地下结构工程抗震的研究现状及其分析方法
摘要
随着地下工程的大量兴建和地震自然灾害的频发，地下结构工程的震害问题越来越受到人们的重视。文章根据地下结构工程抗震的研究背景，对国内外在隧道及地下工程抗震减震研究分析方面的成果进行了归纳总结，指出了各自存在的优势及局限性。最后简单阐述了地下结构抗震反应的特点，结构破坏的主要特征及提高结构抗震的措施，并提出了自身对今后该领域研究发展方向的看法与思考。
关键字：地下结构，抗震，现状研究，分析方法
1 研究背景
地震是自然界一种常见的自然灾害。过去，由于地下结构数量和规模的限制，其震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。因此人们普遍认为地下结构有较好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破坏，故地下结构的抗震研究长期未得到重视。
然而，随着地下空间的开发和地下结构建设规模的不断扩大，地下结构也相继出现了各种震害。1923 年日本关东7. 9 级大地震，震区内116 座铁路隧道，有82 座受到破坏；1952 年美国加州克恩郡7.6 级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重，1978 年日本伊豆尾岛发生7.0 级地震，震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列破坏。特别是1995 年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构遭受最严重破坏的首例。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震设计和研究的重视。我国地处地震带之间，地震活动频繁。1999 年9 月21 日，我国台湾省台中地区发生了里氏7 . 3 级地震，台中地区57 座山岭隧道有49 座受到不同程度的损坏；200 8 年汶川特大地震中，根据四川省交通厅公路规划勘察设计研究院的调查统计，四川地区共有56 条隧道受到不同程度的损坏，损坏程度如图所示：[1]
图1 地震中公路隧道受损评估统计结果
根据国内外学者大量的研究结果，地下结构震害类型及原因可归纳为以下四类［2-3］: 第一类是由断层所引起，造成地层的错动和位移，致使地下结构遭到严重破坏。第二类是由地震引起的土壤振动，使地层产生位移和地震力，作用在结构上，使结构产生应力和变形。第三类是由结构本身的特性( 如结构强度，材料性质) 导致其在地震力作用下的破坏。最后一类是由地震引起的其他不稳定因素( 砂土液化、软化震陷等) 造成的对地下结构的破坏。
由于对地下结构地震作用机理了解还不深入，通过理论分析和数值计算进行抗震设计尚无成熟方法，因而，依据以往经验采取适当抗震措施，仍是进行地下结构抗震设计的主要手段。相比于地上结构的抗震研究，地下结构的抗震研究仍处于起步阶段，很多研究方法及理论还不是很成熟。
2 地下结构工程抗震分析方法的发展
地下结构工程抗震分析的方法是基于地面建筑结构的抗震理论发展而来的， 20世纪50年代以前， 国内外地下结构的抗震设计大多以日本大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构的地震作用力。60年代初， 前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构， 以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力应变状态， 得出了地下结构地震作用的精确解和近似解［4］， 即拟静力法。60年代末， 美国对地下结构抗震问题进行了深入的研究， 他们提出了地下结构并不抵御惯性力， 而要具有吸收强加变形的延性， 同时不散失其承受静荷载能力等新的设计思想， 并提出了相应的抗震设计标准。70年代， 日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验等手段， 建立了数学模型， 并结合波的多重反射理论， 提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法， 使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。80年代美国在洛杉矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。80年代末90年代初， J．P．Wolf和C．M．Song又提出了递推衍射法［5］。
3 地下结构工程抗震分析方法的研究现状
对地下结构的抗震分析， 就是对土与地下结构相互作用的动力分析。目前地下结构抗震分析的主要研究方法有： 原型观测、模型实验和理论分析。
3.1 原型观测
原型观测是通过地下结构在震后的变形破坏特征和实测的动力特性了解其地震响应特点。主要包括震害调查和地震量测。震害调查是在地震结束后开始的，体现的是最真实的“原型试验”结果，一直受到人们的重视，关于这方面的资料也在不断增加。但是由于受到观测时间、手段和条件的限制，很难对地震过程中的动力响应进行量测。而地震量测可以得到震害调查所无法获知的地下结构在地震时的动力响应过程。日本学者在该方面做了大量的工作，也得到了一些初步认识［6-7］: 如1970 年，日本首先利用松化群发地震，测定了地下管线的动态应变，通过对测定结果的研究发现，管线与周围地基一起振动，而自身并不发生振动等。
3.2 模型实验法
模型实验研究分为人工震源实验和振动台实验［8－10］。根据所施加动力类型的不同， 振动台实验可分为简谐振动、模拟地震振动和天然振动。但由于非线性阶段叠加原理不适用， 所以要用模拟地震振动的振动台。另外， 因起震力较小， 人工震源实验法很难反应出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响， 一般不宜采用； 而模拟地震振动的振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性， 以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题， 且实验成本较低， 因此得到了比较广泛的应用。模拟地震振动的大型振动台是在1970年左右从美国开始使用的。80年代末， 日本国铁铁道技术研究所又利用这种方法对隧道抗震加固问题进行了实验。我国铁科院铁建所也开展了利用振动台输入地震波的隧道模型实验。90年代初， 美国发展了大型模型的抗震实验技术， 通过模型实验使人们能更好地了解和掌握地下结构的工作特性， 为抗震理论的发展奠定了基础。总的发展趋势是： 多向控制运动（ 双向、三向或六分量） 、大台面（15mx15m； 10mx10m） 、大推力（100t 模型重量） 和强地震动（≥1．0g）。然而， 对试验中有关动力学原理若理解不当， 则试验的设计与分析就会导致错误的结果或得不到结果。
3.3 理论分析
理论分析方法：波动理论和有限元法是地下结构抗震的两种主要的理论分析基础。地下结构抗震理论分析方法有两类：一种是波动法，另一种是相互作用法，在这两种方法基础上发展了许多抗震分析的实用方法，如拟静力法、反应位移法、ST.John 法、围岩应变传递法、地基抗力系数法、有限元法等。目前常用的理论分析方法有：田村重二郎的质量弹簧模型法（主要针对沉管隧道而言）、福季耶娃法、ST.John 法、Shukla 法、反应位移法、BART
法、递推衍射法等。理论分析方法在国内的研究成果较为丰富。孙铁成等[11]研究了围岩、抗减震层和衬砌等材料的刚度、阻尼和密度之间的匹配对隧道位移传递系数的影响，首次提
出了地下结构综合位移传递系数的概念；黄胜等[12]提出一种新的基于无限元人工边界的合理地震动输入法，为地下结构抗震设计方法研究提供一定的理论参考。严松宏[13]运用概率方法和脉冲响应函数原理，探讨隧道及地下结构在弹性工作状态下随机地震响应分析及其动力可靠度研究的确定性方法，分析隧道及地下结构随机地震响应的统计特性以及隧道及地下结构地震动力可靠度；林志等[14]在广泛总结分析国内外关于地下工程结构抗震设计文献的基础上，从多自由度体系的动力平衡微分方程出发，采用时程分析法，计算盾构区间隧道衬砌结构的地震反应，并将连续介质快速拉格朗日差分法运用到地下结构的抗震研究中，研究在地震动作用下，地下铁道的动力反应的过程；曾德顺[15]用反应变位法对区间隧道的抗震设计中的问题进行了研究给出了隧道埋深、剪切波速、卓越周期、弹性地基刚度与隧道轴向变形和弯曲变形相互关系的结果；刘晶波[16]在借鉴地上结构抗震分析的Pushover 方法思想的基础上，提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的Pushover 分析方法。
3.4 局限性
地下结构的震害表现形式多样, 破坏机理复杂且影响因素较多。目前, 虽然对隧道抗震减震措施和分析方法的研究工作已经展开, 但还没有形成一个系统的分析理论和完善的抗震减震方法。现有国内外的抗震分析方法都存在不同程度的不足。震害调查很难对地震过程中的动力响应进行量测，也无法控制地震波的输入机制和边界条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进行有目的、多角度的研究。原型观测能客观反映规律，真实可靠，是地下隧道结构抗震研究中必不可少的手段之一，但是观测机会难得，并且观测费用昂贵。因此，原型观测在实际应用中受到了很大的限制。模拟试验是目前研究隧道地震动力响应最有效、最直观的方法，但是同时必须看到，该方法在材料动力特性的模拟、相似关系比的确定和模型边界的处理等方面还存在不同程度的困难, 而且模拟试验费用比较昂贵。理论分析方法也存在着局限性，由于地震时，支配地下结构地震反应的因素是地基变形而不是地下结构的惯性力，因此，将静力法作为地下结构抗震设计的原则是不合适的。反应位移法则略去了结构
本身惯性力的影响，认为地下结构地震响应仅取决于结构所在位置的地层变位，从而把地下结构的地震反应简化成拟静力进行计算。围岩应变传递法要准确地确定合理的应变传递率是非常困难的；另外其他方法做了大量简化，精度难以保证，如动力有限元分析法在计算模型及其参数的确定、地震波及其输入方式的选定等方面需要进行一定的简化，致使计算结果难以完全反映地下结构的复杂运动特性。
4 地下结构工程地震反应的特点
当地震发生时地面建筑的地震反应主要是建筑物本身的动力反应， 而地下结构由于受到土体的约束， 会与周围的土体之间发生动态的相互作用。地震波传来时［17］， 地震波由基岩经软土层传至结构物， 引起结构运动和变形， 部分地震波经反射传土层， 对土层产生反作用。模型边界上波的能量向半无限空间辐射， 引起能量的损失。所以总结出地下结构地震反应的特点［18］：
（1） 地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著， 结构的动力反应一般不明显
表观出自振特性的影响；
（2） 地下结构的存在对周围地基震动的影响一般很小（指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况）；
（3） 地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大， 地震波的入射方向发生不大的
变化， 地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化；
（4） 地下结构在振动中各点的相位差别十分明显， 地面结构各点在振动中的相位差不很
明显；
（5） 地下结构在振动中的应变一般与地震加速度的大小联系不很明显；
（6） 地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显；
（7） 对地下结构和地面结构来说， 它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响， 但影响的方式和影响的程度则是不相同的。
5 地下结构地震破坏的主要特征
根据对已有震害的调查资料分析,地下结构的破坏主要体现在以下几方面:
(1)在地质条件有较大变化的区域容易发生破坏.
(2)修建在软弱土层中的地下工程比修建在坚硬岩石中的破坏大.
(3)地下结构上部覆盖土层越厚,破坏越轻.
(4)衬砌厚度较大的结构破坏的几率大于衬砌厚度较小的结构.
(5)在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位容易遭到破坏,地面洞口也是经常受到地震破坏的部位.
(6)在同一地震烈度条件下,地下结构的破坏程度远远小于地面建筑物的破坏程度.
(7)对称结构发生破坏的程度要比非对称结构发生破坏的程度轻.
6 提高地下结构抗震承载能力的主要措施
根据各国地下结构的震害分析,提高地下结构的抗震承载能力可以从以下几方面入手:
(1)将地下结构建于均匀稳定的地基中,远离断层,避免过分靠近山坡坡面和不稳定地段,尽量避免饱和砂土地基.
(2)在相同条件下,尽量选取埋深较大的线路,远离风化岩层区.
(3)区间隧道转交处的交角不宜太小,应加强出入口处的抗震性能.
(4)在施工条件允许的情况下,尽量采取暗挖法施工.
(5)在结构中柱和梁或顶板的节点处,应尽量采用弹性节点,避免采用刚性节点。
7 对现状的思考与展望
由于地下结构所处环境的复杂性及地震本身的不确定性，使得地下结构地震响应及抗震研究困难重重。虽然目前在该领域的研究热度渐高，成果也日益增多，但能转化为实际工程技术的比较少，地下结构的抗震设计仍然停留于经验阶段。对于岩土工程界的学者来说，仍然是任重道远。针对现状，许多学者也都作了很好的分析总结，提出了各自的认识，如文献［19］从具体理论和技术层面出发，讨论了当前地下工程抗震研究存在的一些迫切需要解决的问题，如地下结构振动模型试验研究技术、土体非线性动力本构模型存在的问题等。而笔者从宏观角度出发，认为以下几个方面是工程实践中急需解决然目前研究结果尚不能给出很好解答的课题。
1) 地下结构地震响应规律研究，尤其是大跨度、复杂结构地下洞室，如大型地下厂房、商业街、地下储存库以及一些国防工程等。目前，关于这些地下结构在不同埋深、不同地质条件下的地震动力响应的认识还不够清晰。这些工程都关乎国家经济发展或是国防安全，对此进行深入研究，意义重大。
2) 关于地下工程抗震、减震具体技术措施的研究较少，能应用于实际工程的更少，这与我国地处于多震区的国情以及高速发展的地下工程建设规模极为不符。
3) 把理论研究成果转化为技术成果的较少，抗震理论与工程实际的联系不太紧密，这也从侧面映了我们对该问题的认识水平还不高。
4) 关于软弱围岩中的隧道结构地震响应及抗震研究较少，虽然有学者对软弱地基的地震响应进行了一些研究，如文献［20， 21-23］等，但也只针对于极少的几种岩( 土) 体介质，相对于我国复杂的地理环境和地质条件而言，研究范围远不够广泛，且对软土介质与地下结构的相互作用的认识还不够深入。
参考文献
［1］Onnes HK (1911) The resistance of pure mercury at helium temperatures. Commun Phys Lab Univ. Leiden12
［2］ 郑永来，杨林德，李文艺，等． 地下结构抗震［M］． 上海: 同济大学出版社，2005．
［3］ 王秀英，刘维宁，张弥． 地下结构震害类型及机理研究［J］．中国安全科学学报，2003，13( 11) ．
［4］ 孙钧， 候学渊． 地下结构（上、下册）［M］． 北京：科学出版社， 1987．
［5］ 于翔， 陈启亮， 赵跃堂， 等． 地下结构抗震研究方法及其现状［J］． 解放军理工大学学报， 2000（5）．
［6］ Hamada H，Kitahara M．Earthquake observation and BIE analysis on dynamic behavior of rock cabvern ［C］/ /Proceedings of the Fifth International Conference on Numerical Methods in Geomechanics．Nagoya，1985．
［7］ Okamoto Shunzo． Introduction to Earthquake Engineering ［M］． University
of Tokyo Press，1984．
［8］ 高峰， 石玉成， 严松宏．隧道的两种减震措施研究［J］．岩石力学与工程学报， 2005（2）．
［9］ 严松宏． 地下结构随机地震响应分析及其动力可靠度研究［D］． 2003．
［10］ 骆文海． 强地震作用下铁路隧道衬砌耐震性的研究［J］． 中国铁道科学， 1992（2）．
［11］ 孙铁成, 王伟, 申玉生. 材料刚度匹配关系在地下结构减震原理中作用的研究[ J ] . 石家庄铁道大学学报( 自然科学版) ,2010,23(2):109～115
［12］ 黄胜, 陈卫忠, 伍国军, 等. 地下工程抗震分析中地震动输入方法研究[ J ] .岩石力学与工程学报,2010,29(6):1254～1261
［13］ 严松宏. 地下结构随机地震响应分析及其动力可靠度研究[ 博士学位论文D ] .成都：西南交通大学，2 0 0 3
［14］ 林志, 朱合华, 杨超, 等. 盾构区间隧道衬砌结构的抗震计算[ J ] . 同济大学学报,2004,32(5):607～611
［15］曾德顺. 反应变位法在区间隧道抗震设计中的应用[ J ] . 工程力学（增刊），1999,：774～778
［16］ 刘晶波, 刘祥庆, 李彬. 地下结构抗震分析与设计的 Pushover 分析方法[ J ] .土木工程学报,2008,41(4):73～79
［17］ 陶明星． 土－地下结构动力相互作用有限元分析． 西北工业大学指导教师： 刘建民， 2004
［18］ 林皋． 地下结构抗震分析综述（上）［J］． 世界地震工程， 1990（2）．
［19］ 杨林德，季倩倩，郑永来，等． 软土地铁车站结构的振动台模型试验［J］． 现代隧道技术，2003，4 0( 1) ．
［20］ 刘晶波，刘祥庆，杜修力． 地下结构抗震理论分析与试验研究的发展展望［J］． 地震工程与工程振动，2007，27( 6) ．
［21］ 王国波，马险峰，杨林德． 软土地铁车站结构及隧道的三维地震响应分析［J］． 岩土力学，2009， 30( 8) ．
［22］ 陈国兴，庄海洋，徐烨． 软弱地基浅埋隧洞对场地设计地震动的影响［J］． 岩土工程学报，2004，26( 6) ．
［23］ 陈国兴． 岩土地震工程学［M］． 北京: 科学出版社， 2007．