成果名称

山东省土岩组合地层地铁结构地震动响应机理研究

成果登记号

知识产权

论文4篇，编制工程指南l部

完成单位

序号

单位名称

通讯地址

1

济南轨道交通集团有限公司

济南市历下区解放东路5号济南轨道交通大厦

2

山东建筑大学

山东省济南市临港开发区凤鸣路1000号

完成人

序号

姓名

工作单位

对成果的贡献

1

商金华

济南轨道交通集团
有限公司

总负责，整体调度

2

范夕森

山东建筑大学

技术负责，理论分析

3

邵广彪

山东建筑大学

统筹数值模拟、振动台试验

4

岳庆霞

山东建筑大学

岩土随机场理论的隧道
抗震性能研究

5

李中会

济南轨道交通集团
有限公司

项目总协调

6

王宁斌

济南轨道交通集团
有限公司

现场协调

7

董亚楠

济南轨道交通集团
有限公司

项目协调，经费管理

8

吴圣智

山东建筑大学

试验、模拟指导

9

韩健勇

山东建筑大学

试验、模拟指导

10

邵大伟

山东建筑大学

土岩盾构隧道数值模拟

11

卢立鑫

山东建筑大学

土岩盾构隧道振动台试验

12

刘  琪

济南轨道交通集团
有限公司

土岩盾构隧道振动台试验

13

付  阳

济南轨道交通集团
有限公司

土岩盾构隧道数值模拟

成果公报内容

“山东省土岩组合地层地铁结构地震动响应机理研究”是由山东省交通运输厅科技主管部门审定的“山东省交通运输厅科技计划项目”。项目编号：2019B11，工作起止期限：2019年07月~2022年06月。第一承担单位：济南轨道交通集团有限公司；承担单位：山东建筑大学。在山东省交通运输厅的统一领导与大力支持下，各承担单位联合开展该项目的技术攻关。

一 项目主要研究内容

（1）基于随机场模型的土岩介质对地铁结构地震动响应机理的研究

着眼于场地岩土分布的随机性，针对山东省内土岩组合地层地质条件，结合地质资料调研与分析，对比研究岩土体随机场波动范围的各种计算方法，建立实用计算方法，推导相关函数理论公式，生成岩土空间随机场。通过随机场有限元模型计算结果对强震作用下地铁结构开展响应分析，研究地铁结构地震动响应机理。

（2）土岩组合地层中地铁结构的地震动响应机理研究

通过模型试验与有限元分析等手段探究在不同土岩分界面位置、不同地震荷载等级、不同地震波类型等因素下的土岩组合地层地铁结构地震响应规律。探求不同土岩组合地层条件下地铁结构地震破坏易损点、内力分布及土岩组合地层与地铁结构间的相互作用机理，分析场地内隧道结构的地震效应演化机制，多角度揭示地铁结构在土岩组合地层中的损伤破坏规律，探究土岩地层中隧道地震响应的特殊性。

研究考虑地层-结构动力相互作用和界面接触非线性效应等因素对隧道结构的影响，对土岩组合地层中地震波传播特征和盾构隧道地震破坏机理进行研究，揭示地震波传播规律、地层变形规律以及盾构隧道结构损伤破坏规律，揭示土岩组合地层中地铁结构的地震动响应机理。

二 项目主要研究方法

本项目通过理论推导与数值计算，开展基于岩土随机场理论的隧道抗震性能的相关研究，基于数学理论提出一种改进的线指数余弦型函数（LNCS）并建立土体随机场，通过有限元计算分析隧道结构，揭示隧道响应特性。

设计不同土岩组合形式的土-岩-地铁结构整体模型，开展三维地震动振动台试验，并基于有限元建模计算对振动台试验的结果进行验证与深入分析。通过模型试验与有限元计算等手段，探究多因素下土岩组合地层地铁结构地震响应规律。对不同土岩组合地层条件下的地铁结构地震破坏易损点、内力分布及土岩组合地层与地铁结构间的相互作用规律进行探寻，掌握场地内隧道结构的地震效应演化机制。 

依托地铁项目工程实践，采用有限元分析方法，建立土岩组合地层地铁结构计算模型，研究考虑地层-结构动力相互作用和界面接触非线性效应等因素对隧道结构的影响，研究土岩组合地层中地震波传播特征和盾构隧道地震破坏机理，揭示地震波传播规律、地层变形规律以及盾构隧道结构损伤破坏规律。

三 项目主要成果

（1）基于随机场理论，提出了一种模拟岩土介质空间相关性及变异性的线指数余弦型函数模型，建立了地铁隧道结构－土体耦合作用的精细化数值模型；

（2）基于土岩地层盾构隧道地震动三维振动台模型试验，揭示了土岩地层地震波传播规律及盾构隧道结构内力峰值分布规律；

（3）构建了土岩组合地层盾构隧道地震动数值计算模型，揭示了土岩组合地层中盾构隧道结构地震动响应机理。

四 项目研究成果推广

本项目研究成果率先在济南轨道交通4号线得到应用，应用示范工地位于轨道交通4号线纬十二路站至八一立交桥站区间路段，该区间地层以人工填土、黄土、粉质黏土、碎石层为主，下覆燕山期闪长岩，基岩埋深自西向东逐步变浅，区间分布有黄土覆盖层。根据本项目研究结果，在地质条件刚度相差过大或岩土体与隧道结构局部约束突变位置应着重布置减震措施，抗震设计时加强分界面处隧道结构、邻近管片连接螺栓的抗弯、抗剪强度，根据振动台试验与有限元数值模拟的结果优化了盾构隧道的常规抗震设计，取得了良好效果。

此外，本项目研究成果还在济南轨道交通6号线中选取礼耕路站至天泺路站区间，建设了应用示范工地。该区间隧道穿越黏性土、硬岩等高低错落复杂地层，为济南地区典型的土岩突变地层，上部粉质黏土层，以可~硬塑为主且土质均匀，下伏岩石为古生界奥陶系石灰岩，土岩组合地层间的物理力学性质差异较大。该区间根据研究成果，调整优化了该区间沿线土岩组合地层中的抗震设计，在局部土岩刚度相差较大的区域，重点布置减震措施，优化了隧道结构在所处地层处的动力特性，根据土岩组合地层环向弯矩分布呈“四峰值”现象，对管片的安装方式进行调整，使接缝位置避开弯矩峰值。相对于传统轨道交通抗震设计，形成了一定突破。

五 经济效益与社会效益

项目所提出的土岩组合地层盾构隧道抗震技术成功应用于济南轨道交通4号线、6号线部分土岩组合地层的盾构隧道工程的抗震设计等多个项目，提升了新建地铁项目长期服役的可靠性，取得了显著的社会效益。

本项目编制的山东轨道交通学会团体标准《地铁工程结构抗震设计规程》。该规程将聚焦山东典型地层下地铁结构抗震问题，并针对土岩组合地层形成了针对性技术方案，填补了该领域的技术空白，该规范对我省地铁建设又好又快发展提供助力。

本项目研究成果研究内容及相关成果，充分揭示了济南典型土岩组合地层盾构隧道结构的地震相应机理，提出盾构隧道减震建议，解决复杂地质条件下地铁抗震设计难题，为城市地下轨道交通的建设提供科学技术依据，培养了一批盾构隧道抗震研究方面的专业人才，提高了相关专业人才的专业知识研究和技术应用的素质，取得了显著的社会经济效益。

六 主要研究成果目录

（1）撰写研究报告：

撰写完成了《山东省土岩组合地层地铁结构地震动响应机理研究》项目硏究报告。

（2）发表论文：

[1] 陈启辉,邵大伟, 董亚楠,邵广彪. 土岩组合地层暗挖隧道侧穿砌体结构影响研究[J].山东建筑大学学报, 2022.

[2] 范夕森,刘琪,韩保润,董亚楠. 附加U形阻尼器的隔震支座力学性能研究[J].山东建筑大学学报, 2022.

[3] 卢立鑫,商金华,董亚楠,邵广彪. 土岩组合场地盾构隧道地震响应特征研究[J].山东建筑大学学报,2022.

[4] Jinhua SHANG, Yanan DONG, Kejin Li, Guangbiao SHAO. Simplified calculation of lateral seismic resistance of shield tunnel in soil-rock combination stratum[J]. Taylor & Francis Group. 2022.

（3）编制指南：

编制了《济南城市轨道交通地铁结构抗震指南》1部。

组织验收(评价）委员会名单

序号

姓名

单位

专业领域

职称

1

孟  扬

山东建筑大学

建筑科学与工程

教授

2

蒋宁生

中铁十四局集团有限公司

土木工程

正高级工程师

3

李  晋

山东交通学院

交通运输
工程

教授

4

万  利

山东交通规划设计院集团有限公司

桥梁与隧道工程

研究院

5

惠  冰

山东省交通科学研究院

桥梁与隧道工程

高级工程师

6

明德荣

山东中宇会计师事务所有限公司

会计学

注册会计师

组织验收(评价）单位：山东省交通运输厅、山东省交通运输科技管理服务中心

验收(评价）意见

2022年9月15日，山东省交通运输厅在济南市组织了“山东省土岩组合地层地铁结构地震动响应机理研究”项目验收工作。验收专家组听取了项目组的汇报，审阅了相关技术文件和财务报告，经质询和讨论，形成验收意见如下：

一、项目组提交的资料齐全，内容完整，符合验收要求。

二、该项目通过资料收集、理论分析、模型试验等手段，开展了土岩组合地层地铁盾构隧道地震动响应机理研究，主要创新成果如下：

1基于随机场理论，提出了一种模拟岩土介质空间相关性及变异性的线指数余弦型函数模型，建立了地铁隧道结构－土体耦合作用的精细化数值模型；

2基于土岩地层盾构隧道地震动三维振动台模型试验，揭示了土岩地层地震波传播规律及盾构隧道结构内力峰值分布规律；

3构建了土岩组合地层盾构隧道地震动数值计算模型，揭示了土岩组合地层中盾构隧道结构地震动响应机理。

三、该项目发表论文4篇，编制《济南城市轨道交通地铁结构抗震指南》l部，培养博士后1名、研究生3名；研究成果已在济南轨道交通4号线、6号线项目中应用，取得了良好的社会经济效益。

四、根据项目财务报告列示情况，经费使用合理、规范，符合财务验收要求。

验收专家组一致同意该项目通过技术验收和财务验收。