馬韋韋

中國礦業(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)的震害問題越來越受到人們的重視。文章對國內(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)勢及局限性，并提出了自身對今后該領(lǐng)域研究發(fā)展方向的看法。

地下工程；抗震分析；原型觀測；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的自然災(zāi)害。過去，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)的抗震研究長期未得到重視。

然而，隨著地下空間的開發(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年美國加州克恩郡7.6級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)重破壞及由此帶來巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，引起了世界各國對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和研究的重視。我國地處地震帶之間，地震活動頻繁。1999年9月21日，我國臺灣省臺中地區(qū)發(fā)生了里氏7.3級地震，臺中地區(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，因此這對我國地下結(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)場實(shí)測、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析[2-4]。

2.1 現(xiàn)場實(shí)測

現(xiàn)場實(shí)測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、裂度和震中距之間的關(guān)系曲線及與地面運(yùn)動之間的關(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)地震測定地下管線動態(tài)應(yīng)變后，人們又對沉埋隧道、盾構(gòu)隧道和地下隧道等進(jìn)行了地震觀測，掌握了地下結(jié)構(gòu)的動力特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究主要有人工震源試驗(yàn)和振動臺試驗(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地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，一般不易采用。振動臺實(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題，通過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]首先采用振動臺實(shí)驗(yàn)法研究了砂質(zhì)地基液化對管線的影響問題；隨后日本又利用這種方法對隧道抗震加固實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。我國也利用振動臺輸入地震的方法對隧道模型抗震加固問題進(jìn)行了試驗(yàn)，并開展了利用振動臺輸入地震波的隧道模型試驗(yàn)。90年代初，美國開展了大型模型的抗震實(shí)驗(yàn)技術(shù)。Phillips[7]曾在美國內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場附近的一座試驗(yàn)隧道中進(jìn)行過地下核爆炸的震動響應(yīng)試驗(yàn)。Iwatate等[8]利用大型振動臺試驗(yàn)?zāi)M了阪神地震中地鐵結(jié)構(gòu)的振動破壞過程，并與實(shí)際震害進(jìn)行了比較。

在國內(nèi)，季倩倩等[9]在國內(nèi)首次采用振動臺模型試驗(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]開展了大斷面地下結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗(yàn)，檢測結(jié)構(gòu)埋深、豎向地震荷載等因素對結(jié)構(gòu)抗震能力的影響；通過對結(jié)構(gòu)的加速度、動應(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)振動臺進(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)振動臺模型試驗(yàn)。

2.3 理論分析

理論分析方法：波動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限元人工邊界的合理地震動輸入法，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)地震動力可靠度；林志等[15]在廣泛總結(jié)分析國內(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，研究在地震動作用下，地下鐵道的動力反應(yīng)的過程；曾德順[16]用反應(yīng)變位法對區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)中的問題進(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,雖然對隧道抗震減震措施和分析方法的研究工作已經(jīng)展開,但還沒有形成一個(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)查很難對地震過程中的動力響應(yīng)進(jìn)行量測，也無法控制地震波的輸入機(jī)制和邊界條件，更無法主動地改變各種因素以對某一現(xiàn)象進(jìn)行有目的、多角度的研究。原型觀測能客觀反映規(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，但是觀測機(jī)會難得，并且觀測費(fèi)用昂貴。因此，原型觀測在實(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化，精度難以保證，如動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)動特性。

4.結(jié)語

通過原型觀測和模型試驗(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，再通過模型試驗(yàn)結(jié)果對數(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)和動力響應(yīng)；在數(shù)值模擬中應(yīng)合理選用結(jié)構(gòu)的動力本構(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)，這是未來應(yīng)當(dāng)研究的工作。

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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)。