通过动荷载下地下洞室破坏资料的收集、整理，对动荷载下地下洞室的破坏进行了分析概括，得出地下结构的破坏因素、地下结构的破坏类型以及地下结构的破坏结论，并提出地下结构抗震问题的研究方法，为防止地震对地下洞室的破坏提出减灾的一些措施和结论。

 

1、前言
随着城市化进程加快、城市人口的激增和交通工具的密集，使有限的城市空间资源不断超荷，城市用地严重不足，城市环境问题日益严重，地下空间的开发已成必然趋势。然而，我国是地震多发区，地震对我国造成的危害很大。尤其近一段时间，由于世界地壳板块的活动有增加的趋势，所以近一段时间地震也较为频繁的发生在世界各地。然而，由于我国位于世界两大地震带—环太平洋地震带和欧亚大陆地震带之间，区域地震十分活跃和频繁，特别是西部省份。就2008一年中国而言，地震发生频率明显比去年增加，具统计2008年世界发生6~6.9级地震有50次，7~7.9级地震有35次，大于等于8级以上地震3次。尤其在2008年5月12日发生在四川汶川的8.0级大地震，给边坡、水库及地下洞室等等带来了巨大的破坏作用，同时也给社会带来了巨大的灾难，造成了巨大的经济损失及人员伤亡。随着我国西部大开发战略的实施，一大批大型水利水电工程已经或即将在我国西部营建，如总装机容量超过三峡工程三倍的金沙江流域溪洛渡、向家坝、白鹤滩、乌东德水利枢纽工程，位于雅砻江的锦屏I、II级水利枢纽工程，位于大渡河的瀑布沟水利枢纽工程，位于乌江的彭水水利枢纽工程以及位于大渡河、雅砻江和通天河上游的南水北调西线工程等。这些大型工程的建设是缓解我国能源以及水资源匮乏的重要手段，对维系我国国民经济的可持续发展起着至关重要的作用。虽然已证实地震对地下结构的破坏远小于地面结构，但随着地下空间开发利用规模的不断加大和国家基础设施建设的迫切需求，开展地下抗震研究的必要性和紧迫性也日益明显。而鉴于研究的不完善，因此研究地震动作用下的地下洞室的破坏有很大的意义。
2、地下结构的破坏特征
在地震动作用下，地下结构与地上结构动态反应存在差异。①地下结构的振动变形受周围介质的约束作用明显，在结构的动力反应中结构的自振特性反应不明显，特别是低级模态的影响；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地下结构在振动中的主要应变与地震加速度大小的联系不很明显，对地下动力反应起主要作用的因素是地基的运动变形，而不是加速度④地下结构在振动中的相位差别十分明显。由于与地面结构存在差异，因此地下结构在地震动作用下的破坏形式也呈现差异。
地下结构的破坏因素：
（1）地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域，地质条件复杂的地区。在这些区域中，由于地质条件或地形的变化，地层振动及位移响应也有较大不用，因而在其中产生大的变化，使地下结构遭受破坏；
（2）地下结构的振动受周围介质约束作用明显，大量事实已证实地下结构较地上结构受震害程度要轻；内用水泥浆衬砌的比没用的要安全，通过稳定隧道周围的介质和提高隧道与周围介质的接触将减少震动破坏；
（3）地下结构与断层、滑坡、液化区域、软弱带相交的部位等在地震时易造成破坏，地下结构穿过不良地质区域也易造成破坏；
（4）在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位容易发生破坏，地下结构的端口由于端口的滑移也容易发生破坏；
（5）地震动荷载作用下，地下结构与周围介质一起产生运动，当结构存在明显惯性或与周围介质刚度失配，结构会产生过度变形而破坏；
（6）由于持续震动会造成疲劳破坏并产生大变形，因此地震时强烈震动的持续作用时间对地下结构的破坏影响显著；
（7）高频震动会造成隧道（尤其是距离较短的有断层的隧道）的一些局部破坏；若地震波的波长介于1－4倍隧道直径，震动影响范围将扩大；
（8）有以上多种原因造成的破坏。
3、地下结构的破坏类型
地震是人类的重大灾害，地震动对地下结构造成重大灾害（尤其是1999年台湾集地震和1995年日本阪神地震等对地下结构产生较大的破坏）。使的人类增加了地震动对地下结构方面的研究。在地震作用下地下结构破坏的原因很多，归纳起来造成地下结构破坏的原因有以下一些方面：①从地下结构破坏的特性有：地下结构的摇晃或振动、断层交叉、地震引起地层破坏（液化、断层、滑坡等地质灾害）。②从受力方面分析地下结构所造成的破坏有：弯曲破坏、剪切破坏、弯剪联合破坏。其中地表层的剪切振动破坏是地层产生位移动主要因素,它对隧道中产生的地震应变影响最大。③从动态地震波方面分析波在地下洞室传播时对地下结构造成的变形破坏分为：axialcompressionandextension（轴向压缩和变形）；longitudinalbending(纵向弯曲)；ovaling/rackingdeformation（斜变形）。④从现场地震动对地下洞室具体破坏分析有：线性折断（shearedofflining）、滑坡导致隧道倒塌（slopefailureinducedtunnelcollapse）、纵向破裂（longitudinalcracks）、横向断裂（transversecracks）、倾斜断裂（inclinedcracks）、延伸错动破裂（extendedcrosscracks）、人行道或底部破裂（pavementorbottomcracks）、墙变形（walldeformation）、在开口处的破坏（cracksthatdevelopnearopening）。
经过大量的研究地下洞室的破坏资料研究发现，得出一些地下洞室破坏结论：
1）、在一定的厚度范围内，由于地应力的作用，地下结构的破坏随覆盖层厚度增加而减少；
2）、破坏可与预计的峰值地面加速度有关(峰值地面加速度取决于地震震级和震中矩)；
3）、修建在极软介质中的地下工程比修建在坚硬岩石中的破坏大；
4）、地震相邻地层间的相对位移是影响结构破坏的主要指标；
5）、水平地震动作用下将产生较大的水平剪力和弯矩，中柱常发生剪切破坏；
6）、竖向振动将增加中柱的轴力，造成中柱的破坏，水平与竖向振动加剧中柱的破坏；
7）、地层条件及截面尺寸的变化在相邻地层相邻构件产生的竖向相对位移对结构内力有较大的影响；
8）、对称结构破坏程度小于不对称结构，受对称作用力作用下的破坏也较小；
9）、垂直洞轴的水平地震作用对洞体侧壁的稳定威胁最大，铅直上下地震作用则可能会使拱顶下落；平行洞轴的水平地震作用对洞体稳定威胁较小，但应注意洞口岩体可能外崩；
10）、上层破坏比下层破坏严重，线性且用薄泥浆的隧道比无衬砌更安全；


11)、地下结构破坏小于地面结构，隧道入口的破坏明显，地震动常造成断层等一些地质对地下洞室的破坏
4、地下结构抗震研究发展概况
近年来，随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构抗震问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视，特别是1995年日本阪神大地震后，由于神户市地铁结构发生严重破坏，引起众多地震学者的关注，使地下结构抗震研究出现前所未有的热潮，成为地震工程界重要的研究方向。
地下结构抗震理论是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的。上世纪50年代以前，国内外地下结构的抗震设计都是以日本学者－大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构的地震作用力。上世纪60年代初，前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构(拟静力法)，以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力应变状态,得出了地下结构地震力的精确解和近似解。并且前苏联在修建贝-阿干线(BAM)地震高烈度区铁路隧道时十分重视隧道衬砌的抗震设计，在塔什干、埃里温地下铁道建设中也采用了抗震的车站和区间隧道结构。上世纪60年代末，美国旧金山海湾地区在建设快速地铁运输系统时(BART)，对地下结构抗震进行了深入研究，他们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，同时还不散失其承受静载荷力等新的设计思想，并以此为基础提出了抗震设计标准。美国在上世纪80年代洛杉矶(LOSANGELES)地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。上世纪70年代，日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验,建立了教学模型，并结合波的多重反射理论，提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算法，使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。而且在沉埋隧道的设计中,他们还率先采用了反应位移法；另外为了防止和减轻地震对隧道造成的危害，他们又将隧道抗震的思想贯穿到选线、设计、施工、维修、改造的全过程。我国学者在地下结构抗震方面也做了部分工作。尽管如此，事实上就地下结构抗震设计方法，只是到了上世纪70年代后期，在日本地下结构的抗震设计方法才在水道、沉埋隧道以及核电厂等的抗震设计中初步得到体现。上世纪80年代末90年代初，J.P.Wolf和C.M.Song又提出了递推衍射法。
5、国内外地下结构抗震研究方法
20世纪70年代以来，人们把结构的抗震设计分为两大部分：即抗震计算设计和抗震概念设计。抗震计算设计是对地震作用效应定量的设计；抗震概念设计则包括正确的场地选择，合理的结构造型和布置，正确的构造措施等。这种思想方法同样适用于地下结构设计。由于地震活动的复杂性和不确定性，隧道与地震波斜交轴向变形，材料特性的时变效应，结构阻尼随变形而变化，围岩介质与结构的共同作用等因素在结构动力分析中难以确切的考虑，使目前的地下结构抗震计算仍处于低水平，远未达到科学的严密的程度。
因此，目前要使地下结构具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。目前地下结构抗震问题的研究方法主要有：
（1）野外观察和地震观测：
野外观测主要观测外部影响因素（如地震烈度、场地土条件、埋深、结构构造特点及尺寸等）。地震观测就是通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的震害特点，其中有地震反应分析：以地震波的传播为理论基础，根据地震加速度的惯性作用来掌握地下结构的动力特性。通过以上来掌握地震对地下结构直接破坏的现象，以进一步来分析地震动对地下结构的破坏。
（2）实验研究；
实验研究分为人工震源实验和振台实验。前者由于起振力小，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洞室地震反应的影响；相反后者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，因此振台实验在国外和国内中应用广泛。
（3）计算理论分析。
地下结构在地震荷载作用下的理论分析方法主要有子结构分析法、有限元分析法和地震响应地分析方法等。子结构分析法将结构和地基看作是不同的子结构，分别求出它们各自的状态或动力刚度，然后综合；有限元分析法将结构与地基作为整体进行离散建立在线性及非线性的总体线性方程组对地震响应进行分析；地震响应地分析方法主要有一维地震反应分析法和二维动力有限元法，动力离散元法，对结构进行动态分析。
经过前人对地下结构在地震下破坏分析和总结，总结出一系列详细的地下结构抗震研究理论方法：ST.John法（不考虑土与结构相互作用并引入柔度比，简化了地基状况和输入运动来进行理论分析，且仅适应于线形）；Shukla法（以弹性地基梁原理，采用拟静力法并考虑土与结构相互作用关系，简化了地基状况和输入运动来进行理论分析，且仅适应于线形）；反应位移法（略去结构本身惯性力的影响，认为结构地震响应仅取决于结构所在位置的地层变化，地下结构简化成拟静力计算），在反应位移法基础上又发展了两种方法（围岩应变传递法和地基抗力系数法）；BART法（假定土体并不因地震作用而丧失载体稳定性，地震作用只引起地下结构的振动效应）；福季耶娃法（简称拟静法，假设岩土体为线弹性变形介质，地震作用引起隧岩应力及衬砌内力计算归结加固孔口应力集中的线弹性理论动力问题）；递推衍射法；时程分析方法。
虽然上述方法在一定程度上可以进行地下结构抗震设计。但有些方法应用范围狭窄，且有粗略和近似，过于简单化和没考虑衰减系数，所以若准确反映地下结构的动力特性将采用动力有限元法（地基变形是随时间而变化，要考虑动力输入影响）。目前可以应用动力离散元法UDEC，FLAC，FLUSH，ANSYS，ABAQUS等一些动力分析软件，采用动力离散、动力有限元、动力有限差分来更全面的分析地震动对地下结构的破坏。但目前这些方面的工作还不系统，还有待发展。
6、防护减震措施
地面及地下结构的震害主要分为两类，一类是由震动破坏造成的，地震作用使结构物产生惯性力，附加于静荷载之上，最终导致总应力超过材料强度而达到破坏状态。大多数结构的震害属于这一类。减轻这一类震害的措施是加强结构的抗震能力，在改善结构几何形状，强度，刚度，延性和整体性上想办法。另一类震害是由地基失效引起。也就是说结构本身具有足够的抗震能力，震动作用本来不致破坏，但是由于地基沉陷，失稳等原因导致结构开裂，倾斜，下沉，或者使结构破坏，结构不能正常使用。为了减轻这类灾害，有效的措施使通过各种方法加固地基（或避免采用容易失效的地基），而不是盲目的采用措施加强上部结构。
虽然地震的发生不可预知，地震动对地下结构也造成巨大的破坏。但我们仍可以根据震害特点及动态反应分析，来采取以下措施来减轻地震动对地下结构的震害：
（1）地质方面：选址时考虑地下结构应置于均匀、稳定地层，远离断层、风化带及液化区，避开地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地震带上可能发生地层错位部位，避免过分靠近山坡坡面和不稳定地段，尽量避免饱和砂土地基和特殊土。无法避开上述不良地址区段时采用地基处理的措施，防止车站和隧道局部突沉及液化沉陷；
（2）结构方面：应采用对称结构，避免截面尺寸变化过大，结构中的节点应尽量采用弹性节点，区间隧道转弯处交角不应过大，由于出口处较易受损，应加强出口处的抗震设防；
（3）埋深方面：在条件许可的情况下尽量增加隧道的埋深，以减轻震害；对于液化区域，应使结构底板埋入液化深度以下稳定土层深度不应小于500mm；
（4）抗震缝设置方面：沿隧道纵向隔一定距离设置抗震缝，以减轻变形的累加，减轻震害；另外适当设置伸缩缝、施工缝、沉降缝，加强区间隧道、桥与车站的连接部位的抗震性能；
（5）施工方面：在条件允许的情况下，尽量不采用明挖法施工，若采用注意回填土的性质要与地基土类型相似且回填物质尽量避免是循环移动物质；
（6）加固方面：内用水泥浆衬砌的比没用的要安全，通过稳定隧道周围的介质和提高隧道与周围介质的接触将减少震动破坏，所以通过加固隧道与周围介质可以减少破坏效应；
（7）设计方面：考虑确定动态周围情况和动态参数的分析；评估地面在震动下的反应，包括地面断裂和变形情况；评估结构在地震时的行为，包括确定设计地震荷载标准；在地面变形下的结构反应，特殊动态设计情况。
（8）在条件允许的条件下，采用现代高科技、信息系统对地下结构采取实时预警系统，尽早采取措施，减少灾害的发生。
8、结论
地震动对地下洞室的破坏是巨大的，而现在在地震对地下洞室方面的研究还不成熟，尤其是动态地震动对地下结构的破坏还不成熟、研究还不系统。因此有必要开展更多的研究,减少地震对地下结构的破坏。