1.1引言

随着城市化进程的加快，地上建筑趋于饱和，人们把目光投向地下空间。目前人们对于地下空间建设的历史相对较短、规模相对较小，理论和技术还不够完善。地铁作为主要以地下运行为主的轨道交通系统，提高了城市土地利用率，减少交通干扰，同时还有运量大、效率高的优点，越来越受到国家的重视，中国地铁也进入了史无前例的发展期。中国地震活动分布范围广、频率高、强度大、震源浅，几乎覆盖所有省、自治区、直辖市。因此，地震灾害的对隧道和地铁车站的危害必须得到足够的重视。目前地下结构的抗震设计大多基于简化的荷载-结构方法，采用平面模型进行简化计算。但对于实际的地下结构，如地铁车站结构，其前后端墙一般与区间隧道相邻，隧道和端墙的存在导致结构是一个空间结构，而不能简化为平面问题，因此，这些部位不能采用现有的平面假设进行计算分析。因此，需研究结构端墙等引起的空间效应，确定其空间影响范围。

目前国家规范《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的第14章虽规定了端部影响范围为1.5倍的结构横向宽度，但该研究成果是基于典型地铁车站结构，且没有考虑区间隧道等的影响，以及没有考虑结构更大跨度、地震动特性等因素的影响，其一般性尚需进一步论证。

1.2国内外研究现状

国内已有一些学者对此进行了研究，如王国波等^[1]建立了地铁车站及隧道的三维模型。得出车站结构端墙1.5倍车站结构横向宽度外的横截面，可安平面应变问题分析，区间隧道的存在削弱了车站结构前后端墙的整体抗震性能。李笑穹等^[2]对地铁站-隧道连接结构进行弹塑性动力时程分析，结果表明在地震作用下，地铁车站的中柱顶、底端出现动拉压力，侧墙与各层楼板连接处于应力集中，车站-隧道连接墙体上的洞口周围出现很明显的应力集中现象，车站侧墙变形从地板沿高度增加。陈清军等^[3]从定量角度研究了地铁车站与隧道接头结构对车站及隧道地震响应的影响程度及范围。研究表明，地震作用下地铁车站与隧道结构的受力明显不均匀；地铁车站结构的最大层间位移响应距离约为车站纵向跨度的5倍；地铁隧道在接头结构处的应力响应较隧道其他位置显著较大，但接头随接头部位距离的增大而迅速减弱。蒋通等^[4]利用可考虑盾构法隧道衬砌接头协同受力的等效连续化计算模型，建立了在地震行波引起不均匀沉降作用下隧道弹塑性受力分析的简化方法。杨林德^[5]进行了上海典型软土地铁车站的抗震性能试验，提出了简化的抗震设计方法-等代荷载法，并制定了上海设计指南。毕继红等^[6]在土体与结构动力相互作用理论的基础上，提出了有限元和无限远耦合分析的方法。周健等^[7]在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应的基础上，对各种常用地震土压力简化方法进行评价，为今后改进土压力的计算方法、提高软土地下建筑抗震设计提供依据。庄海洋^[8]对大开地铁车站的非线性地震反应进行了数值仿真分析，给出了破坏演化的过程。陈国兴等^[9]讨论和强调了改进地下结构地震性能和设计的最主要需求。认识到地下结构受到强地震引起的地基变形和扭曲而非惯性力作用，以及地下结构特殊的几何构型和概念特征使得其他地震行为和性能与地面结构存在很大的差异，是非常重要的。从简单的解析弹性方法到复杂且物理意义更加精确的整体动力数值方法。对地下结构震害、动力离心机和振动台模型试验，以及工程师在地下结构抗震分析中可能遇到的有效设计与分析方法方面涉及的重要问题进行了简要全面的回顾。伍茜^[10]对地铁车站结构抗震分析探究，通过采用反应位移法进行地下结构地震反应，统计分析得知水平方向地震作用下结构断面层间位移差均较小，最大位移发生在三层地段地下一层，最大层间位移角为1/815，小于250。车爱兰等^[11]为了研究1995年日本阪神地震中地铁的动力行为及破坏机制，分别考虑了水平横向、竖向及双向加荷载三种工况，进行了一系列模型振动试验和动力有限元分析。明确了地震动土压的极限值及在大地震时周围地基的残余应变引起的静止土压力的存在。为今后改进地震土压力计算方法、提高地下结构抗震设计水平提供了依据。

国外学者的主要研究成果有：Tsinidis ^[12]通过对土体-隧道体系的相对刚度、界面特性、场地条件及地震动特性等各方面影响因素的研究，总结了地震作用下软土场地中方形隧道的变形模式以及反应规律。Kang G等^［13］采用基于ＦＬＩＰ的二维有效应力分析方法，分析了浅埋空心圆柱形结构地震作用特性，并与离心加速度20ｇ的动力离心试验结果进行了比较。Kuesel^[14]提出了“地下结构应具有吸收强变形的延性，并且不丧失承受静载的能力，而不是抵御惯性力”的新的地下结构抗震设计思想。Mirske等^[15]研究了无限弹性介质中波沿隧道纵向传播对隧道和周围土体的相互作用，分析了波长、频率对土-结构的相互影响。Nishiyama 等^[16]在总结1995年日本阪神地震震害的基础上，对3种类型的明挖隧道进行了振动台模型试验，并在实验与分析结果上提出了一种新的抗震设计方法。Tamari等^[17]将地下结构模型置于饱和无粘性土层中进行了一系列的振动台模型实验，得到了模型土的应力-应变曲线、土体应力路径及孔隙水水压，同时得到了结构的加速度与位移及动土压力。Pakbaz^[18]利用有限差分序CA2分析了二维情况下圆形隧道衬砌和围岩在地震下的相互作用，并对数值结果与闭合解解析结果进行了比较。Mok等^[19]对动态土-结构相互作用进行研究，使用三维分析评估细长地下结构端墙效应。得出端壁的三维空间影响范围大约是端壁尺寸的三倍；侧壁之间的弯矩端壁附近的地板大约是中间部分的一半。

由上述论述可以看出，目前对地下结构端部空间影响的研究比较有限，学界对其影响范围的没有明确定论。因此，本文将针对此问题进行研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容