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一、地下結(jié)構(gòu)的地震震害
　　1.1 隧道結(jié)構(gòu)地震震害

　　1.2 隧道結(jié)構(gòu)震害的主要形式
　?。?）橫向剪切移位錯(cuò)臺(tái)（圖1.2.1 ）
　　在地質(zhì)構(gòu)造斷裂（層）或地層圍巖地質(zhì)突變處，由于圍巖嵌固或結(jié)構(gòu)剛度比的突變引起地震作用放大，導(dǎo)致橫向剪切破壞。如臺(tái)灣某輸水隧道在進(jìn)水口下游180m處，隧道水平左右位移造成隧道嚴(yán)重破壞。
　　（2）隧道拱部及側(cè)墻縱向水平裂縫（圖1.2.2）

　　受橫向地震作用影響引起隧道產(chǎn)生擠壓側(cè)向位移，從而產(chǎn)生沿縱向受拉破壞，其裂縫分布主要在隧道頂部及側(cè)墻上，并呈現(xiàn)沿隧道軸縱向形式。
　?。?）橫向裂縫（圖1.2.3 、4）
　　受縱向水平地震作用影響在隧道橫截面上產(chǎn)生彎矩內(nèi)力，并在結(jié)構(gòu)薄弱處出現(xiàn)垂直隧道軸線的橫向裂縫。


　?。?）地下結(jié)構(gòu)的抗震薄弱處主要集中在結(jié)構(gòu)剛度突變處（如洞門處、變斷面處等），以及地質(zhì)構(gòu)造處或土層性質(zhì)明顯變化處；
　　（3）隧道破壞的主要形式表現(xiàn)為隧道拱部及側(cè)墻縱向水平裂縫，以及橫向裂縫，其次為底板隆起；
　　（4）地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與土層分布、土層動(dòng)力參數(shù)等密切相關(guān)；

　　8.1.2條規(guī)定了隧道的地震作用計(jì)算采用靜力法，在驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí)采用安全系數(shù)值評(píng)定。


　　2.2公路行業(yè)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定

　　規(guī)范6.2.1條給出了進(jìn)行隧道強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算的范圍，總體上說(shuō)是否進(jìn)行抗震計(jì)算取決于圍巖及道路等級(jí)、地震加速度大小。

　　上述條文解釋：（1）靜力法計(jì)算簡(jiǎn)便，易于掌握；（2）抗震分析結(jié)果與宏觀震害調(diào)查比較接近；（3）對(duì)圍巖壓力的計(jì)算理論尚在進(jìn)一步探索中，采用精確理論計(jì)算實(shí)際意義不大。
 
　　2.3　城市軌道交通區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定

　　該規(guī)范首次考慮了地層變位對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震的影響，通過(guò)土彈簧模擬土層與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并引入了位移法概念，在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念上初次與國(guó)際接軌。

　　2.4 目前各設(shè)計(jì)方法存在的問題與不足
　　1　靜力法問題
　　
　　（1）只能近似模擬橫向地震作用，精度較差，難以反映真實(shí)情況；
　　（2）無(wú)法考慮土層與結(jié)構(gòu)的相互作用，與地下結(jié)構(gòu)的地震實(shí)際作用機(jī)理出入較大；
　?。?）對(duì)隧道結(jié)構(gòu)，不管是采用集中質(zhì)量還是連續(xù)質(zhì)量模型都難以計(jì)算式中隧道質(zhì)量m；
　　2　反應(yīng)位移法
　　地震引起地下結(jié)構(gòu)或地層的各種變化稱為地震反應(yīng)，其表現(xiàn)形式為位移、速度及加速度，故稱為反應(yīng)位移法、反應(yīng)速度法、反應(yīng)加速度法。
　　•反應(yīng)位移法是日本學(xué)者在20世紀(jì)70年代提出的。日本學(xué)者在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，周圍地基變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于慣性力的影響，在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，提出了反應(yīng)位移法。
　　•該方法用彈性地基梁模擬隧道結(jié)構(gòu)，以假定形式的地基土體的變形為已知條件并通過(guò)土彈簧施加給隧道結(jié)構(gòu)，然后再計(jì)算隧道的內(nèi)力。該方法可以考慮不同的地震波入射角度及行波效應(yīng)，計(jì)算量相對(duì)較小，可以通過(guò)數(shù)值和解析的方式求解地震作用下地下結(jié)構(gòu)橫向、縱向內(nèi)力。
　　•該法目前僅在《城市軌道交通工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有規(guī)定，但目前應(yīng)用還不全面。

三、地下結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)
　　地下結(jié)構(gòu)的縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向斷面尺寸，并置于被地基土包圍的地下空間半無(wú)限體內(nèi)，其地震反應(yīng)具有如下特性：
　　（1）地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形受周圍地基土的約束顯著，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出自振的影響；另外，地層的剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的剛度，地層的變形迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即具有變形的跟隨性；；
　　（2）隧道的延米質(zhì)量比失去土體的質(zhì)量小，地震時(shí)作用于管片的慣性力比作用于周圍土體的慣性力??；
　?。?）地震的振動(dòng)能量被周圍土體吸收而衰減很大，且具有對(duì)地震產(chǎn)生的振動(dòng)不易激發(fā)的特點(diǎn)，即無(wú)自激振動(dòng)特性；
　?。?）地震波傳播過(guò)程中，具有時(shí)間上的變化特性和明顯的空間變化特性，其行波效應(yīng)明顯。
　　（5）地基土的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震影響更大，結(jié)構(gòu)自身特性影響反而較小。
 
四、地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)
　　4.1　反應(yīng)位移法基本假定：
　?。?）地下結(jié)構(gòu)位于均質(zhì)、連續(xù)的半無(wú)限體內(nèi)；
　?。?）地震時(shí)，地下結(jié)構(gòu)與圍巖土體間存在相互作用，該作用可以通過(guò)土彈簧來(lái)模擬；
　?。?）地震時(shí)，土體對(duì)地下結(jié)構(gòu)的作用沿法線或切線進(jìn)行 ；
　?。?）地震波傳播過(guò)程中，具有時(shí)間上和空間上按正弦波形式進(jìn)行傳播，在其完整波長(zhǎng)范圍內(nèi)忽略波的衰減。
　　4.2　按反應(yīng)位移法計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)的橫向地震作用
　　1、地層參數(shù)計(jì)算
　　在結(jié)構(gòu)以上的地層一般是由多種性質(zhì)的巖土層構(gòu)成的，抗震計(jì)算時(shí)須換算成單一地層進(jìn)行。
　?。?）換算單一地層的容重：
　　
　?。?）考慮地震對(duì)地層應(yīng)變影響時(shí)的換地層彈性剪切波速：
　　　
　?。?）動(dòng)剪切變形系數(shù)
　　
　?。?）壓縮變形系數(shù)

　　2、計(jì)算地層位移值

　　假定橫向地震時(shí)，結(jié)構(gòu)仍然與土體完全接觸而沒脫開，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原則，此時(shí)作用于結(jié)構(gòu)上的地震波振幅即為結(jié)構(gòu)的位移，因此
　　
　　為振動(dòng)基準(zhǔn)面位移速度譜值，為表層地基土的固有自振周期（S），H為振動(dòng)基巖面埋深，根據(jù)GB 50011—2010 第4.1.4 條確定；為地震動(dòng)峰值位移值。
　　根據(jù)計(jì)算的地表水平位移，按下列式可計(jì)算出隧道截面的內(nèi)力。
　　　

　　　　　　
　　4.3 按反應(yīng)位移法計(jì)算車站結(jié)構(gòu)的橫向地震作用
　　1、節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的簡(jiǎn)化
　　對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)中板，質(zhì)量可向頂、底、中板集中，形成集中　質(zhì)量（糖葫蘆型）。

　
　　　—集中指點(diǎn)的最大加速度值，可??；


　　3、結(jié)構(gòu)外側(cè)壁的相對(duì)剪應(yīng)力
　　可取結(jié)構(gòu)頂?shù)装逄幖魬?yīng)力的平均值，即：
 
　　其中、　可按下式計(jì)算：
　　4、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算
　　按照計(jì)算簡(jiǎn)圖和地勘報(bào)告中的水平、豎向土彈簧剛度值，即可計(jì)算出車站結(jié)構(gòu)在橫向地震作用下的內(nèi)力。
　　4.4　按反應(yīng)位移法計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)的縱向地震作用

　　縱向地震作用最明顯特征之一是相位差，相位差由于地層介質(zhì)的不均勻性和傳播時(shí)間差異引起的，縱向地震在x-y平面內(nèi)沿隧道縱軸線方向傳播，相位差（振幅不等）使隧道結(jié)構(gòu)受到隧道軸向拉壓或縱向彎曲作用。
　　縱向地震作用最明顯特征之二是地震波的入射角，定義為在x-y水平面內(nèi)地震波的傳播方向與隧道縱向軸的夾角。
　　可建立如下平衡方程：
　　
　　通過(guò)求解上述平衡方程，最終獲得隧道結(jié)構(gòu)截面的如下最大內(nèi)力值：
　　縱向最大軸向壓力：

　　縱向最大軸向拉力：
 
　　縱向最大彎矩：

五、結(jié)語(yǔ)
　　1、地下結(jié)構(gòu)的地震震害雖然相對(duì)于地上結(jié)構(gòu)為輕，但由于結(jié)構(gòu)的重要性，其地震破壞后果也是很嚴(yán)重的；
　　2、現(xiàn)行鐵路及公路規(guī)范中的靜力地震計(jì)算方法，與地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)與圍巖作用機(jī)理相去甚遠(yuǎn)，難以反映地下結(jié)構(gòu)與圍巖運(yùn)動(dòng)特性密切關(guān)系；
　　3、反應(yīng)位移法實(shí)現(xiàn)了地下結(jié)構(gòu) 抗震方法與國(guó)際的接軌，但目前的 應(yīng)用還不盡完善，盾構(gòu)隧道中的縱 向螺栓及二襯結(jié)構(gòu)中的縱向水平鋼筋是否應(yīng)根據(jù)縱向水平地震作用彎矩設(shè)計(jì)？

　　4、縱向地震引起盾構(gòu)隧道的“蛇形”變形必將加大管片橫縫開口量，從而可能還會(huì)影響防水性能

（本文摘自2016海峽兩岸巖土工程/地工技術(shù)交流研討會(huì)分會(huì)場(chǎng)報(bào)告，報(bào)告人：陳代秉）