三维层状场地中地铁隧道群对沿线地震动的影响及其地震原型观测研究

我国不少大城市为缓解城市交通压力，在市中心地带建设地下铁道。地铁隧道通常由两个或两个以上隧道组成，或者相互平行，或者相互立交（多为换乘站），隧道截面大，隧道之间距离近，形成大型隧道群。随着地铁建设的快速发展，大型地铁隧道群沿线成为大城市中一类特殊的场地。我国不少地铁工程建在高烈度地震区，如北京、天津等。然而国内外地铁隧道相关抗震设计规范中均没有涉及地铁隧道建设后对沿线设计地震动的影响，这直接影响到地面建筑物（既有或拟建）的地震安全性。本项目在推导三维弹性层状场地、三维饱和层状场地、三维含饱和层场地的精确动力刚度矩阵，及其内部斜面均布荷载动力格林函数基础上，研究隧道群在频域、时域内对地震波的线性、非线性放大作用，揭示三维层状场地中隧道群沿线地震动在幅值、频谱、空间上的变化规律，提出三维层状场地中隧道群沿线地震动预测方法，并进行地震原型观测研究，具有重要的科学意义和工程价值。

近年来，我国不少大城市为缓解城市交通压力，普遍在市中心地带建设地铁。地铁隧道通常由两个或两个以上隧道组成，隧道截面大，隧道之间距离近，形成大型地铁隧道群。随着地铁建设的快速发展，大型地铁隧道群沿线成为大城市中一类特殊的工程场地。然而国内外地铁隧道和地下空间相关设计规范中均没有涉及地铁隧道建设后对沿线设计地震动的影响，相关研究成果也非常少，这无疑会影响到地铁沿线地面建筑物的地震安全性。而在沿海地区，天然土体多是饱和层状的，且实际场地的一般情况是地下水位以上土层为干土层，地下水位以下较浅土层为饱和土层，而刚度较大的基岩为单相弹性介质。由此，本项目在前期建立的三维弹性层状场地精确动力刚度矩阵、场地内部斜面均布荷载动力格林函数、场地内部移动斜线均布荷载动力格林函数的基础上，推导三维饱和层状场地的精确动力刚度矩阵、场地内部斜面均布荷载动力格林函数、场地内部移动斜线均布荷载动力格林函数；采用间接边界元方法在频域和时域内计算地铁隧道群对地震动的线性放大作用；考虑土体的动刚度和阻尼比与剪应变的关系，采用间接边界元和有限元耦合方法在时域内计算地铁隧道群对地震动的非线性放大作用；并以天津地区典型饱和层状场地为例研究地铁隧道群对地震动的放大作用。研究表明，建立的三维饱和层状场地的精确动力刚度矩阵、场地内部斜面均布荷载动力格林函数、场地内部移动斜线均布荷载动力格林函数具有非常高的精度，其精度与解析解答相当。地铁隧道群对地震动具有显著的放大作用，该放大作用与场地动力特性、土体非线性、土体孔隙率、边界渗透条件、隧道直径、隧道之间距离、入射波频谱和波入射角度等有关。地铁隧道群沿线地表地震加速度峰值放大可达45%以上，对于工程设计普遍采用的、在基岩面输入水平地震加速度模型来讲，由于地震波在隧道群周围的散射，竖向地震加速度峰值甚至超过自由场水平地震加速度峰值。同样由于地震波在隧道群周围的散射，地表地震加速度卓越周期因地铁隧道群的存在出现一定程度的降低。地表地震加速度最大峰值多出现在两个隧道之间，但当两个隧道比较近时，还会出现在两个隧道之外。该研究为三维层状饱和场地中波的传播和土-结构相互作用的求解奠定了基础，具有重要科学意义；该研究定量评价了地铁隧道群对沿线地震动的放大作用，揭示了隧道群沿线地震动在幅值、频谱、空间上的变化规律，可为地铁沿线设计地震动参数的修正提供科学依据，具有重要的工程价值。