通过活断层区地铁隧道地震反应分析

【摘要】地铁隧道作为生命线工程的重要组成部分，其抗震问题日益受到关注。早期人们认为地下结构受周围土体的约束，具有良好的抗震性能，但1995年日本阪神地震造成了神户市部分地铁车站和区间隧道受损严重，震后修复困难，产生巨大的经济损失，才使人们意识到地下结构的抗震问题也不容忽视。我国是世界上多地震国家之一，处于活动期的断层在我国分布较广，为避免使结构遭受活断层错动引发的震害，避让措施成为地铁隧道建设选线设计中的首选。然而，为了满足交通功能的需要，在许多情况下地铁线路的走向不可避免的要经过活断层，活断层错动及地震动作用会对地铁、隧道等地下工程构成严重威胁。目前对于通过活断层区隧道抗震方面的相关研究不够深入，还没有制定合理完整的跨断层地下结构抗震设计规范。为了研究通过地震活断层区地铁隧道的地震反应特征及损伤破坏机理，发现其抗震薄弱环节，以便为其抗震设计和安全性评价提供参考依据，本论文主要完成了以下研究工作：1.搜集了世界范围内活断层断裂引发地表位错的历史震害资料，采用统计回归分析方法根据所搜集的震害数据回归拟合了不同断层类型基岩位错与震级之间的统计关系式。基于拟静力弹塑性有限元方法编制的覆盖土层地震断裂分析软件，研究了不同土层性质下的地表断裂位错，经过大量的计算分析分别建立了走滑断层位错作用下地表位错与震级、覆盖土层厚度之间的关系式，以及逆断层位错作用下地表位错与震级、覆盖土层厚度、断层倾角之间的关系式，而不仅仅局限于根据震级大小来估算地表位错，以便能够较准确地根据断裂可能发生的地震震级估计工程场地可能出现的地表位错。研究指出增加基岩上覆土层厚度能够减轻地表的破坏程度，场地土为粉质粘土时产生的震害相对于场地土为粘土时要重。2.以北京地铁7号线的区间隧道作为工程背景，基于拟静力有限元方法，利用损伤指标研究了隧道衬砌结构在不同断层类型位错作用下的损伤破坏机理，重点分析了结构损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度。研究结果表明，正、逆断层位错作用下，隧道衬砌拱顶部位最先出现损伤且损伤最为严重。走滑断层位错作用下，衬砌结构拱腰部位最先出现损伤且损伤最为严重。隧道衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内。通过对不同工况进行大量的计算分析建立了不同断层类型位错作用下，可不考虑断层位错影响的临界覆盖土层厚度与断层位错量之间的关系式，回归拟合了能够估计隧道结构在断层位错作用下的损伤区域范围以及破坏最严重处的位置的关系式，为通过活断层区埋地隧道的抗震设计提供了参考依据。根据计算结果给出了适用于北京地区，针对不同震级情况下，可不考虑活断层错动对于浅埋隧道影响的工程场地覆盖土层厚度值。此外，从衬砌厚度、衬砌外径、土层性质、隧道埋深和隧道与断层的交角五个方面对减轻地铁隧道震害的影响因素进行了分析。3.对在地震荷载作用下结构响应的应变率范围内混凝土和钢筋材料的动态强度特性和变形特性进行了试验研究。利用试验结果对《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中给出的混凝土静态本构模型进行了修正，建立了混凝土动态损伤本构模型，并研究了混凝土的损伤值与应变速率之间的关系，分析了在高应变率下混凝土损伤产生滞后现象的原因。4.通过在有限元软件中嵌入合理的混凝土动态损伤本构模型，考虑了损伤与应变速率之间的关系，采用数值模拟方法研究了活断层错动速率对隧道结构抵抗断层位错的能力、变形特性以及破坏形态的影响。计算结果表明，随着活断层错动速率的增加，隧道结构在弹性阶段抵抗断层位错的能力呈现出提高的趋势。断层错动速率越快，隧道结构的变形能力越差，结构破坏的越突然，破损程度越严重。5.通过在有限元模型中施加无限元边界，合理的模拟了半无限域空间土体，实现了计算区域无限大的特点。通过算例验证了无限元边界能够很好地模拟波动穿过边界的情况，与实际波动在土体中的传播规律基本相符。建立了地基土‐隧道体系整体有限元、无限元耦合模型，选用3条典型地震波作为地震动输入，对隧道结构进行了地震反应时程分析，总结了在地震动作用下隧道结构的震害特征与破坏机理。计算结果表明，拱顶部位是整个结构地震反应中相对较为薄弱部位。
【作者】赵颖；
【导师】郭恩栋；
【作者基本信息】中国地震局工程力学研究所，桥梁与隧道工程，2014，博士
【关键词】活断层；地表断裂位错；拟静力；损伤；错动速率；时程分析；

【参考文献】
[1]刘祥田.佩珀生态社会主义理论及当代价值研究[D].山东大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[2]朱华虹.声纹特征模板保护方法研究[D].华南理工大学,2014.
[3]王玮.超高碳钢的贝氏体组织形成特征研究[D].天津理工大学,材料学,2013,硕士.
[4]李继茹.激活素A和脂多糖对小鼠腹腔巨噬细胞的活化作用及其机制研究[D].吉林大学,免疫学,2013,硕士.
[5]李大勇.荆州市植保社会化服务发展问题与对策研究[D].中国农业大学,种植业,2004,硕士.
[6]王凯,蔺永政,石冰.基于数据仓库的房地产投资决策支持模型[A].中国科学技术协会.第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C].中国科学技术协会:,2002:4.
[7]代曼漫.语用标记等效原则探析[D].四川外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[8]杨勇.徐州城市洪水的特征分析与对策研究[J].水利规划与设计.2005(03)
[9]孙海红.义务教育择校治理政策执行失真研究[D].西南大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[10]胡北稳.应用于伺服系统的12位、40MHz Pipelined ADC设计[D].华中科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[11]金晖.中日两国重点大学大学生参加课外体育活动的现状及影响因素的比较研究[D].中国矿业大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[12]张龙.石墨烯及石墨烯基材料的控制制备与超级电容器应用研究[D].南开大学,2013.
[13]卢卫芳.绝缘体上锗（GOI）纳米带的制备及其应变机理研究[D].厦门大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[14]胡亮华,王小琴,宁文生,刘化章.干燥温度对Co/SiO_2费托合成催化剂结构和性能的影响[J].工业催化,2011,10:14-18.
[15]游自强,王长符,孙力,王艳.PLC在大型活性石灰成套设备中的应用[J].冶金自动化,2000,02:49-51.
[16]罗恩泽.面向大规模工程机械远程智能监控的无线通信协议[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[17]赵健.数字散斑相关方法及其在工程测试中的应用研究[D].北京林业大学,机械设计及理论,2014,博士.
[18]马豫星.言语世界的三种类型与语文教育[D].江西师范大学,教育,2003,硕士.
[19]肖天雅.杰克·迈格斯的混合身份研究[D].安徽大学,英语语言文学,2014,硕士.
[20]朱玉萍.形状记忆合金材料的细观力学模型若干问题研究[D].北京交通大学,2007.
[21]袁玲红.高等级公路边坡智能分析及应用研究[D].湖南大学,岩土工程,2003,硕士.
[22]杨勇.西安黄土土性随机场模型研究[D].长安大学,地质工程（专业学位）,2013,硕士.
[23]丁昭郡.铁钴氧化物和碳酸盐锂电负极材料的制备及电化学性能研究[D].山东大学,材料学,2014,博士.
[24]周陈斌.项目风险识别、评价与管控[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[25]吴晓冰.氧化物半导体包覆型复合吸波剂的制备及吸波性能研究[D].天津大学,2012.
[26]赵莹.高压氧对中长跑运动员心率变异性的影响[D].北京体育大学,社会体育指导,2013,硕士.
[27]常飞.股票篮子挂钩结构性债券产品设计与分析[D].上海交通大学,工商管理,2013,硕士.
[28]俞妍慧.组织因子在人胚胎干细胞诱导分化过程中表达及调控的研究[D].中南大学,临床医学,2013,博士.
[29]韩磊.LNG船推进控制系统建模与仿真研究[D].大连海事大学,轮机工程,2013,硕士.
[30]王哲.试论我国知识产权信托制度的建立与健全[D].中国政法大学,法律,2013,硕士.
[31]孙明乾.天津滨海软土工程特性及工后沉降预测[D].吉林大学,岩土工程,2013,硕士.
[32]黄翔,陈伟,宋云奎,陈志刚.面向按需供给的资源需求滤波估算方法[J].自动化学报,2014,05:942-951.
[33]胡刚.新型膜片钳放大器的研制开发[D].华中科技大学,2006.
[34]刘晓艳.肿瘤患者发热一般规律初探[D].北京中医药大学,中医学,2014,硕士.
[35]姚树洁.中国企业缺少什么[J].商周刊,2015,06:17.
[36]付金平.俄语运动动词的语义研究[D].黑龙江大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[37]江楚池.《恋爱中的女人》中的创伤[D].广东外语外贸大学,英语语言文学,2013,硕士.
[38]张潇.1939-1941年苏军装甲兵的发展[D].河北师范大学,世界史,2013,硕士.
[39]李茜.高校传统校园教学主楼的保护性更新[D].西安建筑科技大学,建筑设计及其理论,2004,硕士.
[40]陈明.钻基一氧化碳低温氧化催化剂的制备及应用[D].武汉理工大学,物理化学,2013,硕士.
[41]凌键.rd29A启动子调控的玉米转录因子ABP9融合基因的构建及转基因拟南芥中的表达[D].西南师范大学,植物学,2004,硕士.
[42]许硕,姜少飞,郑维,李吉泉,柴国钟.气体在注塑模具中的应用[J].电加工与模具,2013,03:43-46.
[43]路金凤.我国企业孵化器服务对中小企业的影响研究[D].中国科学技术大学,工商管理,2014,硕士.
[44]张良.斜坡软弱土地基路堤的工程特性研究[D].西南交通大学,道路与铁道工程,2003,硕士.
[45]程悦.小组工作介入大学生宿舍人际关系的研究[D].西北大学,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[46]赵飞.“误读”与张爱玲的文学接受[D].南京大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[47]刘移.我国刑事侦查启动程序研究[D].西南大学,民商法学,2013,硕士.
[48]袁宝国.聚苯胺/石墨烯型复合吸波材料的研究[D].北京化工大学,2014.
[49]胡小兵.蚁群优化原理、理论及其应用研究[D].重庆大学,2004.
[50]席瑞珍.鸭源H_5N_1亚型禽流感病毒与鸡源H_5N_1亚型禽流感病毒的生物学特性和分子生物学特性的比较[D].河南农业大学,预防兽医学,2004,硕士.