權(quán)登州王毅紅井彥林周沈華張又超

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黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究綜述1

權(quán)登州1）王毅紅1）井彥林1）周沈華2）張又超1）

1）長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061?2）西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710018

介紹了地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀及黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)研究，總結(jié)歸納出地震作用下地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震破壞形式與地震反應(yīng)特征；對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)的不同抗震研究方法進(jìn)行對(duì)比研究，指出各種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況。針對(duì)我國(guó)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析理論研究不足，基礎(chǔ)資料積累欠缺，抗震設(shè)計(jì)尚無(wú)可靠依據(jù)的實(shí)際情況，探討了黃土動(dòng)力本構(gòu)模型、黃土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究及抗震分析方法等因素對(duì)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究可靠性的影響，提出黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)分析、地震破壞機(jī)理分析、抗震性能分析及抗震設(shè)計(jì)中需要深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

黃土地區(qū) 地鐵地下結(jié)構(gòu) 抗震問(wèn)題 研究方法 抗震設(shè)計(jì)

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，認(rèn)為地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)各方向約束較多，剛度較大，高度較小，具有較好的抗震性能，且過(guò)去地鐵地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模相對(duì)較少，其地震破壞的相關(guān)資料也較少，因此地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震研究及抗震設(shè)計(jì)長(zhǎng)期未得到足夠的重視（曹炳政等，2002）。

1923年日本關(guān)東大地震（8.2），使震區(qū)內(nèi)82座隧道受到破壞；1952年美國(guó)加州克恩郡地震（7.6），造成南太平洋鐵路的四座隧道損壞嚴(yán)重；1978年日本伊豆尾島地震（7.0）中出現(xiàn)了橫貫隧道的斷裂，隧道襯砌出現(xiàn)了一系列的破壞；特別是1995年日本阪神大地震（7.2），使神戶(hù)市部分地鐵地下車(chē)站和區(qū)間隧道受到嚴(yán)重破壞，其中大開(kāi)站一半以上中柱完全倒塌，導(dǎo)致頂板坍塌和上覆土層大量沉降。地鐵地下結(jié)構(gòu)的大規(guī)模地震破壞，逐漸引起了人們對(duì)其抗震安全性的重視。

近年，隨著我國(guó)西部地區(qū)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的加快發(fā)展，黃土地區(qū)地鐵工程日益增多。如西安地鐵已建成通車(chē)50.3km，遠(yuǎn)景規(guī)劃總里程達(dá)660km，蘭州地鐵一號(hào)線(xiàn)已開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃2016年建成通車(chē)，其遠(yuǎn)景規(guī)劃里程約130km。地鐵地下結(jié)構(gòu)通常為服務(wù)型公共場(chǎng)所，人口密度大，服務(wù)設(shè)施多，人員緊急疏散耗時(shí)長(zhǎng)，若在地震作用下結(jié)構(gòu)破壞，造成的損失將非常慘重，同時(shí)震后修復(fù)和加固困難，費(fèi)用十分昂貴（權(quán)登州等，2015）。因此，黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能及安全性評(píng)價(jià)日益受到密切關(guān)注，對(duì)其進(jìn)行深入研究迫在眉睫。

本文簡(jiǎn)述了地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展歷史，重點(diǎn)闡述了地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀及其在黃土地區(qū)的相關(guān)研究；總結(jié)歸納了地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震破壞形式、地震反應(yīng)特征及抗震研究方法，并詳細(xì)分析了各研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況。同時(shí)，針對(duì)我國(guó)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析理論研究不足，抗震設(shè)計(jì)尚無(wú)可靠依據(jù)的實(shí)際情況，探討了黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理分析、抗震性能分析及抗震設(shè)計(jì)中需要深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究歷史和現(xiàn)狀

1.1 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究歷史

地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震分析是基于地面建筑結(jié)構(gòu)抗震理論發(fā)展而來(lái)的。20世紀(jì)50年代以前，基本沿用地面結(jié)構(gòu)抗震分析方法，大多以日本學(xué)者大森房吉提出的靜力理論為基礎(chǔ)計(jì)算地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震作用力。60年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃將彈性理論用于地下結(jié)構(gòu)抗震分析，求解均勻介質(zhì)中單連通和多連通域中的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，得出了地下結(jié)構(gòu)地震作用的精確解和近似解，即福季耶娃法（孫鈞等，1987）。60年代末，美國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，提出了地下結(jié)構(gòu)并不抵御慣性力，具有吸收變形的延性，且不散失其承受靜荷載能力的新設(shè)計(jì)思想，并提出相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。70年代，日本學(xué)者基于地震觀測(cè)資料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、模型試驗(yàn)等手段，建立了數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合波的多重反射理論，提出了反應(yīng)位移法、應(yīng)變傳遞法、地基抗力法等實(shí)用計(jì)算方法，使地下軟基隧道和成層地基的抗震研究獲得了重大進(jìn)展。80年代美國(guó)在洛杉磯地鐵設(shè)計(jì)中也對(duì)地震荷載作了充分的考慮。90年代以后，又出現(xiàn)了一系列實(shí)用的抗震分析方法，如J.P. Wolf和C.M. Song提出的遞推衍射法、有限元反應(yīng)應(yīng)力法等（鄔玉斌，2007）。

近年來(lái)，隨著地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論與實(shí)踐的不斷進(jìn)步及計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真分析可以更全面，更真實(shí)地再現(xiàn)地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)態(tài)特性，因此被國(guó)內(nèi)外科研工作者普遍采用。目前，該方法在計(jì)算模型、參數(shù)確定、地震波及其輸入方式確定等方面還有待進(jìn)一步的完善。

1.2 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀

阪神地震中大開(kāi)地鐵車(chē)站倒塌的事實(shí)表明，發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，地鐵地下結(jié)構(gòu)仍可能遭受?chē)?yán)重破壞，這引起了國(guó)內(nèi)外抗震研究者的重視。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Senzai等（1997）用有限元法對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：中柱的剪切破壞要先于頂板和側(cè)墻的彎曲破壞；與豎向地震動(dòng)相比水平地震動(dòng)對(duì)中柱的破壞作用更大；同時(shí)還指出土層厚度越厚對(duì)地下結(jié)構(gòu)破壞越大。Xuehui An等（1997）利用二維動(dòng)力有限元軟件對(duì)大開(kāi)地鐵車(chē)站的地震反應(yīng)進(jìn)行了模擬，指出中柱較差的抗剪能力和延性是導(dǎo)致其破壞的主要原因。Koji Uenishi等（2000）通過(guò)模型分析提出：承擔(dān)上部土層重量的中柱遇到特別頻率的彈性地震波時(shí)可能發(fā)生共振，而柱子承擔(dān)的負(fù)重同樣影響柱子的固有頻率，依此解釋了不同斷面出現(xiàn)中柱破壞程度不同的原因。Adalier等（2003）和Sasaki等（1999）通過(guò)離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了隧道等地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并提出了相關(guān)抗震對(duì)策。Hongbin Huo等（2003）利用ABAQUS軟件對(duì)大開(kāi)地鐵車(chē)站三種不同截面進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果同實(shí)際震害類(lèi)似，在模擬計(jì)算中充分考慮了土體動(dòng)力非線(xiàn)性和接觸面之間脫開(kāi)滑移的影響，并進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)步伐的加快，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震的研究不斷深入。車(chē)愛(ài)蘭等（2006）以大開(kāi)地鐵車(chē)站為對(duì)象，進(jìn)行了一系列模型振動(dòng)試驗(yàn)和有限元?jiǎng)恿Ψ治?。?duì)作用于地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)土壓發(fā)生原理、地震波輸入方向、結(jié)構(gòu)埋設(shè)深度、地基與結(jié)構(gòu)剛性比對(duì)地震動(dòng)土壓的影響及考慮土—結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性響應(yīng)時(shí)地震動(dòng)土壓進(jìn)行了研究，得出了有益的結(jié)論。宮必寧等（2002）和周林聰?shù)龋?005）通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析得出了豎向地震力的參與使地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯增大。楊林德等（2003）基于軟土地區(qū)地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬，分析了地下車(chē)站及其接頭結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，同時(shí)研究了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方法與抗震計(jì)算方法。Chen Guoxing等（2004）和莊海洋等（2006）在軟弱場(chǎng)地、可液化土層等不同地質(zhì)條件下進(jìn)行了土—地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，同時(shí)還研究了考慮近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。陶連金等（2006）針對(duì)北京地質(zhì)條件進(jìn)行了典型地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，得到了各地震波不同荷載級(jí)別作用下的中柱、側(cè)壁及頂板處鋼筋和混凝土的應(yīng)變反應(yīng)、車(chē)站結(jié)構(gòu)及模型土的加速度反應(yīng)、土與結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力反應(yīng)等，結(jié)果表明在強(qiáng)烈地震情況下，地鐵地下結(jié)構(gòu)會(huì)受到損害。景立平等（2007）進(jìn)行了飽和粉土液化特性的大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。曹炳政等（2002）從地震本身特性考慮，認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)先在豎向地震動(dòng)高頻分量作用下進(jìn)入塑性，周期變長(zhǎng)，而后又受到水平地震動(dòng)低頻分量的作用，在兩者連續(xù)作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。楊小禮等（2006）用ANSYS對(duì)淺埋大跨連拱隧道進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，指出連拱隧道的洞項(xiàng)及隔墻上部是抗震的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)計(jì)算對(duì)比得出連拱隧道比單拱隧道具有更差的抗震性能。孫海濤（2000）應(yīng)用有限元?jiǎng)恿Ψǚ治隽硕磸?、埋深及襯砌彈模等洞體參數(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)的影響。劉如山（2004）和劉如山等（2007）對(duì)地下結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w在地震作用下的脫開(kāi)、滑移問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出土—結(jié)構(gòu)之間的脫開(kāi)、滑移作用對(duì)結(jié)構(gòu)變形和斷面力計(jì)算值影響很大。

劉妮娜等（2009）通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)黃土自由場(chǎng)地及地裂縫場(chǎng)地中地鐵隧道的地震反應(yīng)進(jìn)行了研究。秦立科等（2010）通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)非飽和黃土的動(dòng)力本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。趙占廠等（2004）基于淺埋黃土公路隧道襯砌受力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)黃土隧道受力性能進(jìn)行了研究。張柯等（2011）對(duì)地鐵行車(chē)荷載作用下黃土地層震動(dòng)響應(yīng)和減震進(jìn)行了研究，并對(duì)城市軌道交通隔振減震機(jī)理和措施進(jìn)行了研究。劉建軍等（2011）對(duì)西安地區(qū)長(zhǎng)周期地脈動(dòng)進(jìn)行了觀測(cè)，分析了西安地區(qū)地下構(gòu)造固有頻率特性，推斷了觀測(cè)區(qū)地下軟土層分布。除此之外，其他一些學(xué)者也對(duì)地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)方面進(jìn)行了大量有益的探索（袁俊，2010；Renjitha，2014；Su Chen，2014）。

2 地鐵地下結(jié)構(gòu)震害形式和地震反應(yīng)特點(diǎn)

2.1 地震破壞形式

鄭永來(lái)等（2005）以日本阪神地震中地鐵地下結(jié)構(gòu)的破壞為主要對(duì)象，結(jié)合其它地下結(jié)構(gòu)的地震破壞，總結(jié)歸納了以下地鐵地下車(chē)站、地下隧道等地下結(jié)構(gòu)的主要震害形式。

地鐵破壞包括地鐵車(chē)站、區(qū)間隧道和兩者之間連接部分的破壞，其中地鐵地下車(chē)站的破壞最為嚴(yán)重，如圖1所示。地鐵地下車(chē)站的震害形式主要有：中柱開(kāi)裂、坍塌，甚至喪失承載力，造成地面不同程度塌陷；頂板開(kāi)裂、坍塌，側(cè)墻開(kāi)裂等。

地下隧道震害形式主要有：隧道內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，混凝土剝落；隧道環(huán)向施工縫處產(chǎn)生剝落，底板產(chǎn)生隆起或傾斜。

2.2 地震反應(yīng)特點(diǎn)

地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和地面結(jié)構(gòu)有明顯差別。地面結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)的濾波系統(tǒng)，與結(jié)構(gòu)自振頻率相近頻段的入射地震波由于共振效應(yīng)將被顯著放大，因而隨著結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的變化，結(jié)構(gòu)輸出的動(dòng)力反應(yīng)頻率成分和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都將發(fā)生很大變化。而地鐵地下結(jié)構(gòu)受到周?chē)鷰r土介質(zhì)強(qiáng)約束作用，與入射地震波相比其地震反應(yīng)波形基本不發(fā)生變化，且只要地鐵地下結(jié)構(gòu)尺寸與地震波長(zhǎng)相比較小，則地震波場(chǎng)不會(huì)因地下結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生較大變化。對(duì)比分析地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震觀測(cè)資料，有如下規(guī)律（高渠清，1996；林皋等，1996）：

（1）地鐵地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)受周?chē)鷰r土介質(zhì)的變形約束作用影響顯著，結(jié)構(gòu)的自振頻率特征在動(dòng)力反應(yīng)過(guò)程中表現(xiàn)不明顯；而地面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)則明顯表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的自振頻率特征。

（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于地震波長(zhǎng)較小時(shí)，地鐵地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)周?chē)鼗卣鸩▓?chǎng)影響很?。欢孛娼Y(jié)構(gòu)的存在對(duì)該處自由場(chǎng)地地震波場(chǎng)將產(chǎn)生較大擾動(dòng)。

（3）地鐵地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)對(duì)地震波入射方向較敏感，地震波入射方向發(fā)生較小變化，其各點(diǎn)應(yīng)變和應(yīng)力將發(fā)生較大變化；而地震波入射方向?qū)Φ孛娼Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)影響較小。

（4）由于地鐵地下結(jié)構(gòu)縱向尺寸較長(zhǎng)，在振動(dòng)中沿縱向各點(diǎn)相位差別十分明顯；而相同尺寸的地面結(jié)構(gòu)則不會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象，在振動(dòng)中各點(diǎn)相位差別很小。

（5）地鐵地下結(jié)構(gòu)應(yīng)變與地震所產(chǎn)生位移場(chǎng)的大小有密切關(guān)系，而與地震加速度大小的關(guān)系不明顯；而對(duì)地面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，地震加速度則是影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)大小的主要因素。

（6）地基土與結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用，對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生重要影響，但影響方式和程度不同。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)主要受其形狀、尺寸、質(zhì)量、剛度及地基物理力學(xué)性質(zhì)影響。

（7）地鐵地下結(jié)構(gòu)埋深較淺時(shí)，埋深對(duì)其動(dòng)力反應(yīng)影響較大。但超過(guò)一定深度后，埋深對(duì)其地震動(dòng)力反應(yīng)影響將不明顯。

3 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法

3.1 原型觀測(cè)

原型觀測(cè)是通過(guò)地鐵地下結(jié)構(gòu)震后變形破壞特征和實(shí)測(cè)動(dòng)力特性了解其地震響應(yīng)特點(diǎn)。主要包括震害調(diào)查和地震量測(cè)。震害調(diào)查是在地震結(jié)束后開(kāi)始，體現(xiàn)最真實(shí)的“原型試驗(yàn)”結(jié)果，一直受到人們的重視，關(guān)于這方面資料也在不斷增加。但由于受到觀測(cè)時(shí)間、手段和條件的限制，很難對(duì)地震過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行量測(cè)。而地震量測(cè)可得到震害調(diào)查所無(wú)法獲知的地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程。日本學(xué)者在該方面做了大量工作，得到了一些初步認(rèn)識(shí)（Kamoto，1984；Hamada等，1985）。

3.2 理論分析

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的理論方法可歸為波動(dòng)分析法和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法。波動(dòng)法是以求解波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，把地鐵地下結(jié)構(gòu)視為無(wú)限彈性或彈塑性介質(zhì)中孔洞的加固區(qū)，將整個(gè)系統(tǒng)作為對(duì)象求解其波動(dòng)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。在實(shí)際運(yùn)用中，因地層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，近地表面時(shí)的地震波構(gòu)成亦十分復(fù)雜，為了克服計(jì)算上的困難，很多學(xué)者對(duì)該理論進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。如假定介質(zhì)均勻、波型單一且入射波為平面波、忽略波的散射及三維傳播效應(yīng)等。波動(dòng)法中，邊界的處理是一個(gè)主要難點(diǎn)。目前，許多學(xué)者正在研究一種適用于各種波型，不受幾何條件和物質(zhì)特性的限制，在局部空間和時(shí)域內(nèi)具有很高精度的透射邊界。另外，波動(dòng)解法主要應(yīng)用于平面問(wèn)題分析，當(dāng)波動(dòng)的頻率較高及地震波的傳播受到較多干擾的情況下，如洞室群、臨近自由面、多層巖體等情況，其應(yīng)用受到一定的限制（李育樞，2006；高廣運(yùn)等，2007）。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法是一種較強(qiáng)的分析方法。該法假定巖土介質(zhì)中波動(dòng)場(chǎng)不因結(jié)構(gòu)的存在而受影響，以地鐵地下結(jié)構(gòu)為主體求解其地震運(yùn)動(dòng)，將周?chē)鷰r土介質(zhì)的作用等效為彈簧和阻尼罐，通過(guò)相互作用力施加于結(jié)構(gòu)上。該方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何考慮介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相互作用力。為此，Chopra等（1976）、Bettess等（1977）、趙崇斌（1986）、Dasgupta（1982）、Song等（1994）、Wolf等（1994）提出了許多解決的辦法，如阻尼影響抽取法、標(biāo)度邊界有限元法等，為地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中地基動(dòng)力阻抗矩陣的計(jì)算提供了一些途徑。同時(shí)，梁建文等（2004）和劉晶波等（2008）在借鑒地上結(jié)構(gòu)分析思想的基礎(chǔ)上，提出了適用于地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的Pushover分析方法，該法具有良好的模擬精度與可靠性，可以用于地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計(jì)。

3.3 數(shù)值模擬

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且地形、地質(zhì)條件特殊的地鐵地下結(jié)構(gòu)很難采用理論方法進(jìn)行地震響應(yīng)分析。因此，可采用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行研究。目前，常用的數(shù)值模擬方法包括有限元法、拉格朗日元法、離散單元法、邊界元法、非連續(xù)變形分析法、數(shù)值流形和無(wú)限單元法等，這些方法用于分析地鐵地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，也都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)（谷拴成等，2007；郭青春，2009；陳慶等，2011）。

有限元法采用單元離散化來(lái)求解連續(xù)體場(chǎng)函數(shù)的離散解，是地鐵地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中常用的數(shù)值分析方法。目前常用的程序有：ADINA、ANSYS、ABAQUS等。其缺點(diǎn)是將地下洞室圍巖作為連續(xù)體，不考慮斷層、節(jié)理和宏觀裂縫等地質(zhì)軟弱結(jié)構(gòu)的影響。另外，有限元法是基于小變形假設(shè)，其應(yīng)用范圍也受到了限制。拉格朗日元法是在連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)基礎(chǔ)上，利用差分格式，按時(shí)步積分求解，允許介質(zhì)有大的變形，且求解速度較快，比較符合巖土變形特點(diǎn)。目前，采用拉格朗日元法的FLAC程序在地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析中應(yīng)用較多。然而，其在處理地質(zhì)軟弱面，入射波輸入等方面存在局限。離散單元法將軟弱面所切割的巖體視為復(fù)雜的塊體組合，允許塊體平移、轉(zhuǎn)動(dòng)甚至分離，以此來(lái)模擬節(jié)理巖體的非線(xiàn)性大變形特征。對(duì)于軟弱面較為發(fā)育的巖體工程模擬效果較好，當(dāng)模擬整體性較好巖體時(shí)存在一定局限，實(shí)際分析中，一般將離散單元法與其他計(jì)算方法進(jìn)行耦合分析。

3.4 試驗(yàn)研究

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的試驗(yàn)方法主要包括人工震源試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。人工震源試驗(yàn)是在人工激振作用下研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。Philips等曾在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場(chǎng)附近的一座隧道中進(jìn)行了地下核爆炸震動(dòng)反應(yīng)試驗(yàn)。核爆產(chǎn)生了相當(dāng)于里氏=5.0級(jí)地震，該隧道距離核爆中心0.5km，試驗(yàn)中采用加速度計(jì)量測(cè)加速度，采用水準(zhǔn)儀、收斂?jī)x等量測(cè)收斂和永久變形。由于該法較難反映結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性影響，且代價(jià)昂貴，故不多采用（孫超等，2009）。

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)茌^方便直觀模擬地下結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)特性，因此得以廣泛應(yīng)用。近年來(lái)地鐵地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究取得了豐碩的成果。楊林德等（2003；2007）對(duì)典型地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)、地鐵車(chē)站接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型土采用黃色粉質(zhì)粘土，車(chē)站結(jié)構(gòu)采用微粒混凝土制作，并采用鍍鋅鋼絲模擬混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋。分別選取El Centro波、上海人工波和正弦波作為振動(dòng)臺(tái)的輸入波。通過(guò)試驗(yàn)獲得了模型加速度時(shí)程、應(yīng)變和結(jié)構(gòu)表面動(dòng)土壓力等數(shù)據(jù)，為優(yōu)化計(jì)算模型及制定軟土地鐵抗震設(shè)計(jì)指南等提供了依據(jù)。陳國(guó)興等（2007）在6m×6m的大型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了1:25的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，在振動(dòng)方向兩端箱壁粘貼聚氯苯稀泡沫板，用以減小地震動(dòng)模型箱壁的反射效應(yīng)。通過(guò)試驗(yàn)獲得了地鐵車(chē)站、區(qū)間隧道模型的應(yīng)力反應(yīng)時(shí)程、地基加速度反應(yīng)時(shí)程及結(jié)構(gòu)表面土壓力時(shí)程等重要數(shù)據(jù)；研究了可液化地基地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的基本規(guī)律及特征。

離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在日本、歐美等國(guó)家應(yīng)用較為廣泛。該試驗(yàn)可增加模型場(chǎng)的加速度，模擬與原型相等或相近的真實(shí)應(yīng)力水平，重現(xiàn)原型的物理特性，再現(xiàn)地鐵地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，與普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于受到設(shè)備條件的限制，地鐵地下結(jié)構(gòu)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)開(kāi)展較少。劉晶波等（2010）采用清華大學(xué)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。結(jié)果表明：地下結(jié)構(gòu)最大附加彎曲應(yīng)變發(fā)生在中柱上，柱受到的附加彎曲應(yīng)變峰值上端大于下端，軸力卻相差不大；地震作用下總土壓力有所增加，而且在地震作用結(jié)束后土壓力仍維持在較高值，最大土壓力增量與最大總土壓力都發(fā)生在底板角點(diǎn)位置。

4 黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題

近年來(lái)，針對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震開(kāi)展的理論與試驗(yàn)研究已經(jīng)取得了多項(xiàng)成果，認(rèn)為土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)地震反應(yīng)有顯著的影響已形成共識(shí)。我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究相當(dāng)滯后，《人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50225—2005）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2005）和《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50038—2005）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2005）中沒(méi)有考慮地震作用對(duì)地鐵地下車(chē)站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的影響；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2010）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2010）和《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50157—2013）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2013）中，也沒(méi)有具體規(guī)定地鐵地下結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50909—2014）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2014）對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行了較具體的規(guī)定，但其中的抗震計(jì)算方法和參數(shù)選擇沒(méi)有考慮各地區(qū)特殊地質(zhì)條件的影響，可操作性不強(qiáng)。目前，能夠體現(xiàn)黃土地質(zhì)條件，指導(dǎo)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法還處于空白，造成這一現(xiàn)狀的原因主要是研究工作開(kāi)展不夠，基礎(chǔ)資料積累不足，對(duì)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)和抗震設(shè)計(jì)方法缺乏系統(tǒng)研究。因此，在黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理分析與抗震研究中仍存在諸多問(wèn)題，需要深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面（孫超等，2009；劉晶波等，2006；2007）。

（1）黃土動(dòng)力本構(gòu)模型是黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的關(guān)鍵。地震作用下周?chē)馏w地震反應(yīng)對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有重要影響，建立可靠的土體動(dòng)力本構(gòu)模型，準(zhǔn)確把握土體地震反應(yīng)特征和機(jī)理是地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的基礎(chǔ)。目前已有的土體動(dòng)力本構(gòu)模型多數(shù)是針對(duì)某類(lèi)特有土樣研究得出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)方法，還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。因此，在深入細(xì)致的力學(xué)特性試驗(yàn)和觀測(cè)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)黃土的細(xì)觀組構(gòu)、物理機(jī)制及特有規(guī)律性研究，揭示黃土細(xì)觀組構(gòu)變化與其宏觀力學(xué)反應(yīng)之間的定量關(guān)系，發(fā)展物理概念正確、數(shù)學(xué)表述簡(jiǎn)便、參數(shù)易于測(cè)定的黃土動(dòng)力本構(gòu)模型，是黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的新課題。

（2）周?chē)馏w與地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)其地震反應(yīng)有顯著影響。深入研究黃土與地下結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理，優(yōu)化相互作用數(shù)學(xué)模型，尋找能夠可靠高效模擬兩者界面作用機(jī)理的數(shù)值模擬和試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究具有重要意義。

（3）振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的重要途徑。由于普通的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)所處的加速度場(chǎng)固定，而且影響試驗(yàn)結(jié)果的因素較多，要實(shí)現(xiàn)模型對(duì)原型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確模擬通常較困難，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與原型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平常常存在差異，直接影響了模擬效果。離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)軌蛴行M不同的加速度場(chǎng)，使模型與原型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形相似，破壞機(jī)理相同，在研究地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用廣泛，但由于我國(guó)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)數(shù)量很少，限制了其發(fā)展。因此，引進(jìn)一定規(guī)模的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)并開(kāi)展相關(guān)研究，必將對(duì)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用。

（4）目前，我國(guó)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與方法研究相對(duì)滯后，在黃土地區(qū)地鐵建設(shè)過(guò)程中，地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)尚缺乏可靠依據(jù)，其抗震安全性難以保證。因此，在深入研究黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)其抗震設(shè)計(jì)理論與抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，提出理論科學(xué)，技術(shù)可靠，操作簡(jiǎn)單，能夠指導(dǎo)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。

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Review of Anti-Seismic Structures of Subway in Loess Area

Quan Dengzhou1), Wang Yihong1), Jing Yanlin1), Zhou Shenhua2)and Zhang Youchao1)

1) School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China?2) Xi’an Underground Railway Co., Ltd., Xi’an 710018, China

By the analysis of seismic research history, we summarized the current status of underground subway structures and the related studies on underground subway structures in loess area, the damage forms and response characteristics of the structures in earthquake. Based on the contrastive study of seismic research methods of underground subway structures, we pointed out the advantages and disadvantages of each method. According to the facts of seismic research on underground subway structures in loess area of China including the deficiency of seismic theory study, shortage of basic data and lack of reliable basis for seismic design, we discussed the effects of dynamic constitutive model of loess, dynamic soil-structure interaction, shaking table tests on geotechnical centrifuge system and seismic design methods on the reliability. Finally we proposed the key problems which need to be studied further in analysis of seismic response, damage mechanism, seismic performance and the seismic design of underground subway structures in loess area.

Loess area; Underground subway structures; Seismic problems; Research methods; Seismic design

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41472267）；西安市地下鐵道有限責(zé)任公司科研基金資助項(xiàng)目（D4-YJ-042014048）

2015-02-09

權(quán)登州，男，生于1983年。博士生。主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail：qdz0809@163.com