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隧道工程论文
西南大学
《地下结构与隧道工程》课程论文
论文题目：
城市地铁抗震分析
学院：
工程技术学院
专业：
土木工程
年级：
201级
姓名：
学号：
22
2016年6月25日
目录
【摘要】3
一、研究背景3
二、研究现状及特点4
三、基本问题及分析方法探讨5
1研究地震波场输入机制以及建立地下结构与土体系统的物理力学参数数据库5
2研究地基土以及土体一结构接触面的动本构模型及参数6
3发展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下结构之上地震土压力的方法6
四、地铁地下结构的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术7
1抗震措施认识7
2研究地下结构抗震性能的主要途径7
3实例分析8
4拟动力试验及其抗震安全性。
9
五、结束语10
主要参考文献10
城市地铁抗震分析
【摘要】
以浅埋式地铁车站为重点，简析高烈度地震环境下地铁地下结构抗震设计的五个基本研究课题及其研究现状，浅议采用现场调壹、材料和结构试验、动力离心模型试验和数值模拟等多种手段研究上述课题的思路及可行性，强调研究之目的是为了发展合理而实用的抗震设计理论与方法、发展经济而有效的抗震对策与技术、形成一套科学而系统的地铁地下结构抗震设计的规范体系与条例。
【关键词】地铁，地震，抗震设计
一、研究背景
近20年来，地下空间开发利用成为众所关心的热点，地下结构越来越被广泛地采用。
预计在21世纪，地下结构、地下空间开发将得到更大的发展。
在我国，地下空间、地下结构开发利用的潜力还很大。
据统计，到2016年止全国地铁项目将达到140个，长度为4394km，其中全国已建长期规划中的地铁项目达到110个,长度为26445km几条海底隧道和过江隧道也正在积极筹建中。
我国地处于欧亚大陆板块、太平洋板块、印度板块和菲律宾板块之间，地震活动非常频繁。
1995年阪神地震中地铁结构的严重破坏给全世界人们一个警示地下结构的抗震非常重要。
所以今年来在我国地铁抗震问题日益受到人们的关注。
随着地下空间的开发，地下结构建设规模的日益扩大，加强地下结构的抗震能力及其安全性已成为亟待解决的首要问题。
这是因为，1）长期以来，人们普遍认为地下结构的抗震性能较好，地震时偏于安全。
但是近--十年来全球范围内发生的几次强烈地震特别是神户地震，地下结构均有明显破坏，以往的“地下结构在地震时是安全的”这一传统观点受到了质疑。
2）地下工程一般采用无梁楼盖结构或框架结构，根据地下结构地震破坏的特点，这些结构抗水平地层运动的能力较弱，因此这预示着地下结构地震时存在易损性，有必要对现行的地下结构进行抗震校校。
如果在设计和施工时不充分考虑地震荷载因素，一旦有强震发生，其后果不堪设想。
3）由于地下工程担负着重要的社会功能，其投资成本比地面结构高得多，且建于地下，一旦有裂缝或其它变形，将会发生渗水、漏水等现象，严重影响它的使用。
4）下结构的震害现象不易于发现，检修不便。
除此之外，其他一些学者也对地铁地下车站、区间隧道等地下结构抗震的相关方面进行了大
量有益的探索
二、研究现状及特点
与一般的地面结构相比，地铁车站及隧洞等地下结构的使用周期更长，而且一旦发生破坏，除了破坏隐蔽和修复困难外，所带来的直接和间接损失也远大于一般的地面结构。
因此对地铁地下结构的设防水准以及抗震分析与设计方法理应有更高的要求。
但是，与地面结构丰富的震害记录相比，地下结构在历次地震中的震害记录较少、程度较轻，人们逐渐形成了这样一种观点，即地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地面结构轻，而且认为地铁地下结构的地震反应与基岩输入加速度峰值关系很小，地下结构在地震作用下破坏的可能性不大，对地下结构的设计也只是仿照地面结构的做法。
譬如，将水平地震作用模拟为按一定形式分布的惯性力荷载作用于结构之上，或者采用地基的静力刚度代替动力刚度来计算地下结构的地震反应。
又如，在确定地震土压力荷载时，常用的方法有两种⋯，一是根据地震烈度对土体的内摩擦角进行折减，二是采用物部一冈部拟静力地震土压力公式进行计算，这种设计方法具有明显的局限性。
还有些专家认为，地铁地下结构可以不考虑抗震设计问题。
实际上，地下结构一土体系统的震动灾变动力学行为是极其复杂的。
在高烈度地震环境下结构与土材料均可能呈现出明显的非线性、弹塑性或者塑性性态：
结构和土体之间的接触面处还可能出现局部脱开、滑动、错位、张闭等非连续变形现象；地下结构一土体系统的动力相互作用的过程多是强非线性的、三维的、速率效应和循环效应影响均很突出的，并伴随有结构材料、特别是土材料本身的物理力学性质的弱化；地下结构一土体系统的破坏通常是渐进性的、局部化的，相互关联的。
所以，高烈度地震条件下地下结构与土体系统的动力学行为的评价与灾变预测，需要合理地考虑材料非线性、几何非线性、弹塑性、接触面、局部不连续、渐进破坏等现象。
经过近几十年的努力，有关上述问题的理论和应用研究已经取得了非常大的进展”。
J。
但是，由于问题本身的极其复杂性，特别是强烈地震环境下地下结构一土体系统的动力学行为及其灾变过程评价的理论及方法离能够真实地模拟工程实际，还有相当一段路要走。
目前对已有的理论及方法的验证，还主要依靠灾后的现场调查、数值模拟以及十分简化的模型试验。
对复杂的土体一地铁地下结构系统的动力学行为、过程和后果的预测与评价，还远不能满足工程建设的迫切需要。
3、基本问题及分析方法探讨
为了提高我国在该领域的科技水乎，需要紧密结合我国地铁地下结构工程中出现的科学技术问题，展开从基础、应用基础到实用技术的研究工作。
具体地说，需要以我国大城市地铁工程为背景，以强震时易于受损的浅埋式大空间的地铁车站为重点，一方面对地铁
地下结构抗震设计方法及其理论基础进行深入而系统的研究，另一方面在深入认识地下结构物一土体系统震动灾变动力学规律的基础之上发展经济而有效的抗震技术与工程措施，着重研究地铁地下结构的抗震设计中迫切需要船决的五个关键性科学技术问题：
1）地震波场输入机制以及土体与地下结构系统的物理力学参数数据库；2）土与结构材料的动本构模型、土体·结构接触面的动本构模型以及模型参数；3）可考虑非线性及大变形的动力分析模型，包括远场与近场的描述、无限地基的模拟；4）求解非线性边值问题以及确定地下结构之上地震土压力的方法；
1研究地震波场输入机制以及建立地下结构与土体系统的物理力学参数数据库
地下结构一土体系统的地震反应分析，通常需要先进行静力分析，计算出地震以前整个系统的静应力场；然后再进行动力分析，计算出由于地震动引起的动应力场。
这样，地震过程中任一时刻总的应力场是由地震以前的静应力场和地震中的动应力场叠加而成的。
所以，土体的初始物理力学状态及其与结构物的接触方式对地下结构一土体系统的动力反应影响非常大。
目前已有的研究大多都集中于地下结构一土体系统的动力分析模型和求解方法以及地震波场的输入机制。
土体多被简化为弹性或者粘弹性介质。
由于地铁地下结构周围的土介质本身的物理力学性质极其复杂，具有碎散性、多相性、特别天然性（以及由此引起的结构性、非均匀性、各向异性以及时空分布变异性），土层中地下水的分布十分复杂”⋯，加之震动孔隙水压力的影响““，导致了结构物与土体所构成的系统在地震激励下的动力学行为也干差万别。
因而，合理地评价地铁沿线场地的工程地质条件、合理地确定土体与地下结构系统的原位起始物理力学状态及其参数是至关重要的。
可以通过对地铁沿线场地的典型工程地质条件深入细致的现场调查，通过对有代表性的现场土层进行试验研究，特别是通过对已有勘测试验资料的整理分析，在此基础上采用先进的工具和手段（譬如GIS信息系统平台及技术），建立服务于地铁设计的场地土层物理力学参数及地震动参数的数据库。
2研究地基土以及土体一结构接触面的动本构模型及参数
目前研究土与结构接触面动力学特性的主要途径有三种：
其一是将接触面与土体视为一体，构成所谓的阻抗函数问题（也称作地基动力刚度问题），通过理论推导或者数值计算求解地基的动力刚度或者阻抗，由此可得出接触面处的力和位移之间的关系；其二是提出了多种接触模型及分析方法。
例如Penalty方法和Hybrid方法、动接触力模型以及节理单元等；其三是在接触面力学特性试验基础上直接建立接触面动本构关系。
需要指出，地基的阻抗是频率相关的复函数，其实部为动力刚度、反映了地基士的刚度和惯性，其虚部是阻尼。
阻抗函数问题研究的历史溯源于Iamb（1904）对点荷载作用下弹性地基振动问题的分析。
此后的40多年来，对刚性基础板的各类振动问题进行了广泛的研究，但基本上都将士体视为弹性体或者粘弹性体。
通过接触面动力学特性试验来再现和研究土体一结构接触面非线性动力学特性规律，是一个十分有效的途径。
在试验基础上进行接触面动本构关系的数学描述方面，目前主要有三种方法⋯：
1）直接根据试验成果或者对结果进行一些修正，提出描述接触面力学特性的经验关系；2）根据试验结果修正已有的土动本构模型，以用于描述接触面动力学特性；3）在试验及机理分析的基础上，直接建立接触面动力特性的本梅模型。
已有的接触面动本构关系的研究大都集中在描述其剪切特性上，但是接触面试验成果表明，合理的描述应该系统地考虑切向应力应变和法向应力应变及其耦合特性。
3发展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下结构之上地震土压力的方法
目前已经发展了多种求解结构一土体系统动力相互作用问题的方法”。
J，按求解域划分，有频域法和时域法，前者适用于线性问题，后者既适用于线性问题（模态综合），也适用于非线性问题（逐步积分）；按求解方法划分，则有解析法，数值法，杂交法和集中质量法。
数值法适用性强，得到了广泛应用，包括有限元法（FEM），边界元法（BEM），有限差分法（FDM），离散元法（DEM），嫁接法（CloningMethod）。
杂交法是将两种或两种以上不同的方法耦合起来的求解方法，由于其取各方法之所长而应用广泛。
耦合的方式包括解析法与数值法；近场用有限元，远场用边界元、无穷元、边界阻抗和半解析法和有限条法（在结构物或者介质的一个方向采用数值法，另一个或两个方向上采用解析法）等。
集中质量法是将研究对象等效为质量一弹簧一阻尼系统的一种分析方法。
已得到广泛应用。
总的说来，近年来杂交数值模型发展很快，线性小变形动力相互作用问题的求解方法已达到相当高的水平，但非线性大变形问题却有很多问题尚待解决。
解析法多是针对基础振动问题和地下结构物的动力反应分析提出的，能解决的问题十分有限，但与其它数值方法相耦合，仍能发挥重要的作用。
有限元法、子结构法和集中质量法相对已比较成熟，应用也十分广泛。
同济大学周健教授采用有限单元法对上海地铁车站的震动响应作了十分深入的研究”J。
在已有研究工作基础上，尚需针对地铁车站和区问隧道的具体特点，一方面改进和发展物理概念正确、数学模型严密、计算方法可靠的高精度的分析方法，另一方面还需注意发展计算模型简单、参数便于确定、易为工程师所接受的实用性强的分析方法，以满足具有不同抗震设计标准及要求的动力相互作用分析的实际需要。
四、地铁地下结构的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术
1抗震措施认识
目前我国对趣铁车站及区闻隧遂等她下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。
一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束，地震时构件不大可能出现交变内力，无须特别考虑抗震构造措施；当地下结构与地面建、构筑物合建时，才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。
另一种观点认为基本可以照搬地面民用建筑结构的要求，例如，抗震设防烈度位7度城市，按8度采取相应构造措施，并将抗震等级提高一级。
比较看来，这两种观点都有一定的片面性，前者完全忽视了地震对单建地下结构可能造成的破坏；后者又完全把地下结构等同予选上结构。
实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法，根据地下结构在地震作用下的受力和破坏
2研究地下结构抗震性能的主要途径
原型观测（包括现场震害调查和足尺试验）、构件试验、模型试验（主要是动力离心模型试验）和数值模拟。
由于地震作用具有随机性、难以预测性以及结构物和周围土体及其所构成系统本身的极其复杂性，目前还设有哪一种手段能够完全的对地下结构动力反应进行全面而真实的解释和模拟。
一般通过原型观测和模型试验结果来部分的或定性的再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果；在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型。
发展相应的数值分析方法；再通过模型试验和原型观测结果加以验证。
然后对不同抗震设计方案进行计算分析，尽可能地再现和模拟其实际的动力反应，研究其抗震性能，提出相应的抗震对策。
这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理的途径。
所以，应该基于震害调查资料的分析、地铁车站中的中柱及柱端节点的拟动力试验、地铁车站及区间隧道与周围土体系统的动力离心模型试验和数值模拟，来综合研究地下结构的抗震性能。
3实例分析
1995年日本阪神地震对地铁车站及区间隧道的破坏引起了土木工程界的广泛重视。
神户市内有两条地铁线路，分别长为7．6km和22．7km，共有18座地铁车站。
震害调查表明，其中有5座车站受到明显的破坏。
它们大都位于烈度为7度的地区，建造时均采用了明挖法，断面结构形式为有中柱的多层或单层涵箱型板柱框架结构体系，原设计中没有考虑地震因索；车站的破坏主要发生在中柱上，出现不少裂缝、混凝土剥落、钢筋弯曲外露、甚至有不少柱整体被压垮；侧墙、顶板也受到不同程度的损害，且其损害程度与中柱密切相关；当中柱破坏较为严重时，侧墙和顶板就会出现很多裂缝，以至坍塌、断裂等。
区间隧道的破坏形式主要是裂缝，其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝；在接头处也有损害，表现为混凝土剥落、钢筋外露以及出现竖向裂缝。
在破坏较严重处，中柱的上下两端也有损坏。
有的车站的受害程度甚至超过了地面建筑物的破坏。
地铁车站的震害说明，为了确保地铁结构的抗震安全性，在抗震设计中不仅要能正确地计算作用于地铁结构的外力及各种应力及其分布，也要合理地设计好结构本身。
从我国及北京地区的地铁车站的结构形式来看，目前普遍采用的是多层或单层板柱框架结构体系，与阪神地震中发生严重破坏的神户地铁车站的结构形式相同。
所以有必要对此类结构的抗震性能进行深入的探讨。
阪神地震对地下车站的破坏
4拟动力试验及其抗震安全性。
土工动力离心模型试验是研究地铁车站及区间隧道结构与土体所构成系统抗震性能的一个有力工具。
土工动力离心模型试验技术最突出的优点在于：
能够使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，从而得到十分广泛的应用，成为当前研究地下结构动力模型试验的主流。
目前，动力离心模型试验技术在再现动力响应、观测物理机制、揭示客观规律、发展理论模型、检验评价方法以及对比设计方案等方面已经发挥出突出的优越性，被誉为土工结构研究进程中的一个“里程碑”
数值模拟与物理模拟相结合是研究地下结构与土体系统抗震性能的一个有效途径。
地下结构与土体系统地震反应问题的分析理论及方法几乎不可能通过实际地震现场来验证，采用土工动力离心模型试验结果来验证动力分析的理论及方法是目前最为有效的途径。
如前所述，可首先采用动力离心模型试验技术模拟较为简单且典型的地铁车站或区间隧道与土体系统的地震响应，然后再采用数值分析对该系统震动响应的全过程进行模拟，并对比实测和计算的结果。
当两者比较接近时，在一定程度上说明数值分析方法是有效的。
这样，可进一步采用该数值分析方法来计算各种典型的原型地铁车站及区间隧道在各种较为复杂土层及地震波场输人条件下的动力响应及灾变动力学行为，研究不同施工条件（明挖法、盾构施工、TBM施工及矿山法暗挖施工）下典型地铁区间隧道的地震响应及抗震性能，研究典型地铁车站抗震性能的结构优化设计方法，模拟和评价抗震对策的合理性及有效性，最终提出合理、实用和科学的地铁车站及区间隧道结构抗震设计的理论与方法，发展相应的人机对话功能强的抗震设计软件。
在对地铁地下结构的地震响应和抗震性能深入研究的基础上，采用性能设计的基本思想和原理，研究和发展一个系统、合理、实用的地铁地下结构抗震设计的理论和方法。
所谓性能设计是90年代结构抗震设计领域中一个带有革命性的新进展。
它是将以保障人民的生命安全为基本目标的抗震设计，转变为在不同风险水平的地震作用下满足运用可靠性等不同性能目标的抗震设计，使其更趋合理。
传统的以力系分析为基础的设计将转向以变形、耗能、损伤分析为基础的设计，从基于线性分析和确定性分析的设计转向以非线性分析、非确定性分析和以可靠性分析为基础的设计。
性能设计的基本思想和原理同样也适用于地铁地下结构的抗震设计。
首先需要发展与性能设计相协调的地铁地下结构抗震设计的方法，其次需要进一步研究地铁地下结构的抗震安全的性能目标及定量化评价指标体系、非线性灾变动力学行为的非确定性分析理论与方法以及不同地震风险水平下抗震性能的评价方法。
五、结束语
地铁地下结构是重要的生命线工程，造价高，使用周期长，一旦发生破坏，修复困难，直接和间接经济损失巨大。
目前我国地铁建设已经进入高潮，其中很多地铁工程建设在高烈度地区，同时我国缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和有效的抗震构造措施，因两开展深入系统的理论分析、试验研究及数据模拟，发展合理而可靠的地下结构抗震设计理论和方法，发展经济而有效的抗震技术与工程对策，完善地下结构抗震构造措施，确定优良的地下结构抗震体系，均具有重要的辩学意义同时具有重要豹工程应用价值。
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