引言

随着我国城镇化水平的不断提高，城市地下空间开发已成为城市立体化发展的重要举措，对“碳达峰”和“碳中和”均具有积极作用。至2021年底，全国内地已有50个城市投运城轨交通线路，共计9 192.62 km，车站5 216座，其中，地铁线路7 253.73 km，占比78.9%。目前，我国倡导加快建设交通强国和数字中国，从2021年到2035年，我国将分2个阶段推进交通强国建设。在城市发展需要与国家政策的双重加持下，地铁建设有很大的发展空间，并成为最重要的交通出行方式。

由于受周围土体的强约束，相对于传统的地面结构而言，城市地下结构一直被认为具有很强抗震性能。但近年来的多次震害显示（An等，1997；Samata等，1997；崔光耀等，2017；蔡丽雯等，2022），强震作用下地下结构会出现结构破坏，其中1995年日本M_S7.2阪神地震最为典型，在这次地震中大开地铁车站大部分中柱倒塌失效，车站顶板坍塌，导致上覆土层下沉，地表最大沉陷量约为3.0 m，且该地下结构并不跨越活断层。我国2008年汶川M_S8.0地震中，经受烈度不到7度地震作用的成都地铁地下结构发生了侧墙开裂和区间盾构管片错台的震害现象（林刚等，2009）。多次震害调查和工程地震理论研究表明，场地条件影响工程结构破坏程度。随着大量复杂地层中长大隧道、地下结构、城市地铁的建设，不可避免地穿越不良工程地质带、高烈度地震区和活断层等抗震不利地段。因此，急需深入开展强震区或复杂地层中地下结构抗震与减隔震问题研究及工程实践。

为进一步全面客观地认识地下结构抗震与减隔震领域的研究进展，本文首先通过CiteSpace软件展开相关文献发表量、发表时间及关键词共现等量化分析。在此基础上，对地下结构地震反应分析采用的原型观测、理论分析、模型试验和数值模拟方法等进行详细分析和总结，并从地下结构抗震加固及减隔震技术方面阐述减轻地下结构震害的具体工程措施。最后，基于城市防震减灾和韧性提升的可持续发展需求，分析了地下结构地震反应分析及韧性设计存在的问题和不足，并对该领域的发展方向进行了展望。

1.   地下结构抗震与减隔震研究领域文献分析

1.1   研究方法与数据来源

为全面了解某一领域的研究热度（论文发表量），需采用可视化信息软件对文献进行科学图谱分析。美国德雷塞尔（Drexel）大学陈超美教授基于Java开发的CiteSpace程序在文献处理与分析方面具有准确、便利、高效等特点，得到了广泛应用（侯剑华等，2013）。本文使用的软件版本为CiteSpace6.1.3，检索时间为2022年12月11日。

中文文献数据源选用知网，文献类型为学术期刊。采用以下方式进行检索：地下结构抗震=（地下结构+隧道+地铁车站+综合管廊）*（抗震）；地下结构减隔震=（地下结构+隧道+地铁车站）*（减隔震+减震+隔震），其中“+”为逻辑运算符“或”，“*”为逻辑运算符“与”，检索跨度为1980—2022年。以“地下结构抗震”为主题共检索到文献1 308篇，以“地下结构减隔震”为主题共检索到文献298篇。外文文献数据来源web of science数据库，类别选择为“engineering civil +engineering geological + engineering mechanical”，文献类型限定为学术期刊及会议论文，检索跨度为2005—2022年。关于地下结构抗震研究领域检索式为TS = （seismic resistance + earthquake resistance）*（underground structure + tunnel + subway station + comprehensive pipe gallery），地下结构减隔震研究领域的检索式为TS = （seismic reduction and isolation + seismic migration）*（underground structure + tunnel + subway station + comprehensive pipe gallery）。根据上述提炼，共检索到以地下结构抗震为主题的外文文献1 022篇，以地下结构减隔震为主题的外文文献43篇。

1.2   论文发表量分析

1.2.1   地下结构抗震研究领域

论文年度发表量可反映专家学者的关注度及该研究领域的发展趋势（傅游等，2020）。中文论文年度发表量如图1（a）所示。由图1（a）可知，2002年及以前年度发文量均在8篇以下，表明在这一阶段地下结构抗震领域的研究未引起足够关注，可能与当时地震观测结果相关，即相对地上结构而言，地下结构具有较好的抗震性能。2008年论文发表量达27篇，2009年论文发表量达40篇，此后基本呈逐年递增趋势，并在2021年达峰值（129篇），可知研究热度持续增加。地下结构抗震研究的兴起受我国2008年汶川地震影响，该次地震震区共有23座隧道出现了不同程度的震害（崔光耀等，2017），处于6度区的成都市有4座地铁车站结构发生局部损坏，多条裂缝出现在侧墙，并伴随渗水现象（林刚等，2009）。

图 1  地下结构抗震研究年度论文发表量

Figure 1.  Number of annual papers published on earthquake resistance of underground structures

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外文文献年度发文量如图1（b）所示。由图1（b）可知，除2009年的10篇外，2013年以前，地下结构抗震研究领域的外文发文量较稳定，为（15±3）篇。2013年以后，外文文献发表量逐年递增，尤其在2018年骤增至105篇，并在2021年达峰值183篇，表明近5年地下结构抗震领域进入了高速发展阶段。相比中文论文发表量，2018年以前外文论文发表量相对较少，而2018年至今，中文及外文论文发表量均在100篇以上，反映出地下结构抗震领域研究已受到国、内外的高度重视，成为关注热点。

1.2.2   地下结构减隔震研究领域

地下结构减隔震研究领域的中文论文发表量如图2（a）所示。由图2（a）可知，相关研究可分为3个阶段，分段节点为2001、2007年。2001年以前年度论文发表量基本为1篇，表明地下结构减隔震的研究缺乏，进展缓慢。2001—2007年，该领域的论文发表量增加，尤其在2005年达8篇。2008年汶川地震以来，国内城市防灾减灾受到空前重视与关注，地下结构减隔震研究开始兴起，该领域发文量与研究热度持续增加，2021年论文发表量已达21篇，相比2008年增加了10篇，表明地下结构减隔震方面的研究具有良好的发展前景，符合我国“韧性城市”地下空间发展战略。

图 2  地下结构减隔震研究年度论文发表量

Figure 2.  Number of annual papers published on seismic isolation of underground structures

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地下结构减隔震研究领域外文论文年度发表量如图2（b）所示。由图2（b）可知，地下结构减隔震领域研究在外文期刊的发表始于2008年，并呈逐年递增趋势，且于2021年达峰值11篇，相关研究正处于发展阶段，将会迸发巨大潜力，成为备受关注的热点话题。在现有统计的相关文献中，中文论文发表量明显大于外文论文发表量，表明国内对提升城市地下结构抗震韧性的需求更关注。

2.   地下结构地震反应分析方法

现阶段地下结构地震反应研究方法主要有4种，即原型观测、理论分析、数值模拟和模型试验（耿萍等，2013；邹炎，2015；许成顺等，2017）。由于地下结构穿越不良工程地质带且地质条件变化较大、地下结构形式大型化和复杂化，其抗震问题复杂，通常需将上述方法结合应用，以实现地下结构地震反应的真实模拟和解释，并用于地下结构抗震设计。

2.1   原型观测

原型观测的目的在于通过分析获取的地震记录（包括地震动参数选择，地震动参数与震级、距离、场地条件等的关系），对地震动进行估计，并用于结构抗震、减隔震设计，可分为地震观测和震害调查（Jiang等，2010；白广斌等，2012）。川岛一彦（1994）基于松代群发地震测定了地下管线动态应变，指出管线随同周围地基振动。通过对各类型隧道（如山岭隧道、沉埋隧道、盾构隧道等）进行地震原型观测，发现隧道结构动力响应主要受地基变形的影响（林皋，1990a，1990b）。在汶川M_S8.0地震中，2万余条主、余震加速度记录收集于我国强震动数据库中，为工程结构抗震设计提供了完整的近场地震记录（卢大伟等，2010）。目前，2 000多个强震动原型观测台站已布设在大陆地区的自由场地及桥梁、大坝、各类建筑物等工程结构上，其目的在于为地震速报和快速响应提供实时观测数据。目前，强震观测记录的地震动数据集中于地表面，对深埋地下结构及其土层的地震动数据缺乏，从而使地下结构抗震设计难度较大。此外，由于地震的准确预见性差，人为干预强震观测试验进度是不现实的，需较长的等待周期，使地震观测记录的采集更困难。

2.2   理论分析

现阶段关于地下结构地震反应的理论分析方法可归结为基于力的方法和基于位移的方法。其中，基于力的方法与地面结构相关抗震分析方法相似，即将地铁地下结构简化为梁单元构成的框架模型，地震作用以等效静力的方式施加在结构上。在计算机技术未出现或发展初期阶段，该类方法的研究较盛行，如Penzien等（2000）、刘如山等（2007）、刘晶波等（2013）、Zou等（2017）、Lu等（2019a）、Zhu等（2021）均开展过相关研究，并不断改进了基于地震荷载拟静力法的不足。但已有研究充分证明，现行地铁地下车站结构地震破坏的主要因素并非是自身的惯性力，其主要取决于周围土体的地震位移场。因此，基于位移的方法更符合地下结构地震反应机理。该类方法将土与结构的动力相互作用等效为作用于地下结构的位移，常见的做法是首先通过自由场地地震反应分析得到地基剪切变形，然后将土与地下结构相互作用等效为沿结构高度的侧向位移，并施加于地下结构侧墙后进行内力计算（Huo等，2006；李亮等，2014；陈之毅等，2016；Sakyi等，2018；刘晶波等，2019；Wang等，2021）。总体来看，上述地下结构简化抗震分析方法概念清晰，计算过程简单易行，易被工程技术人员掌握。但由于该类方法部分忽略了土与地下结构动力相互作用或对土与地下结构相互作用进行了过度简化和过多假设，未考虑竖向地震动对地下结构的地震反应（Jiang等，2021），难以适应现行大型复杂地铁地下结构抗震分析。

2.3   模型试验

为直观反映和检验地下结构地震反应、抗震性能和震害机理，专家学者们通常采用模型试验的方法。模型试验可分为振动台物理模型试验、离心机振动台试验及拟静力试验。

2.3.1   振动台物理模型试验

20世纪70年代，为研究管线在砂质地基中的地震反应，尤其在砂土液化时，日本首先开展了振动台试验（李育枢，2006）。20世纪90年代以来，6个自由度可振动的大型模型抗震试验技术在美国、日本得到研发，地震作用的输入模拟及振动信号的采集处理可用电子计算机精准控制，推动了土-结（隧道、地下车站结构）模型试验技术的快速发展。Iwatate等（2000）通过缩尺模型振动台试验阐明了地铁车站尤其是中柱的破坏机理及土-结构动力相互作用，指出地铁车站结构因中柱抗剪承载力不足而发生倒塌。与此同时，国内学者开始采用振动台试验进行地下结构抗震研究，如杨林德等（2003）首次采用振动台模型试验开展了软土场地条件下地铁车站结构地震反应特性研究；Chen等（2013，2015a，2015b）和Chen等（2019b）进行了系列土-结构相互作用振动台模型试验，其中地基土包括黄土、可液化土、软土，车站结构形式涉及三拱立柱式、3层3跨框架式等；Chen等（2019a）、韩俊艳等（2021）、Wang等（2022）开展了多振动台组合试验，研究了地下结构在非一致性输入条件下的地震反应特性。由于1-G振动台模型试验存在重力失真问题，无法完全满足地下结构的完全配重，难以实现土体与混凝土2种不同介质相似比的统一，且模型边界的处理等存在困难。

2.3.2   离心机振动台试验

离心机振动台试验可解决振动台模型试验存在的应力相似问题，Adalier等（2003）、Yang等（2004）采用离心机振动台试验对混凝土隧道抗震性能进行了评估，指出碎石墙技术在降低液化程度和加强隧道基础系统抗震变形方面是有效的。Hushmand等（2016）开展了4组离心机振动台试验，以评估场地响应、结构刚度、基底固定性和激励频率对埋置于干燥、中密砂中结构性能的影响。Xu等（2021）、Zhang等（2021）基于系列动力离心试验，对浅埋地下框架结构地震破坏反应和机理进行了分析和总结。考虑竖向惯性力效应的影响，闫冠宇等（2022）开展了液化夹层地下结构离心机振动台试验，证明了通过在结构顶部掺入钢砂模拟竖向地震作用的合理性。受限于离心机振动台承载能力和空间大小，试验模型结构缩尺较大，其细部构造通常未涉及，且测试数据难以获取。

2.3.3   拟静力试验

拟静力试验可解决离心机振动台试验存在模型缩尺过大的问题，易于观察宏观现象，且结构轴压比可通过调整竖向加载控制。根据研究对象的不同，拟静力试验可分为构件类、结构类及土-结构体系类。构件类拟静力试验即试验研究对象为梁柱节点、梁、柱或侧墙等，如杜修力等（2017，2018a，2019a）对装配整体式地铁车站的系列结构构件，包括拼装柱、梁板柱节点、侧墙底节点进行拟静力试验，研究构件及节点抗震性能。结构类拟静力试验即试验研究对象为整体地下结构，如川西智浩等（2014）、陈之毅等（2020）进行了1∶10多层地铁车站结构静力推覆试验；孔令俊（2014）基于箱涵结构推覆试验探究了结构承载力、能量耗散及薄弱部位，验证了地下结构拟静力试验的可行性，并对节点区的加腋参数进行了拓展分析。土-结构体系类拟静力试验即研究对象为土体或土-结构体系，如Shawky（1994）、徐琨鹏（2019）对土体自由场及土-地下结构体系开展了拟静力试验，分析了不同深度土体变形模式及应变衰减特性。

总体上，现有地下结构的模型试验在设计方法、测试方法和模型结构制作方法等方面还存在明显缺陷，直接导致相关的试验结果停留在定性上，难以定量准确地反映地下结构抗震性能水平，无法再现地下结构在强震下的倒塌过程和破坏特征。

2.4   数值模拟

数值模拟作为重要的研究手段，既可与模型试验互相印证，又可补充由于试验测试数据量较小造成的对地下结构震害解释的局限。土与地下结构整体动力时程分析法可有效预测、分析地下结构在强震作用下的非线性动力学特性及其弹塑性工作性态，可有效描述其惯性相互作用和运动相互作用，是目前最复杂且最精确的地震反应分析方法。Azadi等（2010）、岳粹洲等（2015）、Sandoval等（2020）使用FLAC软件开展了地下结构地震反应影响因素研究。刘晶波等（2005）、Liu等（2006）、Huh等（2017）、Li等（2020）、Yu等（2021）采用Flush、Dyna-Swandyne-II、SASSI和OpenSees等专业性较强的分析软件进行地铁地下结构地震反应研究。近几年，大型商用软件ABAQUS在土与地下结构非线性动力相互作用研究中得到了广泛应用，基于在土与结构动力接触和混凝土动力损伤模拟技术方面的先进性，更有利于分析地铁地下结构强非线性地震反应规律及地震破坏机理等（Zhuang等，2019，2021；Jiang等，2022；Keykhosropour等，2022）。然而，目前已有土与地下结构非线性动力相互作用的数值模拟分析方法仍存在许多不足，如在强震中土体和混凝土材料的强非线性动力学特性、地铁地下结构纵向地震动空间输入方法和各子结构之间接触的动力非线性接触特性等方面的数值模拟技术和计算方法仍存在一定局限性，地铁地下结构动力学损伤特征及地震倒塌连锁破坏过程的数值模拟结果仍与实际震害情况存在较大差距。

3.   地下结构抗震与减隔震措施

地下结构在地震作用下的破坏情况可分为两类，一类是结构承载力不足或变形过大，另一类是地基失效。提升地下结构抗震韧性的策略取决于地下结构失效模式。现阶段减轻地下结构震害的技术措施主要为抗震构造措施和减隔震构造措施。

3.1   地下结构抗震构造措施

抗震构造措施是通过改变地下结构和构件抗震强度和变形能力提高结构物抗震性能实现的，主要包括以下方面：第一，增强地下结构本身性能，使地下结构动力特性（质量、强度、刚度、阻尼等）发生变化，从而达到整体结构抗力韧性提升的效果。如采用剪切板阻尼器提高地下结构抗震效率（Chen等，2014）；基于装配式建筑思想，地下结构采用柔性接头实现结构连接节点由固结连接变为铰接连接，提高地下结构承受变形的能力（杜修力等，2019b）；将钢纤维混凝土应用于地下结构中，增加结构强度；将高阻尼混凝土应用于车站结构中，提高结构耗能能力（Al-Kheetan等，2020）。第二，针对地下结构的危险位置及破坏机理，改变支撑柱及其连接形式，从而达到抗震效果。震害经验和地震工程理论研究表明，地下结构中柱水平变形能力不足是地下结构坍塌破坏的主要原因（杜修力等，2018b；Lu等，2019b），因此对中柱进行抗震构造设计，提高其整体层间变形能力是改善地下结构抗震性能的重要途经。对比传统的圆形钢筋混凝土柱、方形钢筋混凝土柱，李晟等（2021）提出了带快速连接装置的预制钢管混凝土柱。马超等（2020）指出采用聚合物改性水泥砂浆、碳纤维增强复合材料等加固地下车站结构钢筋混凝土支撑柱，可使柱水平向变形能力提高20%以上。针对新型结构体系，许成顺等（2021）提出采用分体住替换现浇整体柱，其侧向变形能力可提高约30%，避免结构竖向承载构件因延性不足而发生破坏。Lu等（2020）采用叠层夹芯柱实现了传统结构柱由短柱转变为长柱，进而提高其水平变形能力。然而现有抗震构造措施，无论是地下结构自身性能的改变、既有地下结构抗震加固，还是新型结构体系，均未考虑结构震后的恢复韧性。

3.2   地下结构减隔震构造措施

传递到地下结构的地震能量通常依靠构件和结构塑性变形消耗，而塑性变形对于地下结构或构件而言具有损伤性。因此，限制或隔离地震能量进入地下结构，使结构不受损伤或减小损伤的减隔震技术成为地下工程建设重大科技需求，也是实现韧性城市的重要途径。现阶段对于地下结构减震措施的研究可分为加固地下结构围岩、地下结构与土体之间设置隔震层、改善地下结构自身性能和设置减震装置。

3.2.1   加固地下结构围岩

通过对地下结构周围一定范围内的围岩注浆或设置锚杆等方法，提高围岩的强度、弹性模量和整体性，增大围岩与地下结构刚度的差异性，充分发挥围岩的承载能力从而降低地下结构在地震中的响应（黄胜，2010）。对围岩进行注浆，不仅满足了结构的静力载荷条件，且成本不高，施工简便，因此在地下结构建设中得到了广泛应用（卓越等，2021），但该方法主要适用于软弱围岩地段中地下结构的减震（高峰等，2005）。

3.2.2   地下结构与土体之间设置隔震层

通过在地下结构与土体（或围岩）之间设置隔震层，一方面可隔断周围土体（或围岩）对地下结构的约束力，另一方面使地下结构原有的体系转变为土体（或围岩）-隔震层-地下结构体系，利用隔震层耗散地震能量，从而减少地下结构受到的地震能量。隔震层可分为柔性隔震层与刚性隔震层。在柔性隔震层方面，Kim等（2001）提出可采用软而薄的涂层覆盖隧道衬砌，以减轻隧道地震破坏，并评估了涂层材料参数对减震效果的影响；倪茜等（2018）、Manohar等（2021）提出采用橡胶颗粒土，黄胜等（2009）、陈庆等（2013）建议采用泡沫混凝土，Zarnani等（2009）、Dabiri等（2020）提出采用EPS（聚苯乙烯）材料等刚度较小的材料作为车站外围与土体之间的隔震层，通过柔性层的大变形耗能削弱传递到地下结构的地震能量。在刚性隔震层方面，王雪剑等（2017）、付继赛等（2018）、Cattoni等（2020）开展了地下连续墙对地铁车站结构地震反应的影响研究，指出地下连续墙的存在不仅起到一定耗能作用，且可提高主体结构抗侧移能力，但改变了地下结构变形和破坏模式，需加强板端的抗震设计。

3.2.3   改善地下结构自身性能

从地下结构特性出发，主要通过提升结构性能减轻结构内力，从而达到减震效果，主要措施包括（孙铁成等，2007；袁勇等，2014）：（1）采用轻质混凝土材料等减小地下结构整体质量；（2）尽可能使结构形状圆顺，防止出现尖角部位，改善地下结构形状；（3）调整地下结构刚度与地层刚度匹配，使地下结构与围岩变形一致，但结构变柔后会导致地下结构在静力荷载作用下的位移响应增大。

3.2.4   设置减震装置

基于地下结构支撑柱是抗震薄弱环节，借鉴地上建筑结构减隔震理念与设计方法，陶连金等（2018）、杜修力等（2021）探究了天然叠层橡胶支座（LNR）和铅芯橡胶支座（LRB）应用于浅埋地下车站结构中柱的减震效果，并优化了橡胶支座水平刚度；Ma等（2018）探讨了滚轴摩擦支座对于降低地下车站结构地震响应的可行性，并分析了支座摩擦系数对地下结构减震效果的影响；杜修力等（2019c）分析了摩擦摆支座应用于地铁车站中柱顶部的减震效果，研究了不同摩擦系数和不同滑道半径下动力响应的差异。上述各类型减震装置的设计可减小结构支撑柱的地震反应，在一定程度上提高了浅埋地下结构抗震性能，但主要基于单层或双层等规则截面框架式地下结构进行研究。

基于震后可恢复功能结构（可通过摇摆、自复位、可更换构件措施实现）在地上结构中实现了广泛应用，如杜修力等（2019d）采用截断柱使传统的中柱由刚性连接向摆动连接转变，可避免柱脚因应力集中而破坏，且柱脚易损部位可进行更换，从而实现震后结构功能的快速修复；Chen等（2019c）提出了自复位耗能柱基，通过可更换的柱底端耗能装置耗散更多的地震能量，避免柱脚塑性铰的出现，并采用高强度无粘结预应力筋的恢复力，将柱拉回至原始位置。由于震后可恢复功能理念在地下结构中的应用研究起步较晚，研究中未涉及功能恢复程度。

4.   结语

国内地下结构抗震及减隔震领域的研究自2008年汶川地震后逐渐兴起，论文发表量呈逐年递增趋势。相较而言，国外地下结构减隔震领域的研究较国内起步晚，但近年来地下结构抗震领域研究的外文发表量增长速度较中文快。

地下结构地震反应分析主要依据原型观测、理论分析、模型试验、数值模拟，本文总结了各方法的优缺点，由于受周围强非线性土体约束、地下结构地震损伤破坏案例的缺乏、土-结构动力相互作用的因素复杂、试验设备的局限性等，上述方法需互相结合，以获取地下结构较真实的地震反应规律，实现结构抗震设计。

地下结构抗震与减隔震工程措施的研究取得了一定成果，具体措施包括加固地下结构围岩、地下结构与土体之间设置隔震层、改善地下结构自身性能和设置减震装置。但相关措施的提出主要基于理论分析和数值模拟等手段，缺少试验数据的验证和支撑，且转化为实际工程应用的案列较少，尤其在地下结构减震装置方面。

目前，对城市地下结构可恢复韧性和快速修复性的研究缺乏，相关研究仍处于初步探索阶段。面向提升我国韧性城市的地下空间发展战略计划，应发展具有良好抗震性能和震后快速恢复使用功能的韧性抗震地下结构，并形成强震区和复杂地层中地下结构抗震韧性评价方法与工程措施。结合城市地下空间绿色低碳利用和可持续开发需求，可借鉴装配式建筑设计理念，开展可恢复功能性预制装配式地下结构新体系研究，形成以结构理论、标准化设计、模块化产品、机械化装配、规范化标准、信息化管理的全过程工业化建造技术体系，提升地下结构整体可靠性、安全性与抗震韧性。