考虑盆地地震面波效应的大型密贴地铁地下结构地震灾变研究

At present,the mainstream crossing construction method is that the roof of newly built underground structure is attached together with zero spacing with the floor of the existing underground structure. Due to the excellent deformation controling effects to the existing structure, this new type of combined structures is widely used in underground subway construction and gradully gaining more attention. However when the close-sticking combined structure encounters seismic surface-wave basin amplification effect in the operation period, the interaction between the upper and lower structures may severly damage the combined structure.Currently, there are not any relavent reports on the issues..To meet the urgent demands of the seismic safety of rapid developing underground structures, the project focuses on the dynamic response of the typical station-the station and the station-interval tunnel close-sticking combination structure under basin seismic surface wave effects. There exist three key scientific problems including: firstly, the seismic response law of the subway station stick close combination structures, secondly, failure mechanism and process simulation of the subway station stick close combination structure, and thirdly, the seismic analysis of the subway station stick close combination structure under seismic surface-wave basin amplification effect. By using research method in terms of theoretical analysis and 3D nonlinear dynamic numerical modeling combining large shaking table, 3D dynamic response and failure mechanism of the subway station close-sticking combination structure under the action of earthquake is studied and seismic performance under seismic load is examined. The results and conclusions may lay foundation on establishing the seismic analysis and design methods of the subway station close-sticking combination structure, and provide a supports for safe operation of underground space.

目前一种新型地铁地下结构穿越型式-新建地下结构顶板与既有结构底板密贴穿越因可将既有结构的变形严格控制在安全范围而得到推广，成为代表未来城市地铁发展方向之一。但这种密贴的组合结构在遭遇地震面波盆地放大效应时，由于上下结构及其连接部分的相互作用而可能存在严重地震安全隐患。国内外尚未见研究报道。本项目依托北京典型车站-车站和车站-区间隧道密贴组合结构在盆地地震面波作用下的动力响应为研究对象，围绕(1)地铁车站密贴组合结构的地震响应规律、(2)地铁车站密贴组合结构的破坏机理与过程模拟、(3)地震面波盆地放大效应下地铁车站密贴组合结构的抗震分析三个层面的关键科学问题，采用理论分析、三维非线性动力数值模拟与大型振动台模型试验相结合的研究手段，研究地铁密贴组合结构在地震作用下的三维动力反应与破坏机理，分析在地震荷载作用下地铁密贴组合结构的抗震性能，为建立地铁密贴组合结构的抗震分析及设计方法奠定基础。

随着轨道交通的发展，地下车站和隧道交叉结构愈来愈普遍。目前，一种新型地铁地下结构穿越型式—新建地下结构顶板与既有结构底板密贴穿越因可将既有结构的变形严格控制在安全范围而得到推广。本项目以北京地铁10号线公主坟站下穿地铁1号线公主坟站工程为工程背景，进行了密贴交叉组合地下车站结构的大型振动台试验，建立了FLAC3D计算模型，对密贴交叉组合地下车站结构的大型振动台试验进行了数值分析和拟合，根据试验和数值模拟成果，提出了密贴交叉组合地下车站结构的设计原则：在地下地铁车站结构穿越工程设计中，在地质条件、周边环境以及施工条件允许的情况下，采用小角度穿越的方式；在上下两车站结构间保留一定厚度的夹层土体，有利于提高建成后整体空间组合地铁车站结构的抗震性能；当上下两结构净距达到1倍以上结构高度时，既有上层车站结构的地震反应与单体车站结构接近；在密贴交叉组合地铁车站结构的接触区域设置减震层，结构-结构刚性接触体系转变为结构-减震层-结构柔性接触体系，可以有效达到减震目的。使用软件FLAC—PFC耦合，建立有限差分和颗粒流离散元耦合计算模型，模拟了地铁车站结构的破坏过程和机理：其整个破坏过程由中柱塑性铰形成阶段、中柱节点破坏发展阶段、侧墙节点连带性破坏3个阶段组成。基于反应位移法的设计思想，提出了FLAC-SAP 结合的复杂地下结构和复杂地质条件下的地下结构抗震性能评价方法，并在北京地铁16号线的地下穿越区间隧道及土层竖向刚度差异大的地下结构抗震性能评价中得到了应用。对地下结构抗震设计反应位移法“延米框架”模型所存在问题进行了分析，提出了一种计算精度更高，且可应用于开口段的“等代平面框架”荷载-结构模型。该研究对揭示轨道交通地下结构地震灾变机理、为抗震设计及设置合理的抗震构造措施具有重要的科学意义。