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摘 要：我国地铁建设发展迅速，对其抗震问题的研究也日益活跃。对隧道抗震的研究方法有原型观测、理论分析、模型试验。而减轻隧道震害的主要措施包括两种途径，即抗震与减震。
关键词：隧道；抗震减震；分析方法；研究现状
1.前言
王梦恕院士在中国城市地下空间开发高峰论坛上曾指出“21世纪是隧道及地下空间大发展的世纪”。目前世界上已有50多个国家、100多个城市拥有地铁。进入21世纪，我国地铁建设也进入了迅猛发展的时期，截止2018年1月1日，中国内地累计有34个城市建成投运地铁线路5021公里，运营总里程居世界第一。然而，随着地下结构建设规模的不断扩大，其抗震问题也越来越受到重视。过去，由于地下结构数量和规模的限制，震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。但随着近些年隧道遭受的震害案例来看，隧道结构在地震作用下并不总是安全的。特别是1995年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构首次遭受到如此严重的损害。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震减震研究的重视。因此，研究隧道的抗震与减震问题是非常有必要而且是十分迫切的。
2.抗震研究方法
国内外学者对地下结构抗震问题的研究主要采取以下三种方式：原型观测、理论分析和模型试验。
2.1.原型观测
原型观测法是基于实测地下隧道结构地震时的动力特征数据，通过数据的整合和综合分析，来研究地下结构物地震响应的方法。分为现场观测和震害调查。
现场观测是通过实际观测地下结构在地震中的受力变形特点来分析其地震响应的，由于其采集的数据直接来自于实际地震，故原型观测具有数据优势以及真实可信度高的优势。
震害调查是在地震结束后去震区采集数据，然后对所采集数据进行整理、统计和总结分析，得出一些规律性的震害特征，对于进一步研究地下结构的震害机理和抗减震技术有重要意义。
2.2.理论分析
理论分析法包括解析法和数值分析法。
（1）由于对地下结构的抗震缺乏研究，国内相关规范基本上都借鉴地上结构的抗震理论和方法，采用解析法中的拟静力法。解析方法又具体分为反应位移法、ST.John法、福季耶娃法、BART法等。因为解析法要对实际情况作很大的简化和假设，这样就必然会影响计算结果的可信程度，而且计算比较困难。
（2）随着计算机技术的进步，数值方法得到了很大的发展，其研究也出现了空前的活跃。数值方法是将地下结构和其周围岩土体看成一个整体来计算，从而得到地下结构和周围岩土体的动力反应的分析方法。数值方法包括有限元法、离散元法、有限差分法、边界元法和它们的组合衍生出来的方法。有限元法、有限差分法和离散元法在解决几何形状复杂和非均质、非线性问题方面比较有优势，而边界元更善于解决均质、线性、无限和半无限介质的问题。
2.3.模型试验
模型实验研究分为人工震源实验和振动台实验。根据所施加动力类型的不同，振动台实验可分为简谐振动、模拟地震振动和天然振动。但由于非线性阶段叠加原理不适用，所以要用模拟地震振动的振动台。另外，因起震力较小，人工震源实验法很难反应出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，且难度较高，成本较大，一般不宜采用；而模拟地震振动的振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性，以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题，且实验成本相对较低，因此得到了比较广泛的应用。
3.抗震研究現状
抗震就是通过加强建筑物本身的强度来抵抗地震对建筑物的影响，从而使这种影响被控制在建筑物能够承受的范围之内。目前，主要通过两种途径进行隧道结构抗震设计，即结构加强和围岩加固。
3.1结构加强
结构加强主要是增加隧道衬砌的强度和刚度等动力特性来抵抗地震对隧道的影响。目前主要采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土、聚合物混凝土等高强混凝土来提高隧道衬砌的刚度。但隧道具有随地层变形的动力特性，地震时，衬砌结构内力会增大，隧道边墙和拱顶的加速度响应随之增大，所承受的地震荷载也将增加。由此可见，过分强调隧道衬砌结构刚度并不一定是理想的抗震选择。而柔性结构能有效减少隧道的加速度响应，但也存在刚度不足导致结构位移增大的问题。合理的隧道抗震结构应该具有一定柔度，使其在地震作用下能有效耗散地震能量，减小动力响应，又能在围岩压力、地震荷载等作用下的变形满足工程要求。
3.2围岩加固
围岩加固是通过对围岩注浆等方法，提高围岩的整体性和强度，使围岩刚度与隧道衬砌刚度相匹配，从而使隧道衬砌在地震中响应减小。对于注浆来说，随着注浆的范围增大，厚度增大，隧道的最大位移和内力减小越多，但随着注浆厚度超过一定数值之后，注浆厚度的增加对位移响应和内力响应的影响减弱，位移和内力减小的幅度越来越小。
4.减震研究现状
减震有两种方法：第一种是通过改变隧道本身的性能（刚度、强度、质量、阻尼）等来减震，如衬砌结构材料选用陶粒钢纤维混凝土来提高其强度；在隧道中添加大阻尼材料，使其成为大阻尼复合材料；采用柔性、延性结构，减小隧道刚度，以消耗地震能量，减轻地震反应等。第二种是在隧道与地层之间设置减震层，使底层的变形难于传递到隧道上，从而使隧道的地震反应减小。选作减震层的材料需要满足以下几个条件：弹性系数较小，质量较低，具有良好的减震耗能作用。减震层一方面可以减小地震对地下结构的地震输入，另一方面减小了围岩变形向地下结构的传递，从而减小了隧道的内力，达到减震目的。常见的可做减震层的材料有泡沫混凝土、橡胶、沥青类材料、硅树脂系等。
5.结论
地下结构抗震分析方法中原型观测和模型实验法由于试验设备、经济因素等原因，存在一些不足，有待进一步的完善和改进。理论分析同样存在着缺陷和各自方法的适用范围。随着技术的进步和新材料的不断发展，相信隧道的抗震减震将会获得长足的发展和进步。
参考文献
[1]马韦韦.地下工程抗震分析的研究现状及展望[J]，中国科技信息，2011.
[2]白广斌，赵杰，等.地下结构工程抗震分析方法综述[J]，防灾减灾学报，2012.
[3]王梦恕，谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术[J]，中国工程科学，2010.
（作者单位：河南大学土木建筑学院）
关键词：隧道；抗震减震；分析方法；研究现状
1.前言
王梦恕院士在中国城市地下空间开发高峰论坛上曾指出“21世纪是隧道及地下空间大发展的世纪”。目前世界上已有50多个国家、100多个城市拥有地铁。进入21世纪，我国地铁建设也进入了迅猛发展的时期，截止2018年1月1日，中国内地累计有34个城市建成投运地铁线路5021公里，运营总里程居世界第一。然而，随着地下结构建设规模的不断扩大，其抗震问题也越来越受到重视。过去，由于地下结构数量和规模的限制，震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。但随着近些年隧道遭受的震害案例来看，隧道结构在地震作用下并不总是安全的。特别是1995年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构首次遭受到如此严重的损害。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震减震研究的重视。因此，研究隧道的抗震与减震问题是非常有必要而且是十分迫切的。
2.抗震研究方法
国内外学者对地下结构抗震问题的研究主要采取以下三种方式：原型观测、理论分析和模型试验。
2.1.原型观测
原型观测法是基于实测地下隧道结构地震时的动力特征数据，通过数据的整合和综合分析，来研究地下结构物地震响应的方法。分为现场观测和震害调查。
现场观测是通过实际观测地下结构在地震中的受力变形特点来分析其地震响应的，由于其采集的数据直接来自于实际地震，故原型观测具有数据优势以及真实可信度高的优势。
震害调查是在地震结束后去震区采集数据，然后对所采集数据进行整理、统计和总结分析，得出一些规律性的震害特征，对于进一步研究地下结构的震害机理和抗减震技术有重要意义。
2.2.理论分析
理论分析法包括解析法和数值分析法。
（1）由于对地下结构的抗震缺乏研究，国内相关规范基本上都借鉴地上结构的抗震理论和方法，采用解析法中的拟静力法。解析方法又具体分为反应位移法、ST.John法、福季耶娃法、BART法等。因为解析法要对实际情况作很大的简化和假设，这样就必然会影响计算结果的可信程度，而且计算比较困难。
（2）随着计算机技术的进步，数值方法得到了很大的发展，其研究也出现了空前的活跃。数值方法是将地下结构和其周围岩土体看成一个整体来计算，从而得到地下结构和周围岩土体的动力反应的分析方法。数值方法包括有限元法、离散元法、有限差分法、边界元法和它们的组合衍生出来的方法。有限元法、有限差分法和离散元法在解决几何形状复杂和非均质、非线性问题方面比较有优势，而边界元更善于解决均质、线性、无限和半无限介质的问题。
2.3.模型试验
模型实验研究分为人工震源实验和振动台实验。根据所施加动力类型的不同，振动台实验可分为简谐振动、模拟地震振动和天然振动。但由于非线性阶段叠加原理不适用，所以要用模拟地震振动的振动台。另外，因起震力较小，人工震源实验法很难反应出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，且难度较高，成本较大，一般不宜采用；而模拟地震振动的振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性，以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题，且实验成本相对较低，因此得到了比较广泛的应用。
3.抗震研究現状
抗震就是通过加强建筑物本身的强度来抵抗地震对建筑物的影响，从而使这种影响被控制在建筑物能够承受的范围之内。目前，主要通过两种途径进行隧道结构抗震设计，即结构加强和围岩加固。
3.1结构加强
结构加强主要是增加隧道衬砌的强度和刚度等动力特性来抵抗地震对隧道的影响。目前主要采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土、聚合物混凝土等高强混凝土来提高隧道衬砌的刚度。但隧道具有随地层变形的动力特性，地震时，衬砌结构内力会增大，隧道边墙和拱顶的加速度响应随之增大，所承受的地震荷载也将增加。由此可见，过分强调隧道衬砌结构刚度并不一定是理想的抗震选择。而柔性结构能有效减少隧道的加速度响应，但也存在刚度不足导致结构位移增大的问题。合理的隧道抗震结构应该具有一定柔度，使其在地震作用下能有效耗散地震能量，减小动力响应，又能在围岩压力、地震荷载等作用下的变形满足工程要求。
3.2围岩加固
围岩加固是通过对围岩注浆等方法，提高围岩的整体性和强度，使围岩刚度与隧道衬砌刚度相匹配，从而使隧道衬砌在地震中响应减小。对于注浆来说，随着注浆的范围增大，厚度增大，隧道的最大位移和内力减小越多，但随着注浆厚度超过一定数值之后，注浆厚度的增加对位移响应和内力响应的影响减弱，位移和内力减小的幅度越来越小。
4.减震研究现状
减震有两种方法：第一种是通过改变隧道本身的性能（刚度、强度、质量、阻尼）等来减震，如衬砌结构材料选用陶粒钢纤维混凝土来提高其强度；在隧道中添加大阻尼材料，使其成为大阻尼复合材料；采用柔性、延性结构，减小隧道刚度，以消耗地震能量，减轻地震反应等。第二种是在隧道与地层之间设置减震层，使底层的变形难于传递到隧道上，从而使隧道的地震反应减小。选作减震层的材料需要满足以下几个条件：弹性系数较小，质量较低，具有良好的减震耗能作用。减震层一方面可以减小地震对地下结构的地震输入，另一方面减小了围岩变形向地下结构的传递，从而减小了隧道的内力，达到减震目的。常见的可做减震层的材料有泡沫混凝土、橡胶、沥青类材料、硅树脂系等。
5.结论
地下结构抗震分析方法中原型观测和模型实验法由于试验设备、经济因素等原因，存在一些不足，有待进一步的完善和改进。理论分析同样存在着缺陷和各自方法的适用范围。随着技术的进步和新材料的不断发展，相信隧道的抗震减震将会获得长足的发展和进步。
参考文献
[1]马韦韦.地下工程抗震分析的研究现状及展望[J]，中国科技信息，2011.
[2]白广斌，赵杰，等.地下结构工程抗震分析方法综述[J]，防灾减灾学报，2012.
[3]王梦恕，谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术[J]，中国工程科学，2010.
（作者单位：河南大学土木建筑学院）