黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究綜述1

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；對地鐵地下結(jié)構(gòu)的不同抗震研究方法進行對比研究，指出各種研究方法的優(yōu)缺點與適用情況。針對我國黃土地區(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)計尚無可靠依據(jù)的實際情況，探討了黃土動力本構(gòu)模型、黃土與結(jié)構(gòu)動力相互作用、離心機振動臺試驗研究及抗震分析方法等因素對黃土地區(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)地震動力反應(yīng)分析、地震破壞機理分析、抗震性能分析及抗震設(shè)計中需要深入研究的關(guān)鍵問題。

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

引言

長期以來，認為地鐵地下車站、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，且過去地鐵地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模相對較少，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)計長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），使神戶市部分地鐵地下車站和區(qū)間隧道受到嚴重破壞，其中大開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，逐漸引起了人們對其抗震安全性的重視。

近年，隨著我國西部地區(qū)城市地下空間開發(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50.3km，遠景規(guī)劃總里程達660km，蘭州地鐵一號線已開工建設(shè)，計劃2016年建成通車，其遠景規(guī)劃里程約130km。地鐵地下結(jié)構(gòu)通常為服務(wù)型公共場所，人口密度大，服務(wù)設(shè)施多，人員緊急疏散耗時長，若在地震作用下結(jié)構(gòu)破壞，造成的損失將非常慘重，同時震后修復(fù)和加固困難，費用十分昂貴（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價日益受到密切關(guān)注，對其進行深入研究迫在眉睫。

本文簡述了地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展歷史，重點闡述了地鐵地下結(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，并詳細分析了各研究方法的優(yōu)缺點與適用情況。同時，針對我國黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析理論研究不足，抗震設(shè)計尚無可靠依據(jù)的實際情況，探討了黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理分析、抗震性能分析及抗震設(shè)計中需要深入研究的關(guān)鍵問題。

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)展而來的。20世紀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，美國對地下結(jié)構(gòu)抗震問題進行了深入研究，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)計思想，并提出相應(yīng)的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。70年代，日本學(xué)者基于地震觀測資料，通過現(xiàn)場觀測、模型試驗等手段，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、地基抗力法等實用計算方法，使地下軟基隧道和成層地基的抗震研究獲得了重大進展。80年代美國在洛杉磯地鐵設(shè)計中也對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，隨著地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論與實踐的不斷進步及計算技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真分析可以更全面，更真實地再現(xiàn)地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動態(tài)特性，因此被國內(nèi)外科研工作者普遍采用。目前，該方法在計算模型、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

阪神地震中大開地鐵車站倒塌的事實表明，發(fā)生強烈地震時，地鐵地下結(jié)構(gòu)仍可能遭受嚴重破壞，這引起了國內(nèi)外抗震研究者的重視。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震問題進行了廣泛而深入的研究。Senzai等（1997）用有限元法對地下結(jié)構(gòu)進行了計算，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；與豎向地震動相比水平地震動對中柱的破壞作用更大；同時還指出土層厚度越厚對地下結(jié)構(gòu)破壞越大。Xuehui An等（1997）利用二維動力有限元軟件對大開地鐵車站的地震反應(yīng)進行了模擬，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可能發(fā)生共振，而柱子承擔(dān)的負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）通過離心振動臺試驗，研究了隧道等地下結(jié)構(gòu)的振動特性，并提出了相關(guān)抗震對策。Hongbin Huo等（2003）利用ABAQUS軟件對大開地鐵車站三種不同截面進行了數(shù)值分析，計算結(jié)果同實際震害類似，在模擬計算中充分考慮了土體動力非線性和接觸面之間脫開滑移的影響，并進行了對比計算。

隨著我國地鐵建設(shè)步伐的加快，國內(nèi)學(xué)者對地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震的研究不斷深入。車愛蘭等（2006）以大開地鐵車站為對象，進行了一系列模型振動試驗和有限元動力分析。對作用于地下結(jié)構(gòu)的地震動土壓發(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)剛性比對地震動土壓的影響及考慮土—結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)時地震動土壓進行了研究，得出了有益的結(jié)論。宮必寧等（2002）和周林聰?shù)龋?005）通過振動臺試驗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)地鐵地下車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗及三維數(shù)值模擬，分析了地下車站及其接頭結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，同時研究了振動臺模型試驗方法與抗震計算方法。Chen Guoxing等（2004）和莊海洋等（2006）在軟弱場地、可液化土層等不同地質(zhì)條件下進行了土—地鐵地下結(jié)構(gòu)動力相互作用大型振動臺試驗和數(shù)值模擬研究，同時還研究了考慮近、遠場地震動作用下地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。陶連金等（2006）針對北京地質(zhì)條件進行了典型地鐵地下車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗，得到了各地震波不同荷載級別作用下的中柱、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)果表明在強烈地震情況下，地鐵地下結(jié)構(gòu)會受到損害。景立平等（2007）進行了飽和粉土液化特性的大型振動臺模型試驗研究。曹炳政等（2002）從地震本身特性考慮，認為地下結(jié)構(gòu)先在豎向地震動高頻分量作用下進入塑性，周期變長，而后又受到水平地震動低頻分量的作用，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對淺埋大跨連拱隧道進行了地震反應(yīng)分析，指出連拱隧道的洞項及隔墻上部是抗震的薄弱環(huán)節(jié)，通過計算對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)用有限元動力法分析了洞徑、埋深及襯砌彈模等洞體參數(shù)對盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)的影響。劉如山（2004）和劉如山等（2007）對地下結(jié)構(gòu)與周圍土體在地震作用下的脫開、滑移問題進行了詳細分析，指出土—結(jié)構(gòu)之間的脫開、滑移作用對結(jié)構(gòu)變形和斷面力計算值影響很大。

劉妮娜等（2009）通過模型試驗和數(shù)值模擬，對黃土自由場地及地裂縫場地中地鐵隧道的地震反應(yīng)進行了研究。秦立科等（2010）通過三軸試驗對非飽和黃土的動力本構(gòu)模型進行了研究。趙占廠等（2004）基于淺埋黃土公路隧道襯砌受力的現(xiàn)場測試，對黃土隧道受力性能進行了研究。張柯等（2011）對地鐵行車荷載作用下黃土地層震動響應(yīng)和減震進行了研究，并對城市軌道交通隔振減震機理和措施進行了研究。劉建軍等（2011）對西安地區(qū)長周期地脈動進行了觀測，分析了西安地區(qū)地下構(gòu)造固有頻率特性，推斷了觀測區(qū)地下軟土層分布。除此之外，其他一些學(xué)者也對地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)方面進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

2.1 地震破壞形式

鄭永來等（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，其中地鐵地下車站的破壞最為嚴重，如圖1所示。地鐵地下車站的震害形式主要有：中柱開裂、坍塌，甚至喪失承載力，造成地面不同程度塌陷；頂板開裂、坍塌，側(cè)墻開裂等。

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

地鐵地下車站、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)于一個強的濾波系統(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)輸出的動力反應(yīng)頻率成分和振動持續(xù)時間都將發(fā)生很大變化。而地鐵地下結(jié)構(gòu)受到周圍巖土介質(zhì)強約束作用，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)尺寸與地震波長相比較小，則地震波場不會因地下結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生較大變化。對比分析地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的實際地震觀測資料，有如下規(guī)律（高渠清，1996；林皋等，1996）：

（1）地鐵地下結(jié)構(gòu)的振動受周圍巖土介質(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力反應(yīng)過程中表現(xiàn)不明顯；而地面結(jié)構(gòu)的動力反應(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)尺寸相對于地震波長較小時，地鐵地下結(jié)構(gòu)的存在對周圍地基地震波場影響很?。欢孛娼Y(jié)構(gòu)的存在對該處自由場地地震波場將產(chǎn)生較大擾動。

（3）地鐵地下結(jié)構(gòu)振動形態(tài)對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)振動形態(tài)影響較小。

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

（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；而對地面結(jié)構(gòu)來說，地震加速度則是影響結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)大小的主要因素。

（6）地基土與結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用，對地鐵地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)都會產(chǎn)生重要影響，但影響方式和程度不同。結(jié)構(gòu)的動力反應(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，埋深對其動力反應(yīng)影響較大。但超過一定深度后，埋深對其地震動力反應(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

原型觀測是通過地鐵地下結(jié)構(gòu)震后變形破壞特征和實測動力特性了解其地震響應(yīng)特點。主要包括震害調(diào)查和地震量測。震害調(diào)查是在地震結(jié)束后開始，體現(xiàn)最真實的“原型試驗”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。但由于受到觀測時間、手段和條件的限制，很難對地震過程中的動力響應(yīng)進行量測。而地震量測可得到震害調(diào)查所無法獲知的地下結(jié)構(gòu)在地震時的動力響應(yīng)過程。日本學(xué)者在該方面做了大量工作，得到了一些初步認識（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分析法和結(jié)構(gòu)動力學(xué)法。波動法是以求解波動方程為基礎(chǔ)，把地鐵地下結(jié)構(gòu)視為無限彈性或彈塑性介質(zhì)中孔洞的加固區(qū)，將整個系統(tǒng)作為對象求解其波動場與應(yīng)力場。在實際運用中，因地層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，近地表面時的地震波構(gòu)成亦十分復(fù)雜，為了克服計算上的困難，很多學(xué)者對該理論進行了適當(dāng)簡化。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。波動法中，邊界的處理是一個主要難點。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，在局部空間和時域內(nèi)具有很高精度的透射邊界。另外，波動解法主要應(yīng)用于平面問題分析，當(dāng)波動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；高廣運等，2007）。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)法是一種較強的分析方法。該法假定巖土介質(zhì)中波動場不因結(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動，將周圍巖土介質(zhì)的作用等效為彈簧和阻尼罐，通過相互作用力施加于結(jié)構(gòu)上。該方法的重點和難點是如何考慮介質(zhì)對結(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)動力分析中地基動力阻抗矩陣的計算提供了一些途徑。同時，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站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計。

3.3 數(shù)值模擬

對于結(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行地震響應(yīng)分析。因此，可采用數(shù)值模擬方法對其進行研究。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（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求解連續(xù)體場函數(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。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)動甚至分離，以此來模擬節(jié)理巖體的非線性大變形特征。對于軟弱面較為發(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存在一定局限，實際分析中，一般將離散單元法與其他計算方法進行耦合分析。

3.4 試驗研究

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的試驗方法主要包括人工震源試驗、振動臺試驗和離心機振動臺試驗。人工震源試驗是在人工激振作用下研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。Philips等曾在美國內(nèi)華達州核試驗場附近的一座隧道中進行了地下核爆炸震動反應(yīng)試驗。核爆產(chǎn)生了相當(dāng)于里氏=5.0級地震，該隧道距離核爆中心0.5km，試驗中采用加速度計量測加速度，采用水準(zhǔn)儀、收斂儀等量測收斂和永久變形。由于該法較難反映結(jié)構(gòu)非線性影響，且代價昂貴，故不多采用（孫超等，2009）。

振動臺試驗?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。近年來地鐵地下結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究取得了豐碩的成果。楊林德等（2003；2007）對典型地鐵車站結(jié)構(gòu)、地鐵車站接頭結(jié)構(gòu)進行了大型振動臺試驗，模型土采用黃色粉質(zhì)粘土，車站結(jié)構(gòu)采用微?；炷林谱鳎⒉捎缅冧\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臺的輸入波。通過試驗獲得了模型加速度時程、應(yīng)變和結(jié)構(gòu)表面動土壓力等數(shù)據(jù)，為優(yōu)化計算模型及制定軟土地鐵抗震設(shè)計指南等提供了依據(jù)。陳國興等（2007）在6m×6m的大型振動臺上進行了1:25的地鐵車站結(jié)構(gòu)模型試驗，在振動方向兩端箱壁粘貼聚氯苯稀泡沫板，用以減小地震動模型箱壁的反射效應(yīng)。通過試驗獲得了地鐵車站、區(qū)間隧道模型的應(yīng)力反應(yīng)時程、地基加速度反應(yīng)時程及結(jié)構(gòu)表面土壓力時程等重要數(shù)據(jù)；研究了可液化地基地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的基本規(guī)律及特征。

離心機振動臺試驗在日本、歐美等國家應(yīng)用較為廣泛。該試驗可增加模型場的加速度，模擬與原型相等或相近的真實應(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)的動力反應(yīng)，與普通振動臺試驗相比具有明顯的優(yōu)勢。由于受到設(shè)備條件的限制，地鐵地下結(jié)構(gòu)的離心機振動臺試驗在國內(nèi)開展較少。劉晶波等（2010）采用清華大學(xué)離心機振動臺進行了砂土地基—地下結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的離心機振動臺模型試驗。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)生在底板角點位置。

4 黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震問題

近年來，針對地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震開展的理論與試驗研究已經(jīng)取得了多項成果，認為土與結(jié)構(gòu)動力相互作用對地震反應(yīng)有顯著的影響已形成共識。我國在這一領(lǐng)域的研究相當(dāng)滯后，《人民防空工程設(shè)計規(guī)范（GB 50225—2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）和《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范（GB 50038—2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）中沒有考慮地震作用對地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)的影響；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50010—2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）和《地鐵設(shè)計規(guī)范（GB 50157—2013）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2013）中，也沒有具體規(guī)定地鐵地下結(jié)構(gòu)如何進行抗震設(shè)計；《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50909—2014）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2014）對地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震進行了較具體的規(guī)定，但其中的抗震計算方法和參數(shù)選擇沒有考慮各地區(qū)特殊地質(zhì)條件的影響，可操作性不強。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展不夠，基礎(chǔ)資料積累不足，對黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震動力反應(yīng)和抗震設(shè)計方法缺乏系統(tǒng)研究。因此，在黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理分析與抗震研究中仍存在諸多問題，需要深入研究的關(guān)鍵問題主要有以下幾個方面（孫超等，2009；劉晶波等，2006；2007）。

（1）黃土動力本構(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。地震作用下周圍土體地震反應(yīng)對地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有重要影響，建立可靠的土體動力本構(gòu)模型，準(zhǔn)確把握土體地震反應(yīng)特征和機理是地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的基礎(chǔ)。目前已有的土體動力本構(gòu)模型多數(shù)是針對某類特有土樣研究得出的經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法，還有許多問題值得進一步研究。因此，在深入細致的力學(xué)特性試驗和觀測基礎(chǔ)上，加強對黃土的細觀組構(gòu)、物理機制及特有規(guī)律性研究，揭示黃土細觀組構(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)表述簡便、參數(shù)易于測定的黃土動力本構(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）周圍土體與地鐵地下結(jié)構(gòu)動力相互作用對其地震反應(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理的數(shù)值模擬和試驗技術(shù)，對黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究具有重要意義。

（3）振動臺試驗已經(jīng)成為國內(nèi)研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的重要途徑。由于普通的振動臺試驗所處的加速度場固定，而且影響試驗結(jié)果的因素較多，要實現(xiàn)模型對原型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確模擬通常較困難，試驗?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。離心機振動臺試驗?zāi)軌蛴行M不同的加速度場，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。離心機振動臺試驗在日本、歐美等發(fā)達國家應(yīng)用廣泛，但由于我國離心機振動臺數(shù)量很少，限制了其發(fā)展。因此，引進一定規(guī)模的離心機振動臺試驗系統(tǒng)并開展相關(guān)研究，必將對黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動作用。

（4）目前，我國地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與方法研究相對滯后，在黃土地區(qū)地鐵建設(shè)過程中，地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計尚缺乏可靠依據(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)律和破壞機理的基礎(chǔ)上，針對其抗震設(shè)計理論與抗震設(shè)計方法進行專項研究，提出理論科學(xué)，技術(shù)可靠，操作簡單，能夠指導(dǎo)黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方法是一項非常緊迫的任務(wù)。

曹炳政，羅奇峰，劉晶波等，2002．神戶大開地鐵車站的地震反應(yīng)分析. 地震工程與工程抗震，22（4）：102—107.

車愛蘭，巖檐敝廣，葛修潤，2006．關(guān)于地鐵地震響應(yīng)的模型振動試驗及數(shù)值分析．巖土力學(xué)，27（8）：1293—1298.

陳國興，莊海洋，杜修力等，2007．液化場地土—地鐵車站結(jié)構(gòu)大型振動臺模型試驗研究．地震工程與工程振動，27（3）：163—170.

陳慶，項宗方，2011．地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀綜述. 四川建筑科學(xué)研究，37（6）：130—134．

高廣運，李育樞，李天斌，2007. P波作用下淺埋圓形襯砌隧道動力反應(yīng)分析．中南公路工程，32（2）：56—61.

高渠清，1996．高渠清隧道及地下工程論文集．北京：中國鐵道出版社．

宮必寧，趙大鵬，2002. 地下結(jié)構(gòu)與土動力相互作用實驗研究．地下空間，22（4）：320—324.

谷拴成，朱彬，楊榮尚，2007．地下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析中人工邊界的影響．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，26（3）：375—378.

郭青春，2009. 水工地下廠房巖體隧洞地震反應(yīng)的初步分析［碩士論文］．大連：大連理工大學(xué).

景立平，姚運生，鄭志華，2007．飽和粉土液化特性的大型振動臺模型試驗研究. 地震工程與工程振動，27（6）：160—165.

李育樞，2006．地下工程地震動力響應(yīng)及抗震研究［博士論文］．上海：同濟大學(xué).

梁建文，張浩，2004．地下雙洞室在SV波入射下動力響應(yīng)問題解析．振動工程學(xué)報，17（2）：132—139.

林皋，梁青槐，1996．地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計. 土木工程學(xué)報，29（1）：15—24.

劉建軍，李躍明，車愛蘭，2011．長周期地脈動觀測在西安地區(qū)地下構(gòu)造調(diào)查中的應(yīng)用．西北地震學(xué)報，33（增刊）：403—412.

劉晶波，李彬，2006．地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題．土木工程學(xué)報，39（6）：106—110.

劉晶波，劉祥慶，杜修力，2007．地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與試驗研究的發(fā)展展望．地震工程與工程振動，27（6）：38—45.

劉晶波，劉祥慶，李彬，2008．地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計的Pushover分析方法．土木工程學(xué)報，41（4）：73—80.

劉晶波，劉祥慶，王宗綱等，2010．土—結(jié)構(gòu)動力相互作用系統(tǒng)離心機振動臺模型試驗．土木工程學(xué)報，43（11）：114—121.

劉妮娜，門玉明，劉洋，2009．地震動力作用下土—地鐵隧道模型分析．地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，31（3）：295—298.

劉如山，2004．強地震動作用下地鐵結(jié)構(gòu)與士脫開滑移的研究．地震工程與工程震動，24（6）：136—141.

劉如山，胡少卿，石宏彬，2007．地下結(jié)構(gòu)抗震計算中擬靜力法的地震荷載施加方法研究．巖土工程學(xué)報，29（2）：237—242.

秦立科，王曉謀，2010．非飽和黃土動力本構(gòu)模型及其在地鐵車站地震反應(yīng)分析中的應(yīng)用［博士論文］．西安：長安大學(xué).

權(quán)登州，王毅紅，井彥林等，2015．黃土地區(qū)地鐵車站數(shù)值模型及測試位置研究．震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：108—115．

孫超，薄景山，齊文浩等，2009．地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀及展望．世界地震工程，25（2）：94—99.

孫海濤，2000．軟土地層盾構(gòu)隧道地震反應(yīng)分析．福建建筑，1（66）：53—55．

孫鈞，候?qū)W淵，1987．地下結(jié)構(gòu)．北京：科學(xué)出版社．

陶連金，王沛霖，邊金，2006．典型地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，32（9）：798—801．

鄔玉斌，2007．地鐵車站地震反應(yīng)和破壞機理分析［碩士論文］．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所．

楊林德，王國波，鄭永來等，2007．地鐵車站接頭結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗及地震響應(yīng)的三維數(shù)值模擬．巖土工程學(xué)報，29（12）：1892—1898．

楊林德，楊超，季倩倩等，2003．地鐵車站的振動臺試驗與地震響應(yīng)的計算方法．同濟大學(xué)學(xué)報，3l（10）：1135—1140．

楊小禮，張炳強，王志斌等，2006．淺埋大跨度連拱隧道地震反應(yīng)分析．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），37（5）：991—996．

袁俊，2010．城市軌道交通隔振減震機理［博士論文］．西安：西安建筑科技大學(xué)．

張柯，吳敏哲，2011．地鐵行車荷載作用下黃土地層的震動響應(yīng)和沉降［博士論文］．西安：西安建筑科技大學(xué)．

趙崇斌，張楚漢，張光斗，1986．用無窮遠模擬半無限平面彈性地基．清華大學(xué)學(xué)報，3：30—37．

趙占廠，謝永利，楊曉華等，2004．黃土公路隧道襯砌受力特性測試研究．中國公路學(xué)報．17（1）：160—165．

鄭永來，楊林德，李文藝等，2005．地下結(jié)構(gòu)抗震．上海：同濟大學(xué)出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2014．城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50909—2014）．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2013．地鐵設(shè)計規(guī)范（GB 50157—2013）．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50010—2010）．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010．建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005．人民防空地下室設(shè)計規(guī)范（GB 50038—2005）．北京：中國計劃出版社．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005．人民防空工程設(shè)計規(guī)范（GB 50225—2005）．北京：國標(biāo)圖集出版社．

周林聰，陳龍珠，宮必寧，2005．地下結(jié)構(gòu)地震模擬震動臺實驗研究．地下空間與工程學(xué)報，1（2）：182—187．

莊海洋，宰金珉，陳國興，2006．土—地下結(jié)構(gòu)的非線性動力相互作用理論及應(yīng)用．自然災(zāi)害學(xué)報，15（6）：174—181．

Adalier K., Abdoun T., Dobry R. et al., 2003. Centrifuge modeling for seismic retrofit design of an immersed tube tunnel. Journal of Physical Modelling on Geotechnics, 3 (2): 23—32.

Bettess P., Zienkiewica O.C., 1977. Diffraction and refraction of surface wave using finite and infinite elements. Int. J. for Num. Meth. In Eng., 11: 1271—1290.

Chen Guoxing, Zhuang Haiyang, Shi Guolong, 2004. Analysis on earthquake response of subway station based on the substructure subtraction method. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 24: 396—401.

Chopra A.K., Dasgupta G., 1976. Dynamic stiffness matrix for viscoelastic halfplane foundation. ASCE, 102 (EM3): 497—514.

Dasgupta G., 1982. Finite element formulation for unbounded homogeneous continua. J. of Appl. Mech. ASME, 49: 109—125.

Hamada H., Kitahara M., 1985. Earthquake observation and BIE analysis on dynamic behavior of rock cavern. See: Proceedings of the Fifth International Conference on Numerical Methods in Geomechanics. Nagoya.

Hongbin Huo, Antonio Bobet, 2003. Seismic design of cut and cover rectangular tunnels—evaluation of observed behavior of Daikai Station during KOBE Earthquake 1995. See: lst World Fomm of Chinese Scholars in Geotechnical Engineering—GEO—WCS2003, 456—466.

Kamoto Shunzo, 1984. Introduction to earthquake engineering. University of Tokyo Press.

Koji Uenishi, Shunsuke Sakurai, 2000. Characteristic of the vertical seismic waves associated with the 1995 Hyogo—ken Nanbu (Kobe), Japan earthquake estimated from the failure of the Daikai underground station. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 29 (6): 813－821.

Renjitha Mary Varghese., G. Madhavi Latha, 2014. Shaking table tests to investigate the influence of various factors on the liquefaction resistance of sands. Nat Hazards, 73: 1337—1351.

Sasaki T., Matsuo O., Kondo K., 1999. Centrifuge model tests on uplift behavior of buried structures during earthquakes. Earthquake Geotechnical Engineering, 315–320.

Senzai Samata, Hajime Ohuchi, Takashi, 1997. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin— Awaji earthquake Matsuda. Cement and Concrete Composites, 19: 223—239.

Song C.M, Wolf J.P, 1994. Dynamic stiffness of unbounded medium based on damping—solvent extraction. EESD, 23: 169—181.

Su Chen, Guoxing Chen, Chengzhi Qi et al., 2014. Experiment and analysis of the seismic characteristics of liquefiable ground under near-field and far-field ground motion. ASCE Geotechnical Special Publication, (GSP): 126—135.

Wolf J.P., Meek J.W., 1994. Rational cone models for a soil layer on flexible rock halfspace. EESD, 23: 909—925.

Xuehui An, Ashraf A., Shawky et al., 1997. The collapse mechanism of a subway station during the great hanshin earthquake. Cement and Concrete Composites, 19: 241—257.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目（41472267）；西安市地下鐵道有限責(zé)任公司科研基金資助項目（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