地下隧道抗震研究概述

梁钦华

地下隧道抗震研究概述

梁钦华

（台州学院 基建管理处 浙江台州 317000）

地下隧道抗震分析采用的各种研究方法的介绍，并分析其的优点与不足。

隧道；抗震

当今，地下隧道抗震研究有现场观测、模型试验研究以及理论分析三个方面[1]，下面对这三方面的研究现状作一总结。

一、现场观测

现场观测是研究隧道地震响应最直接的方法，得到的结果也是最有价值的。但该法最大的难处是要进行长期的观测，且实地观测主要局限于地表面，对地下深部所取得的资料十分有限，这是其薄弱环节。

二、模型试验研究

模型试验研究有以下三种方法：普通振动台试验、离心机振动台试验以及人工震源试验 [2]。人工震源法比较困难显示结构的非线性特性，所以较少采用。

三、理论分析

由于现场观测和模型试验研究的耗费很大，所以目前大部分研究都集中在隧道抗震性的理论分析上。地下隧道抗震分析的理论方法虽然看起来名目繁多，实际上主要是三种方法：静力法、拟静力法和动力分析法。这三种方法又可以再细分为若干方法，下面对各种理论方法的研究现状进行详细的叙述。

1.静力法

静力法主要是指以日本学者大森房吉提出的静力理论为基础的各种计算方法。静力法计算方便，工作量小。但是它的缺点同样很突出，其计算结果的可靠性较低；另外，该法不能考虑土与结构相互作用。

2.拟静力法

拟静力法是目前使用最广泛的方法，根据林皋[3]的研究，拟静力法还可细分为以下两类：一种是波动法，另外一种是相互作用法。

2.1波动法

基于不同的假设，波动法又可以细分为如下几种：

(1)ST. John法[4]

John C. M. S.，Zahrah T. F.[5]认为地震波导致的地下隧道变形有3种，相应地，隧道承受的地震荷载有弯曲荷载、横向荷载和轴向荷载3种。

(2)自由场变形法[6]

自由场变形法假定地震时隧道与地基的变形一致，因此两者之间不存在相互作用。而自由场变形可以通过数值方法或者基于弹性波理论的弹性封闭解获得。该方法并不复杂，已在美国旧金山海湾地区的快速地铁运输系统(BART)和Los Ageles[7, 8]地铁工程等地下结构工程中得以应用。

2.2相互作用法[3]

根据不同的假设，有以下几种方法。

(1)Shukla法[4]

美国学者Shukla D. K.，Rizzo P. C.，Stephenson D. E.[9]等确定了模型。

(2)反应位移法[10, 11]

反应位移法，又称为反应变位法、位移响应法或质量-弹簧模型法。

(3)围岩应变传递法[12]

围岩应变传递法的假定同样是基于地震观测而来。

(4)地基抗力系数法[12]

地基抗力系数法是用相互作用计算模型，计算隧道横断面地震反应。

3.动力分析法

动力分析法就是为了计算结构-地基动力相互作用而提出的，虽然求解方法并不指定，但动力分析法一般是指动力有限元。进行动力有限元分析时，主要解决三个核心问题，即人工边界、土非线性动力本构及地震波输入方式。

将上述各主要理论方法汇总，进行分析，如下表1所示

表1 各种理论方法汇总对比

结论

本文对目前地下隧道抗震分析采用的各种研究方法作了较为详细的介绍，并分析其的优点与不足，得到以下一些结论：

(1)现场观测得到的结果也是最有价值的，在条件允许时应尽量采用。

(2)目前，试验的发展趋势应以离心机振动台试验为主，普通振动台试验为辅。

(3)动力分析法能全面考虑复杂边界、场地土成层性、土体动力非线性以及结构-地基动力相互作用，其解更加接近实际情况，因此应作为隧道抗震分析领域重点发展的分析方法。但这种方法还存在两个待解决的问题，一是发展较为理想的土体动力本构模型及其相应的参数决定方法；二是考虑采用非一致地震波输入，这是该方法应重点改进的两方面。

[1]何海健, 刘维宁, 王霆. 地下铁道抗震研究的现状与探讨. 中国安全科学学报, 2005.

[2]刘晶波, 刘祥庆, and 杜修力, 地下结构抗震理论分析与试验研究的发展展望, 地震工程与工程振动, 2007.

[3]林皋, 地下结构抗震分析综述(上), 世界地震工程, 1990.

[4]于翔, 陈启亮, 赵跃堂, 王明洋, and 国胜兵, 地下结构抗震研究方法及其现状, 解放军理工大学学报(自然科学版), 2000.

[5]J. C. M. S. and Z. T. F., A seismic design of underground structures, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 21, pp. 65-197, 1987.

[6]李彬. .地铁地下结构抗震理论分析与应用研究. [博士学位论文]. 北京: 清华大学, 2005.

[7]T. R. and K. F., Earthquake design criteria for subways, Journal of the Structural Division Proceedings of the American Society of Civil Engineers, vol. 6, pp. 1213-1231, 1969.

[8]M. JE and M. JL, Seismic modeling and design of underground structures. Numerical Methods in Geomechanics. Innsbruck, 1991.

[9]S. D. K., R. P. C., and S. D. E., Earthquake load analysis of tunnels and shafts, in Proceeding of the seventh World Conference on Earthquake Enginnering vol. 8, 1980, pp. 20-28.

[10]周德培, 地铁抗震设计准则, 世界隧道, vol. 2, pp. 36-45, 1995.

[11]川岛一彦, 地下构筑物の耐震设计. 日本: 鹿岛出版社, 1994.

[12]林皋, 地下结构抗震分析综述(下), 世界地震工程, 1990.

TU91

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1007-6344（2017）03-0029-01