王曉敏 宋 蕾 宋嬌嬌

西安科技大學高新學院（710000）

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，人們的生活水平也在不斷提高，老舊建筑無論是在功能還是在設(shè)計上，已遠遠不能滿足人們的使用需求；其不僅設(shè)計標準低，而且對危險的預(yù)防能力較弱，如地震、火災(zāi)預(yù)防等[1]。此外，“老齡化”使得老舊建筑的結(jié)構(gòu)功能逐漸降低，愈發(fā)凸顯出結(jié)構(gòu)方面的安全問題。 隨著國家對建筑抗震性能提出了新的要求，原有建筑需要重新進行抗震鑒定，如不符合抗震要求，就需要對其進行加固改造，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

1 地下結(jié)構(gòu)震害的特點

一般在地下結(jié)構(gòu)中，地下隧道是最常見也是最主要的建筑設(shè)施，一旦發(fā)生震害，首當其沖被破壞的就是地下隧道。 根據(jù)現(xiàn)有的研究，地下結(jié)構(gòu)通常在震害中有以下幾種破壞形式：

1）多發(fā)生于洞口巖體不穩(wěn)定、風化程度較高地方的洞口邊坡垮塌破壞[2]。 由于洞口巖體多為破碎狀態(tài)，巖體自穩(wěn)能力不高，而一旦發(fā)生地震，洞口處的地震作用又較強，因此洞口破壞是地下結(jié)構(gòu)震害最常見的形式。

2）洞門裂損。常見的有端墻松脫、拱圈開裂、翼墻開裂等現(xiàn)象。

3）多發(fā)于震中附近的圍巖坍塌或襯砌坍塌。此類破壞形式多發(fā)于軟弱圍巖；若發(fā)生地震，不是圍巖、襯砌一起坍塌，就是襯砌發(fā)生坍塌。

4）襯砌開裂。 在地下結(jié)構(gòu)震害中，這種破壞形式是最常見的。 襯砌開裂也有多種形式，如縱向或多方向開裂、底板開裂、環(huán)向開裂等。

5）襯砌錯位破壞。一般這種震害多發(fā)生于修建在斷層破碎帶上的地下結(jié)構(gòu)中； 受地震剪力作用，地下結(jié)構(gòu)在其兩個橫截面上發(fā)生位移， 若位移過大，就會發(fā)生此類破壞[3]。

2 地下結(jié)構(gòu)震害的影響因素

通常來說，有很多因素都會對地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)造成影響，如地下結(jié)構(gòu)本身的特點、巖土性質(zhì)等等，但主要是以下三個方面的因素。

2.1 入射地震動特性

入射地震動特性通常指的是地震在發(fā)生時的各種數(shù)值變化，包括震幅、頻譜、震級、震距、震波波長、震波入射方向等。 一般地震的動峰值加速度（PGA）以及峰值速度（PPV）會影響地下洞室的破壞程度，PGA 的大小直接決定地下洞室震害反應(yīng)的強烈程度，PGA 越大，震害可能會愈加嚴重；而PPV 對地下洞室造成的震害反應(yīng)遠遠大于PGA 帶來的震害反應(yīng)。 此外， 地下結(jié)構(gòu)的震害反應(yīng)也會顯著受到震波入射方向的影響，入射方向不同，應(yīng)力和位移方向就會產(chǎn)生差異[4]。

2.2 地質(zhì)環(huán)境

地質(zhì)環(huán)境因素通常指的是地下結(jié)構(gòu)所在位置的地質(zhì)因素，一般有地層巖性、構(gòu)造、地應(yīng)力等。對比修建于土體中和修建于巖體中的地下結(jié)構(gòu)，后者的抗震性能明顯更強，但是可以通過加固地下巖土體的方式來提高土體地下結(jié)構(gòu)的抗震性能。 若地下結(jié)構(gòu)周圍的地質(zhì)環(huán)境不良，比如存在斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，在發(fā)生地震時，則會更容易受到破壞；同時，高地應(yīng)力也是降低地下結(jié)構(gòu)震中穩(wěn)定性的因素之一。

2.3 地下結(jié)構(gòu)自身的特性

在地下結(jié)構(gòu)震害影響因素中， 地下結(jié)構(gòu)自身的特性是一個很大的影響因素，如其形狀、形式、接觸圍巖形式等。 地下結(jié)構(gòu)形狀不同， 其地震反應(yīng)也不同；通常最容易受到破壞的就是地下結(jié)構(gòu)的斷面、剛度變化等位置[5]。 另一方面，在地震作用下，地下結(jié)構(gòu)的動力特性直接由其自身的特性決定， 如地下結(jié)構(gòu)的形狀、形式、接觸圍巖形式等。

3 地下結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法

以地下結(jié)構(gòu)中的主要建筑——地下隧道為例，目前主要有以下三種抗震性能分析方法。

3.1 響應(yīng)位移法

早在上世紀就有學者在地震觀測中發(fā)現(xiàn)，在地震中，場地位移是支配地下結(jié)構(gòu)地震相應(yīng)的主要因素，無論是結(jié)構(gòu)本身的慣性力，還是結(jié)構(gòu)本身的阻尼效應(yīng)，都不會對計算結(jié)果造成太大影響。 基于此，學者們提出了用于抗震設(shè)計的響應(yīng)位移法，此抗震設(shè)計方法的主要原理就是用彈性地基梁取代地下線狀結(jié)構(gòu)物，求出地震時彈性地基梁的位移，就能夠計算出結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

3.2 BART 法

BART 法最早起源于美國， 是在地下快速運輸系統(tǒng)設(shè)計實踐中建立起來的抗震設(shè)計準則，因其具有能適用于不同地下結(jié)構(gòu)類型和多種地形條件等優(yōu)勢而受到廣泛使用[6]。 但此類方法在抗震設(shè)計中只會考慮隧道結(jié)構(gòu)在地震中的振動效果，不會考慮土地結(jié)構(gòu)在地震過程中對隧道產(chǎn)生的影響。 此外，該種抗震設(shè)計方法主要是為了確保地下結(jié)構(gòu)在地震過程中能夠承擔抗壓能力， 不會輕易產(chǎn)生變形。通常在設(shè)計地下結(jié)構(gòu)時，都必須將地層變化作為考慮因素之一，而BART 法則能提供關(guān)于地層的有效振動數(shù)據(jù)，便于設(shè)計者設(shè)計地下抗震結(jié)構(gòu)。

3.3 圍巖應(yīng)力傳遞法

圍巖應(yīng)力傳遞法來源于日本，是一種根據(jù)地震中的測量數(shù)據(jù)提出的地震響應(yīng)分析方法，主要應(yīng)用于分析隧道結(jié)構(gòu)、無洞穴巖地的地震響應(yīng)方面。

4 研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的步驟

地下隧道結(jié)構(gòu)抗震性能研究主要有以下步驟。

4.1 原型觀測

原型觀測即是指在模擬地下結(jié)構(gòu)振動時，對其振動特點進行觀察。 但是在實際工作中，通常振動模擬試驗提供的數(shù)據(jù)不是很完整，無法讓觀察人員掌握全部數(shù)據(jù)，因此，該方法只是對地下結(jié)構(gòu)抗震性能進行檢測的必要手段之一。 震害調(diào)查是原型觀測的主要內(nèi)容之一， 這種觀測方法受限因素較多，如觀測時間、 條件等都會影響震害調(diào)查的結(jié)果，因此這種調(diào)查方法需要在地震結(jié)束后進行。 但另一方面，這種調(diào)查方法的數(shù)據(jù)往往更具有真實性，受到的重視度也更高。

4.2 試驗研究

振動模擬試驗有人工試驗法和振動臺試驗法。人工試驗方法具有一定難度，不僅很難反映地下線性結(jié)構(gòu)，還很容易受外界因素影響，如出現(xiàn)地基斷裂等，就會影響隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此應(yīng)用較少；振動臺試驗方法不僅操作簡單，還有利于人們對地下結(jié)構(gòu)特性進行觀察、了解，在一定程度上，能指導(dǎo)人們分析和檢驗抗震原理，應(yīng)用較為廣泛。

4.3 理論分析

在上述兩種研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的步驟中，無論是原型觀測還是試驗研究，都不可避免地需要付出一定代價，因此也不能忽視理論研究。 波動解法和相互作用法是研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能常用的兩種方法。

波動解法可以利用波動求解方程式進行計算，結(jié)合地下結(jié)構(gòu)，可以得出結(jié)構(gòu)響應(yīng)。 通常這種估算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的方法常用于設(shè)計初期；結(jié)構(gòu)與土體之間的剛度差異越小，越會得出精確程度較高的求解結(jié)果。 但是波動解法也有一定的局限性，比如求解時需要簡化問題，這就導(dǎo)致求解結(jié)果與實際情況存在較大的差異性。

相互作用法主要以結(jié)構(gòu)為主體，通過周圍土地介質(zhì)中的相互作用力求振動響應(yīng)，這種求解方法的實用性較高。 通常這種解法的主要目的是解決發(fā)生地震時地下結(jié)構(gòu)因土地變化而帶來的響應(yīng)問題。

5 結(jié)語

由于目前城市發(fā)展導(dǎo)致土地資源越來越緊缺，發(fā)展地下工程越來越具有重要意義，而在地下工程建設(shè)中， 最重要的就是有效避免地震帶來的損失，因此結(jié)構(gòu)抗震成為地下結(jié)構(gòu)研究的重要方向。 在考慮到地層環(huán)境存在多樣性的基礎(chǔ)上，設(shè)計師在設(shè)計地下結(jié)構(gòu)時，需要詳細采集相關(guān)數(shù)據(jù)，研究抗震原理，以便設(shè)計出具有優(yōu)秀抗震性能的地下結(jié)構(gòu)。