地下结构震害及抗震分析方法综述

摘要：目前，我国开始大力发展地下空间，尤其是地铁工程。通常情况下，地下结构具有良好的抗震性能，地震灾害相对较少。但是地下结构一旦遭受地震破坏，将会带来严重损失并且难以修复。本文主要介绍了地下结构的地震灾害特征以及常用的地下结构抗震分析方法。并且对比分析了反应位移法、自由场变形法和地震系数法等的特点以及不足。

Abstract： At present， China has begun to develop underground space， especially the subway projects. Usually， the underground structure has good seismic performance， and relatively few earthquake disasters. But if the underground structure is damaged by the earthquake， it will cause serious damage and cannot be repaired. This paper mainly introduces the seismic hazard characteristics of underground structures and compared the methods of seismic analysis of underground structures， such as the reaction displacement method， free field deformation method and so on.

P键词：地下结构；地震灾害；抗震性能；反应位移法

Key words： underground structure；earthquake disaster；seismic performance；reaction displacement method

中图分类号：TU93 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0244-02

0 引言

随着现代城市的不断发展与人口的迅速增长，人类对生活空间的需求也不断扩大，地下结构的不断发展便是其真实写照。地铁车站、隧道、地下商场等如雨后春笋般应运而生。但是近年来，自然灾害频繁发生，尤其是地震对人类的生活造成极大困扰，许多地下结构因遭受地震作用而发生破坏[1][2]。因此，在建设地下结构的同时，应对其抗震性能提出更高的要求。

一般情况下，地下结构的抗震性能相比于地上结构相对良好，因此多数已建成的地下结构都没有考虑抗震性能。但是，地下结构一旦发生地震破坏，往往造成的生命财产损失将是无法估量的。1995年阪神地震中，大量地下结构尤其是地铁车站及区间隧道发生不可修复的损坏。而神户县的大开地铁车站中柱发生破坏导致车站顶板坍塌造成上层覆土层大量沉降。由于此次破坏远远超出了人们的想象，从事土木工作的人员才发现地下结构的抗震性能并不竟如人意，于是开始重视地下结构的抗震研究。近些中国各地地震不断，尤其是四川的汶川地震，使得许多地下结构严重毁坏且不可修复。现在地下结构多为城市交通通道，如地铁车站及隧道等。一旦破坏不仅造成交通瘫痪，而且容易引发次生灾害，使得人们生命财产损失惨重。因此，地下结构的抗震性能研究问题显得更加迫切和重要。

1 地下结构的震害研究

人们对地震灾害的记录主要是从19世纪初期开始，因为在更早的时候，地下结构相比于现在略少，而且由于其在岩土中故抗震性能相对于地上结构良好。从19世纪开始，随着地下结构的不断发展其地震灾害记录也愈来愈多。在研究这些地震灾害记录资料后发♡现，在同一地震下，地下结构抗震性能优于地上结构，但仍有许多地下结构在强震中发生不可修复性破坏，究其原因是由于其未经合理抗震设计。并且在这些震害资料中发现，地下结构发生严重破坏后部分还会导致火灾等次生灾害。因此，针对地下结构的抗震性能展开研究究显得尤为重要。

1995年日本阪神发生了人类历史上损失最为惨重的大地震。这次地震导致许多地下结构发生严重破坏。其中大开和上泽地铁车站中大量侧墙产生裂纹并且中柱发生损坏以及倒塌致使车站结构顶板坍塌，使车站上方道路与地面发生大量沉降与裂缝。图1为上泽站和大开站中柱不同破坏模式和顶板坍塌情况[3][4]。

通过研究大量的地铁车站震害资料发现：地铁车站的破坏多从其中柱开始，即中柱为其薄弱环节。根本原因是由于地铁车站随着土体一起运动而发生较大的相对位移造成。通过研究发现，地下结构与地面结构的振动特性大不相同[5]。地下结构自振特性的变化，即结构的质量、刚度等的变化对其地震反应的影响并不是很大，而地基基岩的运动特性对结构的反应则应当重视。

通过观测研究，总结出地下结构的震害特征主要有以下几个方面[6][7]：①地下结构由于受周围土体的约束故随着埋深的增加而破坏越小。②地下结构周围土体环境（土层、衬砌或围岩）的刚度越大，结构破坏越小。③地下结构所处地质环境较差（断层、滑坡、软弱带等），或者土层条件发生较大变化时，结构易被破坏。④地下结构的出入口、结构刚度和形状突变部位容易破坏。

2 地下结构的抗震分析方法

地下结构的抗震分析方法有很多，现阶段主要有三种：一为原型观测法，即通过对地震中地下结构的观测来解释地下结构的动力反应；二是模型实验法，通过振台模型试验定性的再现地震现象，以此来总结地下结构破坏规律分析灾害后果；最后为理论分析，通过用数值方法或解析法建立合理的系统模型来⌛模拟分析地下结构的地震响应特征。以上这三种方法各有特点和不足，通常需要将这三种方法结合起来以得到地下结构的地震反应规律。首先通过原型观测来监测地下结构的地震响应及破坏过程，然后通过模型试验再现其地震的实际现象，此过程中可控制边界条件和土层性质等使得模型试验更加丰富，以定性的研究地下结构在地✍震过程中的响应规律，最后再利用分析软件建立合理的数值模型，模拟地下结构在实际工程中的地震响应。 数值法和解析法是工程设计中两种常用的主流理论分析方法。其中，数值法是把结构和土体作为一个整体，在充分考虑土体非线性的基础上求解得出地下结构的动力响应。在数值法中，运用较为广泛的是动力有限元法，该方法利用有限元思想，可以模拟各种复杂边界，分析复杂地质条件下结构的破坏，并且计算结构的动力反应。并且动力有限元法可以与最新计算机软件结合，如ABAQUS和 FLAC3D等，使之在分析计算地下结构的地震动力反应时相得益彰。

现阶段，针对地面结构的抗震设计分析方法已相对成熟，但由于地下结构与地面结构对地震的响应大不相同，故不能照搬地面抗震设计分析方法。上世纪中后期，地下结构的抗震理论与设计方法才逐渐开始发展。主要有两种设计分析方法，即动力时程分析法和拟静力法。动力时程分析法虽然能精确反应出结构各个时刻的动力响应，但是计算工作量过于庞大而且技术要求高，难以在工程中实践应用。鉴于此，许多学者提出了一系列相关实用的地下结构抗震分析方法，即拟静力法。拟静力法在计算过程中进行了假设和简化，因此计算量小，但精度不如时程分析法。但是该方法能合理反应地下结构的地震反应特点，故可以满足工程设计要求。因此该方法ส也不失为一种实用有效的计算分析方法。

在分析地下结构的抗震性能时，由于地下结构受地基振动及周围土体的影响，结构变形复杂，如果用三维模型来模拟，其计算过程中的高度非线性导致计算难以收敛且非常耗时。针对上述问题，各国学者研究提出了横断面和纵断面抗震设计分析方法，即断面分析法。本文主要对这两种方法中的一些算法作简要介绍和对比。

①纵向抗震计算方法。

反应位移法在上世纪70年代由日本学者提出，该方法主要用来模拟计算地®下线性结构，并且认为影响地下结构地震响应的主要因素为地基变形。

自由场变形法于上世纪60年代提出，之后由St.John和Zahrah改进，推导了隧道由不同入射波从不同角度入射时的轴向应变、剪应变等。这种算法常与数值法相结合，不仅计算简便，而且有效实用，曾用于许多大型工程。

②横截面抗震计算方法。

地震系数法是以静力理论为基础，将地震荷载用与之相当的静荷载替代，从而利用静力模型来分析地下结构内力的一种方法。这种方法一般用于地下结构重量远大于围岩重量或者地下结构与地面结构合建时。但是地震系数法的缺点是不能准确的反应地下结构地震特点，而且当结构埋深或土层模量改变时，该方法的计算结果不再准确。

土-地下Y构相互作用法其主要理论依据为地下结构与岩土介质在地震作用下的位移波形相似，从而研究得出。在做横断面设计时，该方法将土和地下结构作为一个整体而建立模型，首先对自由场地在地震作用下进行分析，然后将自由场地的剪切变形乘以相互作用系数得到结构剪切变形，从而计算结构的内力等。

反应位移法于上世纪70年代提出，该方法首先应用于纵断面抗震计算方法中，随后才逐渐应用于横截面法中。该方法考虑到下结构响应的特点，将地层在地震作用下产生的相对位移通过地基以静荷载的形式施加在地下结构上，从而计算求解结构的内力等。这种方法用静力的方法求解动力问题，简便有效容易计算，而且如果各项地震参数考虑周可以得出较好的结果。但反应位移法也有一定缺陷，首先其土体弹簧刚度值难确定，不论根据实验结果还是地震观测均难以准确推定，而不同弹簧刚度相对于结构的计算结果相差很大；其次该方法难以体现土体在地震时的相互作用，故不能真实反映地震时土体对结构的动力作用。

地下结构静力弹塑性分析根据地上结构的 PUSHOVER分析方法而研究得出。该方法中需重点考虑水平荷载的分布形式，即对各土层和结构按照所处位置施加相应的水平加速度，考虑其水平惯性力，从而分析计算地下结构的地震响应。

3 结语

综上，我们知道世界各国都已开始关注地下结构的抗震问题，并且提出了一些分析地下结构抗震的方法。目前，我国开始在一、二线城市大力修建地铁，而且许多地铁工程处于高烈度区，故更需要开展更加深入的理论分析和实验研究，完善现有地下结构抗震分析方法，提出优良的地下结构抗震体系。这对我国城市建设有着重要的工程价值。

参考文献：

[1]钱七虎，陈志龙，王玉北.地下空间科学开发与利用[M].南京：江苏科学技术出版社，2007.

[2]Hashash Y M A， Park D， Yao J I. Ovaling deformations of circular tunnels under seismicloading，an update on seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling andunderground space technology， 2005， 20（5）：435-441.

[3]Jiang L Z， Chen J， Li J. Seismic response of underground utility tunnels： shaking table testingand FEM analysis[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2010， 9（4）：555-567.

[4]于翔，赵跃堂，郭志昆.人防工程的抗地震问题[J].地下空间， 2001，21（1）：28-32.

[5]沈慧.盾构隧道地震反应分析研究[D].大连理工大学，2006.

[6]Hashash Y M A， Hook J J， Schmidt B， et al. Seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2001， 16（4）： 247-293.

[7]李彬.地铁地下结构抗震理论分析与应用研究[D].清华大学，2005.