．Jin等[75]通過雙向和三向地震激勵輸入對比研究了近斷層和遠(yuǎn)場地震動不同輸入機(jī)制下地下管廊及其內(nèi)部管線的動力響應(yīng)，結(jié)果表明，罕遇地震下近斷層管道應(yīng)力比遠(yuǎn)場高20%～50%，且管廊在三向激勵下的損傷比雙向激勵增加了20%．

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在土-管廊結(jié)構(gòu)動力相互作用研究中，土體非線性本構(gòu)的研究還亟待發(fā)展，且在地下管廊抗震設(shè)計中應(yīng)著重考慮地震波斜入射、多向激勵、地震波行波效應(yīng)以及穿越復(fù)雜地層等的影響.

地下管廊預(yù)制裝配化的快速發(fā)展使得預(yù)制地下管廊抗震性能逐漸受到廣泛關(guān)注．由于管廊接頭的復(fù)雜力學(xué)行為和強(qiáng)非線性力學(xué)特性，學(xué)者們提出了多種管廊接頭模型．蔣錄珍等[76]采用非線性彈簧單元模擬管廊接頭的平動和轉(zhuǎn)動效應(yīng)，研究了非一致地震激勵下預(yù)制管廊接頭的地震響應(yīng)．梁建文等[77]提出一個殼-彈簧模型，采用殼單元模擬預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)，彈簧單元模擬預(yù)制接頭止水橡膠和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的力學(xué)行為，研究了某非對稱雙艙管廊的縱向地震響應(yīng).許成順等[78]采用了與文獻(xiàn)[77]類似的接頭模型，討論了SV波斜入射下預(yù)制管廊接口變形響應(yīng)．夏樟華 等[79]建立了預(yù)制管廊的三維精細(xì)化模型，計算了SV波斜入射下預(yù)制管廊的地震響應(yīng)．谷音等[80]提出一個管廊-接頭模型，采用分層殼單元模擬預(yù)制管節(jié)段，桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線，彈簧單元模擬止水橡膠條，研究了行波效應(yīng)和預(yù)制管節(jié)段長度對地下管廊地震響應(yīng)的影響．Huang等[81]采用實(shí)體單元模擬管廊節(jié)段、止水膠條和錨固板，桁架單元模擬鋼筋網(wǎng)和預(yù)應(yīng)力鋼絞線，研究了P波入射下預(yù)制管廊的地震響應(yīng).

整體而言，上述精細(xì)化模型雖在一定程度上能夠反映預(yù)制管廊接頭的力學(xué)行為，但預(yù)制接頭構(gòu)造復(fù)雜，所建立的計算模型需嚴(yán)格參照接頭構(gòu)造形式及材料屬性才能獲得比較精確的結(jié)果．當(dāng)精細(xì)化模型應(yīng)用于預(yù)制管廊的縱向抗震分析時，計算模型的尺度及模型自由度將十分龐大，對計算設(shè)備的性能要求較高，因此有必要研究簡化的接頭模型．

以上研究表明，目前學(xué)者們多是針對管廊結(jié)構(gòu)在體波(P/S)作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，然而，與地鐵隧道等深埋結(jié)構(gòu)相比，地震面波對地下管廊等淺埋地下結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生不利影響[9]．現(xiàn)有研究表明，Rayleigh波在地表淺層范圍的能量約為地震總輸入能量的67.3%[82-83]，對地下管廊等淺埋地下結(jié)構(gòu)的地震影響更加重要．岳慶霞等[10]基于離散傅里葉變換得到近似Rayleigh地震波場，研究了Rayleigh波作用下地下管廊的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Rayleigh波作用下地下管廊結(jié)構(gòu)以整體彎曲變形為主，且結(jié)構(gòu)頂?shù)装宓膽?yīng)變幅值變化與Rayleigh波沿深度衰減的特性相一致．羅韜[84]利用小波變換多尺度分解技術(shù)得到近似Rayleigh場，得到與文獻(xiàn)[10]相似的結(jié)論．莊鑫磊[85]提出了適用于Rayleigh波的整體式反應(yīng)位移法．施有志等[86]通過在邊界上多次脈沖激勵激發(fā)生成Rayleigh波，討論了Rayleigh波與底部地震波雙動力共同作用下地下管廊的動力響應(yīng)．

目前地下管廊在面波作用下的地震響應(yīng)研究均是基于近似Rayleigh波，地下管廊在真實(shí)的面波作用下的地震響應(yīng)機(jī)理還有待發(fā)展，場地內(nèi)的Rayleigh波波長解析、地震動輸入方法及人工邊界等問題亟待解決．

3.2.2 交叉管廊

近年來，有學(xué)者采用動力時程方法研究了管廊十字交叉節(jié)點(diǎn)的地震內(nèi)力和變形響應(yīng)[87]以及不同幅值單、雙向地震激勵對十字交叉節(jié)點(diǎn)地震響應(yīng)的影 響[88]，初步發(fā)現(xiàn)十字交叉節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)段連接的角點(diǎn)處于反復(fù)拉壓狀態(tài)，是抗震薄弱部位，且土體變形耦合作用對交叉管廊存在不利影響．梁建文等[22]研究了T形交叉管廊在兩個主軸方向的地震響應(yīng)，給出了T形交叉節(jié)點(diǎn)的影響范圍及交叉處的內(nèi)力放大系數(shù)參考值．

在實(shí)際管廊系統(tǒng)中同時有多個以及多種交叉節(jié)點(diǎn)(T形、十字形等)的影響，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜，此外，隨著城市地下管廊建設(shè)進(jìn)程不斷加快，管廊不同交叉節(jié)點(diǎn)間以及不同管廊間相互影響，地下管廊系統(tǒng)的地震響應(yīng)研究至關(guān)重要且亟待發(fā)展．

王?，B[89]利用梁-彈簧模型建立了帶接口的地下管廊系統(tǒng)有限元模型，對其進(jìn)行了變形和內(nèi)力分析. Tao等[90]提出了“整體結(jié)構(gòu)簡化分析＋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)精細(xì)化分析＋整體結(jié)構(gòu)抗震性能評估”的方法對地下管廊系統(tǒng)進(jìn)行了抗震性能分析，但仍局限于線性分析.此外，由于地下管廊系統(tǒng)規(guī)模很大，如將大型管廊系統(tǒng)全局建模，模型將非常龐大，對計算設(shè)備的要求極高，因此，研究高效的地下管廊系統(tǒng)抗震設(shè)計方法也將是未來的發(fā)展趨勢之一．

3.3 地震易損性評估

地震易損性分析是結(jié)構(gòu)在不同地震動強(qiáng)度下達(dá)到或超越不同極限破壞狀態(tài)的條件概率，能夠從定量的角度反映結(jié)構(gòu)的抗震性能．

在對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震易損性分析中，結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)、地震動強(qiáng)度參數(shù)的選取是至關(guān)重要的一環(huán)．不同的指標(biāo)選取會影響結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)，因而得到不同的易損性曲線，分析結(jié)果也會有所差異．近年來，學(xué)者們針對地下管廊結(jié)構(gòu)地震易損性特性進(jìn)行了初步的研究．張景威等[91]以管廊橫截面若干測點(diǎn)的豎向和水平位移限值為損傷指標(biāo)，劃分了基本完好、輕微損壞、生命安全和防止倒塌共4種損傷狀態(tài)，采用非線性增量動力分析(incremental dynamic analysis，IDA)方法對地下雙艙管廊進(jìn)行了地震易損性分析．董正方等[92]以管廊層間位移角和相對彎矩比為損傷指標(biāo)，基于修正的IDA方法對管廊進(jìn)行了地震易損性分析，發(fā)現(xiàn)場地類別對管廊損傷程度影響較大．以上文獻(xiàn)均是選擇地表峰值加速度(peak ground acceleration，PGA)作為地震動強(qiáng)度參數(shù)，然而采用單一的地震動強(qiáng)度參數(shù)對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震易損性分析存在一定的離散性，這與無法顧及多種地震動強(qiáng)度參數(shù)的影響有較大關(guān)系．張建輝等[93]針對軟土淺埋隧道結(jié)構(gòu)建立了地震易損性曲面，能夠同時兼顧兩種地震動強(qiáng)度參數(shù)對結(jié)構(gòu)易損性的影響，且在擬合效果方面優(yōu)于單一(標(biāo)量)地震動強(qiáng)度參數(shù)分析．

目前還存在諸多問題值得研究：基于地下管廊橫斷面的性能參數(shù)選取損傷指標(biāo)沒有考慮結(jié)構(gòu)縱向性能參數(shù)(縱向拉壓、撓曲等指標(biāo))對結(jié)構(gòu)易損性的影響；考慮到現(xiàn)有研究多是針對直線形管廊進(jìn)行地震易損性分析，有必要研究交叉管廊不同類型交叉節(jié)點(diǎn)對管廊地震易損性的影響；有必要對城市地下管廊系統(tǒng)進(jìn)行地震易損性分析評估，形成區(qū)域性管廊體系的地震易損性矩陣[94]；隨著預(yù)制地下管廊的快速發(fā)展，預(yù)制裝配方式對地下管廊地震易損性的影響也亟待研究.

3.4 減隔震技術(shù)

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行減隔震設(shè)計主要是通過設(shè)置減隔震裝置增大結(jié)構(gòu)對地震能量的吸收和耗散，以此來降低或消除結(jié)構(gòu)的地震損傷．

近年來，管廊結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)得到了學(xué)者們的關(guān)注．趙曉斌等[95]以橡膠材料為柔性減震層，研究了在非一致地震激勵下階梯形管廊加腋和減震層共同作用對管廊平口接頭、現(xiàn)澆接頭、企口接頭動力響應(yīng)的影響．胡天羽[96]對管廊外層泡沫混凝土減震層和橡膠混凝土減震層進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果表明管廊外側(cè)減震層能夠有效降低結(jié)構(gòu)主應(yīng)力響應(yīng)，但其對接頭變形和結(jié)構(gòu)位移影響較?。?/p>

可以看出，針對地下管廊的減隔震方法研究成果有限，在今后的研究中應(yīng)充分借鑒上部結(jié)構(gòu)、地下隧道結(jié)構(gòu)等已有的減隔震技術(shù)對管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維度減隔震．

4 結(jié)論與展望

本文從地下管廊震害特點(diǎn)、抗震試驗(yàn)研究、簡化分析方法、動力時程分析方法、地震易損性評估及減隔震技術(shù)等方面綜述了國內(nèi)外地下管廊抗震性能的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，主要得出以下結(jié)論．

(1) 地震作用下，地下管廊的變形主要表現(xiàn)為由場地縱向非一致激勵下引發(fā)的軸向拉壓和撓曲變形，以及場地橫向地震動引發(fā)的橫向彎曲-旋轉(zhuǎn)-側(cè)移組合變形或翹曲變形，造成管廊結(jié)構(gòu)混凝土剝落、裂縫貫通、接縫錯位或張開、管廊受剪斷裂等破壞．

(2) 地下管廊穿越非均勻場地時地震動力響應(yīng)的放大效應(yīng)顯著大于穿越均勻場地時的對應(yīng)值，且在非一致地震激勵下的動力響應(yīng)顯著大于在一致地震激勵下的對應(yīng)值．

(3) 預(yù)制管廊接頭是預(yù)制管廊段的重要連接節(jié)點(diǎn)，亦是其薄弱部位，傳統(tǒng)梁-彈簧模型難以準(zhǔn)確模擬預(yù)制接頭的復(fù)雜力學(xué)行為，相比于梁-彈簧模型，殼-彈簧模型具有明顯優(yōu)勢．

(4) 地下管廊交叉節(jié)點(diǎn)是整個地下管廊系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，考慮到目前針對地下管廊交叉節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)研究較少且現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也沒有相關(guān)規(guī)定，因此可根據(jù)周期性地層變形輸入方式進(jìn)行交叉管廊的抗震分析.

在以上文獻(xiàn)研究成果分析和討論的基礎(chǔ)上，針對未來地下管廊抗震性能研究工作，做出以下展望．

(1) 地下管廊交叉節(jié)點(diǎn)處的動力響應(yīng)存在顯著的放大效應(yīng)，然而目前還鮮見各種形式交叉節(jié)點(diǎn)抗震性能的系統(tǒng)性報道，因此這方面值得進(jìn)一步研究．

(2) 預(yù)制裝配式地下管廊建設(shè)發(fā)展迅速，其多功能、多艙室、系統(tǒng)龐大復(fù)雜等特點(diǎn)顯著，研究表明預(yù)制接頭是地下管廊抗震性能的薄弱位置，各種接頭的抗震性能研究應(yīng)引起廣泛關(guān)注并進(jìn)行深入探索．

(3) 城市大型地下管廊系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，對采用傳統(tǒng)有限元方法建立的地下管廊系統(tǒng)數(shù)值模型進(jìn)行全局抗震分析難度較大，因此有必要發(fā)展高效的地下管廊系統(tǒng)建模方法和簡化分析．

(4) 目前地下管廊結(jié)構(gòu)的地震易損性分析主要針對管廊橫斷面結(jié)構(gòu)，未見管廊縱向損傷以及交叉節(jié)點(diǎn)對管廊結(jié)構(gòu)地震易損性的影響，也缺乏城市大型管廊系統(tǒng)的地震易損性分析，在這些方面的改進(jìn)是未來的一個重要發(fā)展方向．

(5) 減隔震技術(shù)可提高地下管廊的抗震性能，目前該技術(shù)在地下管廊中的應(yīng)用研究還處于起步階段，今后應(yīng)對地下管廊進(jìn)行深入的減隔震技術(shù)創(chuàng)新．

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Review of Seismic Analysis of Underground Utility Tunnels

Liang Jianwen，Chen Huifang，Li Dongqiao，Ba Zhenning

(School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

In view of the rapid development of underground utility tunnels and the increasing demand for earthquake resistance and disaster mitigation，a status quo review of seismic researches on underground utility tunnels is given. First，the damage modes，factors affecting the seismic damage and seismic mechanism of underground utility tunnels are systematically summarized via examples of seismic damage reported during the previous earthquakes that occurred worldwide. Second，the status quo of researches on the corresponding seismic performance tests is reviewed from two aspects，i.e.，quasi-static tests and shaking table tests. Third，a summary of the status quo of researches on simplified analysis methods，dynamic time-history methods，seismic vulnerability assessment and seismic isolation technologies used in the seismic analysis of underground utility tunnels is given. Finally，based on the literature review，the problems that need to be solved in the existing seismic researches are analyzed and prospected，so as to promote the development of seismic research on underground utility tunnels. Results indicate that the damage modes of underground utility tunnels under earthquake mainly include concrete spalling，crack penetration，joint dislocation or opening，and shear fracture. When underground utility tunnels cross a non-uniform site under earthquake，the amplification effect of dynamic response will be significant，so the seismic performance of underground utility tunnels crossing non-uniform sites where the interaction between soft and hard soils may exist deserves attention.Considering that the crossing nodes of underground utility tunnels are weak links，it is necessary to study the seismic method for crossing utility tunnels. In addition，the joints of precast utility tunnels are also vulnerable to damage，so the seismic performance of different types of joints used in precast utility tunnels should be studied further. Since the seismic performance of a large-scale urban underground utility tunnel system is affected by the interaction between different crossing nodes and different utility tunnels，efficient modeling methods and efficient simplified analysis methods for the system are urgently required. It is projected that the seismic vulnerability analysis of large-scale urban underground utility tunnel systems and the seismic isolation technologies for underground utility tunnels will betwo directions for further research.

underground utility tunnel；seismic damage；quasi-static test；shaking table test；simplified analysis method；dynamic time-history method；seismic vulnerability；seismic isolation technology

10.11784/tdxbz202305022

TU990.3

A

0493-2137(2024)02-0209-14

2023-05-23；

2023-08-10.

梁建文（1965— ），男，博士，教授.

梁建文，liang@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51978462).

the National Natural Science Foundation of China(No. 51978462).

(責(zé)任編輯：武立有)