盾构隧道纵向地震响应分析方法及其现状

盾构隧道纵向地震响应分析方法及其现状摘要纵向地震响应分析是盾构隧道抗震分析的重要研究内容和方向，国内外学者在此领域提出了多种计算方法。文中论述了盾构隧道纵向地震响应特性，介绍了盾构隧道纵向地震响应分析基本原理和常见方法，并对各方法的优缺点进行了简要评述，指出了待改进的问题。

关键词盾构隧道纵向地震响应分析方法

the status quo and analysis method

of longitudinal seismic response of shield tunnel

chen nianlong

(dept. of bridge engineering, tongji university, shanghai 200092)

abstract: longitudinal seismic response analysis had been an important field in anti-seismic research of shield tunnel. at present, a variety of simplified calculation methods for longitudinal seismic analysis were advanced by scholars both at home and abroad. in this paper, the characteristics of longitudinal seismic response of shield tunnels were discussed, and the basic principle and the common methods were introduced.advantages and disadvantages of these methods were also pointed out. and the details which should be improved were indicated.

key words: shield tunnel longitudinal seismic response analysis method

引言

在人类可持续发展中，城市的可持续发展居于关键地位，城市地下空间的开发利用是实施中国城市可持续化发展的必然选择和

重要途径[1]。特别是在城市交通方面，地铁由于快速、高效、环保等众多优点成为缓解地面交通压力的重要手段。

地铁的施工方法有多种，其中盾构法由于不影响城市交通，无污染、无噪声，且适合各种断面尺寸，在软土地基中应用最为广泛。随着大断面、长区间的盾构隧道数量的增多，此类隧道抗震问题日益突出，尤其是在我国，有些出台轨道交通规划的城市处于较高的地震烈度区。因此盾构隧道的抗震问题越来越受到地震工程界的重视。

由于盾构隧道为地下线状结构物，纵向延伸长度远大于断面尺寸，且周围被地基土包围，其抗震研究方法与地上结构相比有很大不同。盾构隧道地震响应分析方法按空间考虑情况可以分为纵向和横向抗震计算方法。目前，在盾构隧道纵向地震响应分析的领域内，国内外专家和学者提出了各种计算方法，而这些方法都是基于一定的假设条件的，各有各的优势与不足之处。从工程设计实践方面来讲，在揭示盾构隧道纵向地震响应分析机理与本质的同时，实现简化设计，是非常有意义的。

1 地下结构地震反应特点

地下结构在地震作用下的反应有突出的特点，现列举如下[2]: （1）地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束显著，结构的动力反应一般不明显表现出自振的影响；

（2）地下结构对周围地基震动的影响一般很小；

（3）地下结构振动特性受地震波入射方向的影响很大；

（4）地下结构在振动中各点的相位差别十分明显；

（5）地下结构在振动中的地震反应受地震加速度大小的影响小；

（6）地下结构的地震反应随埋深的变化不明显；

总结起来，对地下结构地震反应起主要作用的因素是地基土的运动特性，结构形状的改变，影响相对较小，仅产生量的变化。因此，在地下结构抗震的研究工作中，地震作用下地基土的运动特性的研究则占较大比重。

2 地下结构抗震理论的发展

地下结构的自身动力反应特点，决定了它抗震分析的方法。但是，在20世纪50年代，地下结构的抗震设计基本上还沿用地面结构的静力抗震设计方法。60 年代初，前苏联学者将弹性力学理论应用于地下结构，以此求解均匀介质中地下结构的应力应变状态，得出了地下结构地震力的精确解和近似解[3]。60 年代末，美国旧金山海湾地区在建设快速地铁运输系统(bart) 时，对地铁等地下结构的抗震问题进行了深入的研究，提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收强加变形的延性，同时不丧失承受静荷载能力的设

计思想，并以此为基础提出了抗震设计标准[4] 。70 年代，日本学者基于地震观测资料和模型试验资料，结合波动理论提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法[5]，此方法在隧道等地下线管状结构的设计规范中得到体现，地下结构抗震研究取得重大突破。近年来，随着电子计算机和数值仿真技术的不断发展，数值方法越来越多的应用到盾构隧道等地下结构的地震响应分析中，通常的数值方法主要有：有限元、有限差分、离散元和边界元方法。由于有限元、有限差分法和离散元方法在几何形状复杂和非匀质、非线性问题方面具有优势，而边界元法在解决匀质、线性无限和半无限介质问题方面具有优势，所以国内外学者提出了结合两者优点的混合方法[6]。

3 盾构隧道纵向地震响应分析方法

盾构隧道纵向地震响应分析方法名目繁多，而且有些称谓未必完全贴切。从大的方面可以分为拟静力法和动力反应方法，拟静力法即把动力问题简化为静力问题，是工程设计常用方法。拟静力法可按简化的方式分为：反应位移法、bart隧道抗震设计法和弹簧质点系分析法。而动力反应方法是把盾构隧道和周围土体进行离散划分单元，通过地震波的输入来查看盾构隧道在地震作用下的反应。下面对这些方法进行详细论述：

3.1 反应位移法

反应位移法[7]是日本学者在20世纪70年代提出的。日本学者在观测中发现，周围地基变形对隧道结构的地震响应的影响要远远