地下隧道抗震研究概述

梁欽華

地下隧道抗震研究概述

梁欽華

（臺(tái)州學(xué)院 基建管理處 浙江臺(tái)州 317000）

地下隧道抗震分析采用的各種研究方法的介紹，并分析其的優(yōu)點(diǎn)與不足。

隧道；抗震

當(dāng)今，地下隧道抗震研究有現(xiàn)場觀測、模型試驗(yàn)研究以及理論分析三個(gè)方面[1]，下面對(duì)這三方面的研究現(xiàn)狀作一總結(jié)。

一、現(xiàn)場觀測

現(xiàn)場觀測是研究隧道地震響應(yīng)最直接的方法，得到的結(jié)果也是最有價(jià)值的。但該法最大的難處是要進(jìn)行長期的觀測，且實(shí)地觀測主要局限于地表面，對(duì)地下深部所取得的資料十分有限，這是其薄弱環(huán)節(jié)。

二、模型試驗(yàn)研究

模型試驗(yàn)研究有以下三種方法：普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及人工震源試驗(yàn) [2]。人工震源法比較困難顯示結(jié)構(gòu)的非線性特性，所以較少采用。

三、理論分析

由于現(xiàn)場觀測和模型試驗(yàn)研究的耗費(fèi)很大，所以目前大部分研究都集中在隧道抗震性的理論分析上。地下隧道抗震分析的理論方法雖然看起來名目繁多，實(shí)際上主要是三種方法：靜力法、擬靜力法和動(dòng)力分析法。這三種方法又可以再細(xì)分為若干方法，下面對(duì)各種理論方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

1.靜力法

靜力法主要是指以日本學(xué)者大森房吉提出的靜力理論為基礎(chǔ)的各種計(jì)算方法。靜力法計(jì)算方便，工作量小。但是它的缺點(diǎn)同樣很突出，其計(jì)算結(jié)果的可靠性較低；另外，該法不能考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用。

2.擬靜力法

擬靜力法是目前使用最廣泛的方法，根據(jù)林皋[3]的研究，擬靜力法還可細(xì)分為以下兩類：一種是波動(dòng)法，另外一種是相互作用法。

2.1波動(dòng)法

基于不同的假設(shè)，波動(dòng)法又可以細(xì)分為如下幾種：

(1)ST. John法[4]

John C. M. S.，Zahrah T. F.[5]認(rèn)為地震波導(dǎo)致的地下隧道變形有3種，相應(yīng)地，隧道承受的地震荷載有彎曲荷載、橫向荷載和軸向荷載3種。

(2)自由場變形法[6]

自由場變形法假定地震時(shí)隧道與地基的變形一致，因此兩者之間不存在相互作用。而自由場變形可以通過數(shù)值方法或者基于彈性波理論的彈性封閉解獲得。該方法并不復(fù)雜，已在美國舊金山海灣地區(qū)的快速地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)(BART)和Los Ageles[7, 8]地鐵工程等地下結(jié)構(gòu)工程中得以應(yīng)用。

2.2相互作用法[3]

根據(jù)不同的假設(shè)，有以下幾種方法。

(1)Shukla法[4]

美國學(xué)者Shukla D. K.，Rizzo P. C.，Stephenson D. E.[9]等確定了模型。

(2)反應(yīng)位移法[10, 11]

反應(yīng)位移法，又稱為反應(yīng)變位法、位移響應(yīng)法或質(zhì)量-彈簧模型法。

(3)圍巖應(yīng)變傳遞法[12]

圍巖應(yīng)變傳遞法的假定同樣是基于地震觀測而來。

(4)地基抗力系數(shù)法[12]

地基抗力系數(shù)法是用相互作用計(jì)算模型，計(jì)算隧道橫斷面地震反應(yīng)。

3.動(dòng)力分析法

動(dòng)力分析法就是為了計(jì)算結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用而提出的，雖然求解方法并不指定，但動(dòng)力分析法一般是指動(dòng)力有限元。進(jìn)行動(dòng)力有限元分析時(shí)，主要解決三個(gè)核心問題，即人工邊界、土非線性動(dòng)力本構(gòu)及地震波輸入方式。

將上述各主要理論方法匯總，進(jìn)行分析，如下表1所示

表1 各種理論方法匯總對(duì)比

結(jié)論

本文對(duì)目前地下隧道抗震分析采用的各種研究方法作了較為詳細(xì)的介紹，并分析其的優(yōu)點(diǎn)與不足，得到以下一些結(jié)論：

(1)現(xiàn)場觀測得到的結(jié)果也是最有價(jià)值的，在條件允許時(shí)應(yīng)盡量采用。

(2)目前，試驗(yàn)的發(fā)展趨勢應(yīng)以離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為主，普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為輔。

(3)動(dòng)力分析法能全面考慮復(fù)雜邊界、場地土成層性、土體動(dòng)力非線性以及結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用，其解更加接近實(shí)際情況，因此應(yīng)作為隧道抗震分析領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的分析方法。但這種方法還存在兩個(gè)待解決的問題，一是發(fā)展較為理想的土體動(dòng)力本構(gòu)模型及其相應(yīng)的參數(shù)決定方法；二是考慮采用非一致地震波輸入，這是該方法應(yīng)重點(diǎn)改進(jìn)的兩方面。

[1]何海健, 劉維寧, 王霆. 地下鐵道抗震研究的現(xiàn)狀與探討. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2005.

[2]劉晶波, 劉祥慶, and 杜修力, 地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與試驗(yàn)研究的發(fā)展展望, 地震工程與工程振動(dòng), 2007.

[3]林皋, 地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述(上), 世界地震工程, 1990.

[4]于翔, 陳啟亮, 趙躍堂, 王明洋, and 國勝兵, 地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法及其現(xiàn)狀, 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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. .地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究. [博士學(xué)位論文]. 北京: 清華大學(xué), 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, 地鐵抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 世界隧道, vol. 2, pp. 36-45, 1995.

[11]川島一彥, 地下構(gòu)筑物の耐震設(shè)計(jì). 日本: 鹿島出版社, 1994.

[12]林皋, 地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述(下), 世界地震工程, 1990.

TU91

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1007-6344（2017）03-0029-01