摘　要　地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震发生之前,很少有大型地下结构在地震中严重破坏的报道。然而,阪神大地震中,包括诸如地铁车站及区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出现严重的破坏,使人们对地下结构的抗震安全性产生怀疑。初步研究表明,地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征,在某些情形下,同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。

　　1 前言

　　随着社会经济的发展和城市人口的激增,地面交通愈来愈不堪重负。为了减少地面交通量,人们开始寻找新的交通模式,地铁应运而生。自北京建成地铁以来,目前我国天津、上海、广州已相继建成地铁1号线,南京、青岛、大连、深圳等城市正积极开展修建地铁的筹备工作。据不完全统计,在全国21个百万人口以上的城市中将筹建33条总长为649km的地铁和轻轨。几条海底隧道和过江隧道也正在积极论证中。

　　我国地处于环太平洋地震带上,地震活动性非常频繁,是世界上最大的一个大陆浅源强震活动区。根据现行地震烈度区划图,我国大部分地区为地震设防区,在全国300多个城市中,有一半位于地震基本烈度为7度乃至7度以上的地震区,23个百万以上人口的特大城市中,有70%属7度和7度以上的地区,像北京、天津、西安等大城市都位于8度的高烈度地震区,南京也位于7度区内。

　　地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的,地面结构的抗震研究也达到实用阶段,各国已制订了各种地面结构物的抗震设计规范;对地下结构的地震破坏却知之不多,地下结构的抗震研究才刚刚开始,现在还没有地下结构抗震设计的规范。国内除了对地下管线的抗震作过一些分析外,对于像地铁车站及区间隧道等这样的大型地下结构很少涉及。这是因为:和地面结构相比,面波随着埋深的增加急剧衰减,对地下结构的影响较小;地下结构周围的岩土介质把从震源传来的地震波能量中的高频成分吸收,使地下结构受到的地震荷载大大减小;同时地下结构的数量不多,并且大部分是小型地下结构如地下管线等,因而地下结构震害数量较少,程度较轻,地下结构严重震害事例更是寥寥无几。工程界只片面强调地下结构受四周地层制约、抗震性能较好的一面,人们简单认为地下结构在地震时是安全稳固的,致使地下结构抗震研究严重滞后于地面结构抗震研究。随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大,地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。

　　2 地下结构在地震中的动态反应特性

　　地下结构在地震作用下,由于周围岩土介质的存在,会发生不同于地面结构的响应。地震以地震波的形式传播能量,当地震波从基岩传入场地时,土壤介质在地震波的作用下,会产生运动(通常是放大作用),同时将运动传递给地下结构。对于小断面地下结构,在动力荷载作用下,土结构相互作用可以忽略,此时地下结构随自由场土介质一起运动,因而动应力较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土-结构间的刚度失配时,地下结构会产生过度变形导致地下结构的破坏。此时,地下结构与周围岩土介质之间会发生运动相互作用和惯性相互作用。考虑动力相互作用对结构体系的影响主要有:(1)作用在土结构体系的地震输入运动会发生变化;(2)由于土的存在,体系变得更加柔性,使结构感觉到的输入相当小;(3)从结构物向外传播的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼,对于近似弹性半空间的土壤场地,这种阻尼的增加很明显,导致动力反应急剧降低。

　　根据大量的地震观测,发现地下结构与地面结构反应特性的差异主要表现为:(1)地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,结构的动力反应一般不明显表现出自振特性,特别是低阶模态的影响;(2)线形地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大,入射方向发生不大的变化,地下结构各点的变形和应力可以发生很大的变化;(3)地下结构在振动中各点的相位差别十分明显;(4)地下结构在振动中的主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显,对地下结构动力反应起主要作用的因素是地基的运动变形,而不是地基加速度。

　　地下结构的破坏有以下主要特征:(1)地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域,如地层由硬质到软质的过渡地带,或由挖土到填土的过渡地带。在这些区域内,由于区域、地质条件的变化或地形的变化,地层振动及位移响应也有较大不同,因而在其中产生大的应变,使地下结构遭受破坏。相反,若某一地区地层较为均匀,即使地震中的烈度较大,其中的地下结构也往往会较为安全。这一点不同于地面结构。(2)在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位也容易发生破坏。墨西哥地震中发生的盾构法

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