摘要：針對我國尚缺少完善的地鐵地下結構抗震分析方法和專(zhuān)門(mén)的地鐵結構抗震設計規范的現狀，在分析目前我國地鐵等地下結構抗震研究及設計方法的基礎上，重點(diǎn)闡述了需要迫切解決的五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：合理的地下結構動(dòng)力分析模型，高效的地下結構-地基系統動(dòng)力相互作用問(wèn)題分析方法，合理而實(shí)用的地鐵地下結構地震破壞模式和抗震性能評估方法，地鐵地下結構抗震構造措施，地鐵區間隧道穿越地震斷層的設計方案及工程措施。這些問(wèn)題的研究和解決將為地鐵地下結構抗震設計規范或規程的制定奠定堅實(shí)的基礎。

　　關(guān)鍵詞：地鐵；地下結構；土-結構動(dòng)力相互作用；地震反應；抗震設計

　　引言

　　隨著(zhù)城市化的發(fā)展，城市交通狀況及環(huán)境條件日趨惡化，交通的擁擠和效率低下成為各大城市的通病，人們逐漸認識到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運量快速公共交通系統是解決問(wèn)題的重要途徑[1].實(shí)踐證明，地鐵以其快速、高效、清潔的特點(diǎn)，在世界上大多數經(jīng)濟發(fā)達地區大城市的客運交通中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用，比如東京、莫斯科、倫敦等[1].近年來(lái)，我國的地鐵建設也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例，目前地鐵線(xiàn)路總長(cháng)114km（包括地面軌道線(xiàn)路），按照《北京奧運行動(dòng)規劃》，到2008年運營(yíng)里程將達到202km，長(cháng)遠規劃總里程超過(guò)600km.另外，上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽(yáng)等大城市也正在或者即將建設地鐵或輕軌�？梢哉f(shuō)，我國已經(jīng)進(jìn)入了地鐵工程建設的黃金時(shí)代。

　　地鐵工程是生命線(xiàn)工程的重要組成部分，其抗震問(wèn)題已經(jīng)成為城市工程抗震和防災減災研究的重要組成部分。美國、日本等國家都曾經(jīng)對地鐵等地下結構的抗震設計理論進(jìn)行了研究，提出了一些實(shí)用的抗震設計方法[2-5].但我國在這一領(lǐng)域的研究相對滯后[5-6].迄今為止，我國還沒(méi)有獨立的地下結構抗震設計規范，GB50157—92《地下鐵道設計規范》和GB50157—2003《地鐵設計規范》對地鐵的抗震設計都只給出了極為籠統的規定，其原因主要是研究工作開(kāi)展不夠，對地下結構抗震設計方法缺乏系統研究。長(cháng)期以來(lái)，地鐵結構的抗震設計基本是參照GBJ111—87《鐵路工程抗震設計規范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設計規范》，采用地震系數法進(jìn)行的。地震系數法用于地下結構抗震計算時(shí)具有明顯的缺陷，比如按照地震系數法，作用在地下結構的水平慣性力隨埋深的增加而增加，這與實(shí)際情況明顯不符。出現這一局面的原因與人們對地下結構震害的認識不無(wú)關(guān)系�？陀^(guān)地講，地下結構由于受到地層的約束，加之城市隧道大多采用抗震性能較好的整體現澆鋼筋混凝土結構及能夠適應地層變形的裝配式圓形結構，震害明顯低于地上結構[6].高烈度地震區內的城市地鐵大規模建設是在近20多年才出現的，大多數還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大地震的檢驗，因此災難性的震害記錄不多，于是人們普遍認為地下結構在地震作用下所受破壞程度遠比地上結構輕。但在1995年日本阪神大地震中，神戶(hù)市地鐵車(chē)站及區間隧道遭到嚴重破壞的事實(shí)給這種傳統觀(guān)念帶來(lái)了巨大的沖擊，引起了眾多地震工作者的極大重視[7-9].阪神地震清楚地表明，在地層可能發(fā)生較大變形和位移的部位，地鐵等地下結構可能會(huì )出現嚴重的震害，因此對其抗震問(wèn)題應給予高度重視。

　　目前研究地下結構抗震性能的主要途徑有：原型觀(guān)測、模型試驗和數值模擬。由于問(wèn)題的極其復雜性，目前還沒(méi)有哪一種手段能夠完全實(shí)現對地下結構動(dòng)力反應進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。一般是通過(guò)原型觀(guān)測和模型試驗結果來(lái)部分的或定性的再現實(shí)際現象、解釋物理機制、推斷變化過(guò)程、總結特性規律和分析災變后果，在此基礎上建立合理的能夠反映實(shí)際動(dòng)力相互作用規律的數理分析模型，發(fā)展相應的數值分析方法；再通過(guò)模型試驗和原型觀(guān)測結果加以驗證。然后對不同抗震設計方案進(jìn)行計算分析，盡可能地再現和模擬其實(shí)際動(dòng)力反應，研究其抗震性能，提出相應的抗震對策。這是研究和評價(jià)地下結構抗震性能的較為合理的有效途徑。

　　阪神地震后，我國對地鐵等地下結構的抗震問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究[10-23]，但仍然缺少實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。為改變目前我國在這一研究領(lǐng)域中的落后局面，需要在理論分析、數值模擬和模型試驗等方面開(kāi)展更為深入的工作，系統地研究地鐵車(chē)站及區間隧道等的地震反應，以圖在抗震分析及設計方法與理論基礎方面有實(shí)質(zhì)性的突破。目前我國地鐵抗震分析及設計中存在諸多問(wèn)題尚待深入研究，其中目前迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要體現在以下5個(gè)方面。

　　1、土-結構動(dòng)力相互作用分析模型

　　強地震作用下，地下結構與地基介質(zhì)可能呈現明顯的非線(xiàn)性、彈塑性狀態(tài)，地下結構與地基之間的接觸面還可能出現局部滑移、脫離等非連續變形現象，除此之外，地鐵地下結構-地基動(dòng)力相互作用分析模型還應該合理考慮地基半無(wú)限性的影響。因此，一個(gè)合理的地下結構分析模型既要考慮對半無(wú)限地基的模擬，還必須全面考慮4種非線(xiàn)性因素：結構材料非線(xiàn)性、結構-地基動(dòng)態(tài)接觸非線(xiàn)性、近場(chǎng)地基非線(xiàn)性與遠場(chǎng)地基非線(xiàn)性。目前對包括鋼筋混凝土等在內的結構材料非線(xiàn)性性質(zhì)的研究相對成熟；結構-地基動(dòng)態(tài)接觸非線(xiàn)性的研究也已經(jīng)取得較大進(jìn)展[24-25]；針對地基半無(wú)限性及遠場(chǎng)地基特性的模擬問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展了多種動(dòng)力人工邊界[26-29]；關(guān)于土的非線(xiàn)性問(wèn)題（尤其是動(dòng)力非線(xiàn)性問(wèn)題）的研究更是發(fā)展出幾十種動(dòng)力非線(xiàn)性本構模型[30]，目前雖然沒(méi)有任何一個(gè)模型具有廣泛的適用性，但針對具體的問(wèn)題也不乏有合理而實(shí)用的選擇。上述問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了相當豐富的成果，但是如何根據這些研究成果構造合理的地鐵地下結構地震反應分析模型還需要進(jìn)行深入的研究和探討。

　　對地鐵車(chē)站及區間隧道等地下結構來(lái)說(shuō)，周?chē)�地基特性對結構地震反應及破壞特征的影響顯著(zhù)。在地震反應過(guò)程中，周?chē)�地基尤其是上覆土層的重力效應對結構地震

　　對地鐵車(chē)站及區間隧道等地下結構來(lái)說(shuō)，周?chē)�地基特性對結構地震反應及破壞特征的影響顯著(zhù)。在地震反應過(guò)程中，周?chē)�地基尤其是上覆土層的重力效應對結構地震反應會(huì )產(chǎn)生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應及地基半無(wú)限性的影響是一

　　一個(gè)比較重要的問(wèn)題。這一問(wèn)題的解決涉及到動(dòng)力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設置。由于目前已有的動(dòng)力人工邊界一般不適用于地下結構-地基系統的靜力分析，因而普遍的解決辦法是針對靜力問(wèn)題和動(dòng)力問(wèn)題采用不同的人工邊界。對于靜力問(wèn)題，采用固定人工邊界或其他靜力邊界（邊界元或無(wú)窮元），而動(dòng)力問(wèn)題則采用動(dòng)力人工邊界，這導致形成了兩個(gè)不同的分析模型。針對不同模型，首先分析靜力問(wèn)題，然后基于靜力分析結果進(jìn)行動(dòng)力分析，最后將兩種分析結果進(jìn)行組合。這種做法不僅麻煩，也不能很好地反映地下結構周?chē)�地基的重力效應對非線(xiàn)性結構地震反應的影響。因而有必要發(fā)展一種對靜力分析和動(dòng)力分析均能適用的靜-動(dòng)力統一人工邊界，并提出直接在靜-動(dòng)力統一人工邊界上實(shí)現地震波場(chǎng)的輸入方法�；�于靜-動(dòng)力統一人工邊界建立一個(gè)可考慮上覆土層的重力效應、實(shí)現強地震動(dòng)有效輸入、合理反映結構材料非線(xiàn)性、結構-地基動(dòng)接觸非線(xiàn)性、近場(chǎng)地基非線(xiàn)性與遠場(chǎng)地基非線(xiàn)性等影響因素的理論分析模型是完善地下結構靜力分析及地震反應分析的合理途徑。

　　2、土-結構動(dòng)力相互作用分析的快速高效算法求解

　　土-結構動(dòng)力相互作用問(wèn)題的方法可以分為解析法、半解析法和數值法等[2，31].由于地下結構的復雜性，解析法和半解析法的使用受到限制，而數值方法的使用最為廣泛。在眾多數值方法中，有限元法由于具有靈活方便、適應性強的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應用。當采用有限元法結合人工邊界對強地震作用下的土-結構開(kāi)放系統進(jìn)行整體分析時(shí)，由于系統非線(xiàn)性的影響，必需采用時(shí)域逐步積分算法完成計算，當所研究問(wèn)題的尺度大、力學(xué)模型的自由度多時(shí)，其分析計算工作量巨大。地鐵地下結構構造復雜，往往又處在一個(gè)復雜的地震動(dòng)場(chǎng)中，雖然目前由于分析手段的限制或出于簡(jiǎn)單滿(mǎn)足工程設計目的考慮，常常采用切片的二維計算模型進(jìn)行抗震分析，但為更深入研究和了解地鐵地下結構的地震反應規律、分析不同地震動(dòng)場(chǎng)的綜合影響，采用地鐵地下結構三維整體模型進(jìn)行研究還是必需的。

　　有限元離散模型中單元尺寸的大小與地震波及傳播介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對于位于土中，特別是軟土中的地下結構進(jìn)行地震反應分析時(shí)，為對土中地震波的傳播有足夠的模擬精度，往往需要采用尺寸足夠小的單元，導致離散模型單元數目很多。地鐵地下車(chē)站的長(cháng)度一般超過(guò)100m，甚至達200m，因而地鐵車(chē)站-地基系統計算分析模型尺度很大，尤其是需要同時(shí)研究地鐵車(chē)站與區間隧道連接處等震害易發(fā)生部位的地震反應及破壞規律時(shí)，計算模型的尺度將更大。在強地震作用下，地鐵地下結構-地基系統的非線(xiàn)性動(dòng)力行為不可避免。雖然通過(guò)引入人工邊界可以選取相對較小的計算區域，但是三維非線(xiàn)性動(dòng)力分析模型（模型尺寸取決于地下結構的尺寸）的采用仍然決定了巨大的計算工作量。因而進(jìn)一步發(fā)展快速高效的計算方法以更有效地降低計算工作量，成為地鐵地下結構-地基系統非線(xiàn)性動(dòng)力相互作用分析模型的推廣應用所需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

　　3、地鐵地下結構地震破壞模式和抗震性能的評估方法

　　動(dòng)力時(shí)程分析方法作為一種可靠的分析手段適用于深入研究地鐵等地下結構抗震理論，而對于評估地下結構承載力極限狀態(tài)和進(jìn)行常規的地鐵地下工程抗震設計，還需要發(fā)展簡(jiǎn)便和實(shí)用的分析方法。借鑒目前建筑結構的抗震設計方法，發(fā)展新的評估地鐵地下結構地震破壞模式及抗震性能的方法是很有意義的。我國GB50011—2001《建筑抗震設計規范》規定建筑抗震設計需要進(jìn)行大震作用下結構的彈塑性變形驗算，對于地鐵地下結構尤其是地鐵車(chē)站結構來(lái)說(shuō)，大震作用下的彈塑性變形驗算無(wú)疑也是必要的。目前常用的彈塑性分析方法包括靜力增量分析法、動(dòng)力時(shí)程分析法和靜力彈塑性分析方法（Push-over方法）。靜力增量分析法相對簡(jiǎn)單，但沒(méi)有考慮到地震作用與結構自振特性之間的密切關(guān)系。動(dòng)力時(shí)程分析法由于能夠計算地震反應過(guò)程中各時(shí)刻結構的內力和變形狀態(tài)，給出結構開(kāi)裂和屈服的順序，發(fā)現應力和塑性變形集中的部位，從而可以判明結構的屈服機制、薄弱環(huán)節及可能的破壞類(lèi)型，結果也較為準確，但其計算工作量大，計算結果受地震波選取的影響，用于常規的抗震設計還有一定的困難。相對上述兩種方法來(lái)說(shuō)，Push-over分析方法是一種新的結構抗震分析方法，這種方法既比較簡(jiǎn)單，又可以比較準確地評估地震作用下結構的反應情況，因而得到了廣泛的研究和應用[32-35].由于地下結構與地上結構地震反應規律和特點(diǎn)并不完全相同，因此到目前為止，適用于建筑結構抗震分析的Push-over方法還無(wú)法應用于地鐵車(chē)站等地下結構的抗震設計。另外，由于受到周?chē)�地基約束，地下結構的變形形式不同于地上結構。相對地上結構來(lái)說(shuō)，地下結構在整體發(fā)生較小變形時(shí)局部的內力可能會(huì )很大，因此也不能簡(jiǎn)單地套用地上結構變形的極限值推算地下結構在中震或大震作用下的極限狀態(tài)，必須進(jìn)行深入的理論分析和試驗研究，了解地鐵車(chē)站等地下結構的內力-變形規律及破壞模式，并在此基礎上提出地鐵地下結構抗震性能定量化評價(jià)指標體系。因此需要發(fā)展一種能夠適應于地鐵地下結構的Push-over分析方法，考慮地下結構受周?chē)�地基約束的特點(diǎn)，提出地下結構基于位移的抗震分析及設計方法，以突破現有承載力設計方法的限制，從而使地鐵車(chē)站等地下結構的抗震設計更為合理和簡(jiǎn)便。

　　4、地鐵地下結構的抗震構造措施[36]

　　目前我國對地鐵車(chē)站及區間隧道等地下結構抗震設計中結構構件應采用的抗震構造措施還缺乏統一認識。一種觀(guān)點(diǎn)認為單建的地下結構由于受到地層的約束，地震時(shí)構件不大可能出現交變內力，無(wú)須特別考慮抗震構造措施；當地下結構與地面建、構筑物合建時(shí)，才需按地面結構的抗震要求考慮構造措施。另一種觀(guān)點(diǎn)認為基本可以照搬地面民用建筑結構的要求，例如，抗震設防烈度7度的城市，即按8度采取相應構造措施，并將抗震等級提高一級。比較看來(lái)，這兩種觀(guān)點(diǎn)都有一定的片面性，前者完全忽視了地震對單建地下結構可能造成的破壞；后者又完全把地下結構等同于地上結構。實(shí)際上應該區別不同的圍巖條件和施工方法，根據地下結構在地震作用下的受力和破壞特點(diǎn)有針對性地采取抗震措施�？拐饦嬙齑胧┦翘岣吆庇龅卣饡r(shí)結構整體抗震能力、保證其實(shí)現預期設防目標、延遲結構破壞的重要手段，它可以充分發(fā)掘結構的潛力，在一定條件下，比單純依靠提高設防標準來(lái)增強抗震能力更為經(jīng)濟合理。這方面工作的重點(diǎn)應放在改善薄弱部件的受力和提高結構構件的延性及耗能能力上。有關(guān)地鐵工程抗震構造方面存在的其他問(wèn)題還很多，如抗震縫的設置原則和方法，后砌的內部承重結構和非承重隔墻的抗震構造要求等。

　　目前GB50011—2001《建筑抗震設計規范》規定，建筑物選址應避開(kāi)地震活斷層，以防止地震時(shí)斷層運動(dòng)而引起的破壞。對于地上單建的建筑結構，這一方法是可行的。地鐵地下車(chē)站作為地鐵系統中的關(guān)鍵樞紐，也可以通過(guò)合理的選址方案，避開(kāi)地震活斷層。但是地鐵線(xiàn)路走向基本上取決于交通功能的要求，因此地鐵區間隧道穿越地震斷層有時(shí)是不可避免的。目前對埋地管線(xiàn)等小斷面地下管道跨越斷層時(shí)的抗震設計方法已經(jīng)有所研究[17，37-39]，但是地鐵隧道無(wú)論是在結構尺寸上還是在結構構造和材料性質(zhì)上與小斷面地下管線(xiàn)均有所不同，目前對諸如地鐵區間隧道等大斷面隧道跨越地震斷層的抗震問(wèn)題還缺乏研究，雖然很多地鐵隧道在跨越地震活斷層時(shí)不得不采取特殊的設計方案和工程措施，但還缺乏針對這些設計方案和工程措施的系統理論分析。

　　我國在十五期間將投資27億元人民幣建設“中國數字地震觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )”[40]，地震活斷層探測系統是其中重要的組成部分。這表明目前我國對大城市地震斷層問(wèn)題已經(jīng)給予了足夠重視，很多重要城市已經(jīng)針對地下斷層開(kāi)始了勘探和研究工作，其中對地震活斷層可能引發(fā)的地震及可能造成的破壞是重點(diǎn)考慮和研究的對象。隨著(zhù)對北京等重大城市地下地震斷層勘探工作的開(kāi)展和對地震斷層活動(dòng)性的掌握，針對地鐵區間隧道等地下隧道跨越地震活斷層時(shí)的抗震設計及工程措施將是抗震工作者和工程設計人員不得不面對和需要解決的實(shí)際問(wèn)題。

　　5、結語(yǔ)

　　地鐵地下結構是重要的生命線(xiàn)工程，造價(jià)高，使用周期長(cháng)，一旦發(fā)生破壞，修復困難，直接和間接經(jīng)濟損失巨大。目前我國地鐵建設已經(jīng)進(jìn)入高潮，其中很多地鐵工程建設在高烈度地區，同時(shí)我國缺少完善的地鐵地下結構抗震分析方法和有效的抗震構造措施，因而開(kāi)展深入系統的理論分析、試驗研究及數值模擬，發(fā)展合理而可靠的地下結構抗震設計理論和方法，完善地下結構抗震構造措施，確定優(yōu)良的地下結構抗震體系，均具有重要的科學(xué)意義同時(shí)具有重要的工程應用價(jià)值。