（郑州工业应用技术学院，河南，郑州，451150）
【摘 要】随着地下空间大规模的开发和利用，城市轨道交通网中城市地下铁道所占比重很大，而城市地铁区间隧道又以盾构法隧道为主。目前国内外学者在隧道的横向抗震分析方法提出了多种分析方法，包括地震系数法、相对刚度法、响应位移法等。本文主要介绍了盾构隧道横向抗震设计中重力作用的计算方法、反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法，可为地铁抗震设计提供参考。
【关键词】盾构隧道；抗震设计；重力作用计算；反应位移法；基于等效线性化的时程法
一、引言
随着城市建设的快速发展，人们不断地向城市聚集，造成如交通堵塞、环境污染等各大问题，因地铁具有快速、高效、清洁的特点，人们逐渐意识到发展地铁系统的重要性，在这种情况下地铁应运而生。近年来，我国各大城市的地铁建设正处在快速发展阶段，如北京、天津、上海等城市地铁已相继建成通车，南京、重庆、西安、郑州、福州等一些大中城市也正在进行地铁建设。由于地铁具有交通客运量大、速度快、安全、方便舒适等优点，地铁将逐渐取代公交车而成为城市主要的交通工具.
目前，国内还没有具体的与地下结构相关的抗震设计标准和规范，其中《地铁设计规范》和《地下铁道设计规范》只是给出了指导性条文，缺乏明确的和可操作性强的规定及具体计算原则和施工措施，导致该状况的主要原因有以往地下结构建设发展比地面建筑缓慢的多，导致工程界学者的重视度相对不足；另外人们普遍认为土体对地下结构的运动具有约束作用，地下结构的抗震稳定性随面波埋深衰减而趋于更加稳定，认为在发生地震时不会轻易遭受破坏，这就是导致地下结构抗震研究比地面结构抗震研究滞后的主要原因。直到1995年日本阪神大地震使人们彻底改变了地下建筑结构在地震时不易发生破坏这一观点。正是由于隧道震害不断地出现，学者开始对地下结构的抗震安全性进行了大量研究，世界各国对地下结构的抗震性能的研究日益增多，并且根据试验研究的测试结果提出相应的设计方法及抗震减震方案，因此，对盾构隧道等地下结构进行抗震性能研究具有重要的理论价值和应用价值。
我国属于地震多发区，在我国的450个城市中，其中多数城市位于地震基本烈度7度及其以上地区；28个百万以上人口的城市，有85.7％位于地震区，50～100万人口的大城市和20～50万人口的中等城市80％位于地震区。特别是一些重要的城市，如北京、昆明、太原、西安、兰州、银川、海口、台北等，都位于地震基本烈度8度的高烈度地震区。因为我国大部分地区为地震设防区，地下结构的抗震设计及其安全评价成为工程界设计人员日益重视的重要问题。
二、抗震设计
1．重力作用计算
重力计算工况是模型在土层和结构自重作用下结构的内力计算，现有计算方法主要是荷载结构法和地层结构法，现有地下结构相关规范中主要是荷载结构法。
荷载结构法认为地层对结构的作用只产生作用于地下结构上的荷载，根据计算出的荷载，同时假定围岩具有一定的抗力系数，然后按照结构力学的方法计算衬砌结构在荷载作用下的内力和变形。该法根据约束的不同，又可细分为自由变形圆环法、弹性铰法、弹性地基梁法等，其关键问题是确定作用在结构上的荷载大小和分布，实际应用中多假定为均布荷载或线性变化的梯形分布。该法概念清楚、便于应用，但无法考虑施工方法及衬砌刚度等因素对土压力大小和分布的影响。
地层结构法认为，衬砌和围岩一起构成受力变形的整体，要按照连续介质力学原理来计算衬砌和围岩的内力和变形。其计算方法又分为解析解法和数值法两类。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中解析解法只适用于均匀介质中的圆形隧道，且只能计算少数典型工况；数值法可以适用于所有情况。基于等效线性化的时程方法中，计算重力工况的计算方法就是数值法。地层结构法不需要温克尔假定，只需要围岩的弹性模量、泊松比等常用参数，也不需要地基抗力系数，从理论上来说是比较合理地反映了围岩和衬砌的共同作用；但是，地下结构开挖后，围岩要释放一部分应力，衬砌结构并非承担全部的围岩压力，这跟施工方法及围岩的变形和强度参数等有关；因此结构具体承担多少围岩压力，即释放荷载的比例，无法准确确定。有的文献认为释放荷载的比例约为30%～70%，但这些都有很大的经验性。
当不考虑结构非线性时，可将重力引起的结构反应与地震引起的结构反应进行组合，作为地震作用下结构的真实反应。首先对地下结构进行重力作用下的静力计算。
2．反应位移法
反应位移法是根据地下结构地震反应取决于周围土层运动这一特征提出的，该方法引入土体弹簧，将地下结构支撑在土体弹簧上，土体弹簧考虑了衬砌结构刚度与周围土体刚度的差异。具体作了如下假定：衬砌与土体为各向同性的线弹性体；忽略土体之间的相互影响；忽略结构阻尼的影响。将盾构衬砌模拟为梁单元，将周围土体模拟为等效刚度的土体弹簧；将衬砌顶部、底部相对水平位移最大值时的沿深度的位移分布施加在土体弹簧远离梁单元的一端；将此时刻的土体与衬砌接触面处的土层剪应力施加在接触面的梁单元结点上；假设在地震作用下自由土层的反应加速度与衬砌结构的反应加速度保持一致，把相同深度土层的加速度作为体力转化成横向节点力施加在衬砌上。
该方法的优点是用弹簧代替地下结构周围的土体，一定程度上考虑了土与结构之间的相互作用；地震力的施加较为合理。
3．反应加速度法
此种方法将土基本模型划分为二维平面应变有限元，将衬砌模拟为梁单元与其连接；计算模型底部采用固定边界；顶面取到地表；侧面采用水平滑移边界，到结构的距离可取衬砌水平有效宽度的2～3倍；将地下结构上、下底位置发生最大相对位移时刻随土层深度分布的水平加速度以体力的方式转化为节点力施加到计算模型的节点上。
4．基于等效线性化的时程方法
该法其实就是动力时程法，对土体反应与结构的反应不再分开考虑，但土体的非线性模型采用等效线性化模型。这是因为土体的非线性模型中，等效线性化模型使用得最为广泛。等效线性化模型和一般的时程分析区别在于：①土体是等效线性的，可以减少计算时间，减少由于土体本构模型选取的不同所带来的分歧，但需要进行迭代计算；②重力计算采用动力的方法。土层参数的确定，如最大动剪切模量、阻尼、剪切模量及阻尼比随剪应变的变化关系等。
三、结语
对于整个工程而言，抗震设计是一个十分复杂、科学的过程，由最初的选址、施工，一直到最后的竣工验收环节，抗震设计这项内容几乎贯穿了全程。因此，国家相关部门与项目负责人应给予其高度重视，将其作为衡量工程质量的重要标尺。总而言之，工程的质量直接受抗震设计的影响，应结合工程的实际情况，制定多种不同的抗震设计方案，进而进行合理、适当的选择。
参考文献：
[1]刘晶波, 李彬. 地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题[J]. 土木工程学报, 2006,39(6): 106-110.
[2]林利民. 大型城市地下建筑结构的动力响应分析[D]. 大连理工大学硕士论文, 2006.
[3]贺万里. 基于土—结构相互作用的地铁车站抗震的动力有限元响应分析[D]. 长沙: 中南大学硕士学位论文, 2011.
[4]郑永来, 杨林德. 线形地下结构震害形式、原因及抗震对策[C]// 线形地下结构震害形式、原因及抗震对策. 岩土工程青年专家学术论坛文集. 北京：中国建筑工业出版社: 360.369.
[5]郑永来, 杨林德等. 地下结构抗震[M]. 上海:同济大学出版社, 2007.
[6]朱彬. 城市地下工程结构抗震分析研究[D]. 西安科技大学硕士论文, 2005.
[7]吕西林, 周德源, 李思明等. 建筑结构抗震设计理论与实践[M]. 同济大学出版社, 2002.
[8]刘晶波, 王文辉, 刘祥庆. 地下结构抗震分析方法对比研究[J]. 结构抗震性能、试验方法与设计理论: 270-277.
论文作者:刘庆
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年12月供稿
论文发表时间:2016/4/15
标签：结构论文; 地下论文; 围岩论文; 荷载论文; 线性化论文; 地铁论文; 土层论文; 《工程建设标准化》2015年12月供稿论文;