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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
　　（1）橫向剪切移位錯臺（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，導致橫向剪切破壞。如臺灣某輸水隧道在進水口下游180m處，隧道水平左右位移造成隧道嚴重破壞。
　?。?）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；
　?。?）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；
　?。?）地下結(jié)構(gòu)的地震反應與土層分布、土層動力參數(shù)等密切相關；

　　8.1.2條規(guī)定了隧道的地震作用計算采用靜力法，在驗算強度時采用安全系數(shù)值評定。


　　2.2公路行業(yè)對隧道結(jié)構(gòu)抗震設計的規(guī)定

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

　　上述條文解釋：（1）靜力法計算簡便，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）對圍巖壓力的計算理論尚在進一步探索中，采用精確理論計算實際意義不大。
 
　　2.3　城市軌道交通區(qū)間隧道抗震設計的規(guī)定

　　該規(guī)范首次考慮了地層變位對地下結(jié)構(gòu)抗震的影響，通過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)抗震設計理念上初次與國際接軌。

　　2.4 目前各設計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，難以反映真實情況；
　　（2）無法考慮土層與結(jié)構(gòu)的相互作用，與地下結(jié)構(gòu)的地震實際作用機理出入較大；
　　（3）對隧道結(jié)構(gòu)，不管是采用集中質(zhì)量還是連續(xù)質(zhì)量模型都難以計算式中隧道質(zhì)量m；
　　2　反應位移法
　　地震引起地下結(jié)構(gòu)或地層的各種變化稱為地震反應，其表現(xiàn)形式為位移、速度及加速度，故稱為反應位移法、反應速度法、反應加速度法。
　　•反應位移法是日本學者在20世紀70年代提出的。日本學者在觀測中發(fā)現(xiàn)，周圍地基變形對隧道結(jié)構(gòu)的地震響應的影響要遠遠大于慣性力的影響，在此認識的基礎上，提出了反應位移法。
　　•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土彈簧施加給隧道結(jié)構(gòu)，然后再計算隧道的內(nèi)力。該方法可以考慮不同的地震波入射角度及行波效應，計算量相對較小，可以通過數(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計規(guī)范》有規(guī)定，但目前應用還不全面。

三、地下結(jié)構(gòu)抗震特點
　　地下結(jié)構(gòu)的縱向尺寸遠大于橫向斷面尺寸，并置于被地基土包圍的地下空間半無限體內(nèi)，其地震反應具有如下特性：
　　（1）地震時地下結(jié)構(gòu)的振動變形受周圍地基土的約束顯著，結(jié)構(gòu)的動力反應一般不明顯表現(xiàn)出自振的影響；另外，地層的剛度遠大于結(jié)構(gòu)的剛度，地層的變形迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應的變形，即具有變形的跟隨性；；
　?。?）隧道的延米質(zhì)量比失去土體的質(zhì)量小，地震時作用于管片的慣性力比作用于周圍土體的慣性力??；
　?。?）地震的振動能量被周圍土體吸收而衰減很大，且具有對地震產(chǎn)生的振動不易激發(fā)的特點，即無自激振動特性；
　?。?）地震波傳播過程中，具有時間上的變化特性和明顯的空間變化特性，其行波效應明顯。
　　（5）地基土的運動特性對結(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)的抗震設計
　　4.1　反應位移法基本假定：
　　（1）地下結(jié)構(gòu)位于均質(zhì)、連續(xù)的半無限體內(nèi)；
　?。?）地震時，地下結(jié)構(gòu)與圍巖土體間存在相互作用，該作用可以通過土彈簧來模擬；
　　（3）地震時，土體對地下結(jié)構(gòu)的作用沿法線或切線進行 ；
　　（4）地震波傳播過程中，具有時間上和空間上按正弦波形式進行傳播，在其完整波長范圍內(nèi)忽略波的衰減。
　　4.2　按反應位移法計算隧道結(jié)構(gòu)的橫向地震作用
　　1、地層參數(shù)計算
　　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，抗震計算時須換算成單一地層進行。
　?。?）換算單一地層的容重：
　　
　?。?）考慮地震對地層應變影響時的換地層彈性剪切波速：
　　　
　　（3）動剪切變形系數(shù)
　　
　?。?）壓縮變形系數(shù)

　　2、計算地層位移值

　　假定橫向地震時，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
　　
　　為振動基準面位移速度譜值，為表層地基土的固有自振周期（S），H為振動基巖面埋深，根據(jù)GB 50011—2010 第4.1.4 條確定；為地震動峰值位移值。
　　根據(jù)計算的地表水平位移，按下列式可計算出隧道截面的內(nèi)力。
　　　

　　　　　　
　　4.3 按反應位移法計算車站結(jié)構(gòu)的橫向地震作用
　　1、節(jié)點質(zhì)量的簡化
　　對地下車站結(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）。

　
　　　—集中指點的最大加速度值，可??；


　　3、結(jié)構(gòu)外側(cè)壁的相對剪應力
　　可取結(jié)構(gòu)頂?shù)装逄幖魬Φ钠骄?，即?br />  
　　其中、　可按下式計算：
　　4、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算
　　按照計算簡圖和地勘報告中的水平、豎向土彈簧剛度值，即可計算出車站結(jié)構(gòu)在橫向地震作用下的內(nèi)力。
　　4.4　按反應位移法計算隧道結(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
　　1、地下結(jié)構(gòu)的地震震害雖然相對于地上結(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重的；
　　2、現(xiàn)行鐵路及公路規(guī)范中的靜力地震計算方法，與地震時地下結(jié)構(gòu)與圍巖作用機理相去甚遠，難以反映地下結(jié)構(gòu)與圍巖運動特性密切關系；
　　3、反應位移法實現(xiàn)了地下結(jié)構(gòu) 抗震方法與國際的接軌，但目前的 應用還不盡完善，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根據(jù)縱向水平地震作用彎矩設計？

　　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)交流研討會分會場報告，報告人：陳代秉）