Seismic Performance of the Three-layer Three-span Subway Underground Station Structure With Seismic Isolation Bearings Fixed on the Top of Columns
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摘要:
针对3层3跨框架式地铁地下车站结构抗震薄弱构件，采用在柱顶不同位置设置铅芯橡胶隔震支座的方法，建立土-地下连续墙-主体结构非线性静动力耦合相互作用的二维整体时域有限元分析模型，分析柱顶隔震支座对车站主体结构的侧向变形、地震损伤和动应力反应等结构地震反应特性的影响。结果表明，仅在抗震薄弱的顶层和底层中柱柱顶设置2层隔震支座与各层中柱柱顶设置3层隔震支座均可有效减轻中柱地震损伤程度，提高车站结构整体抗震性能。然而，仅在顶、底层中柱柱顶设置2层隔震支座时，会明显加重未设置隔震支座的中间层中柱地震损伤程度。此外，柱顶隔震支座的设置会削弱隔震体系的整体抗侧移能力，从而增大地铁地下车站结构地震侧移。总体上，建议采用各层中柱柱顶均设置隔震支座的措施提升地铁地下车站结构的整体抗震性能。
Abstract:According to the seismic response characteristics of the three-layer three-span frame subway underground station structure, the lead rubber seismic isolation bearings (LRB) were fixed at the different position of the top of columns, a two-dimensional finite element model for the static-dynamic coupling nonlinear interaction among the soil, the diaphragm wall and underground subway station structure was established, analyzing the influence of the position of the LRB fixed on the top of columns on the seismic response of subway station structure, such as the lateral deformation, earthquake damage, and dynamic stress response. It showes that the LRB fixed on the top of upper and lower columns, and fixed on the top of upper, middle and lower columns can effectively reduce the seismic damage of columns, thus improving the overall seismic performance of the isolation structure. However, when the LRB only fixed on the top of upper and lower columns, the seismic damage of the middle columns without the LRB would be severely aggravated. In addition, the LRB fixed on the top of columns can weaken the overall lateral resistance of the isolation structure, which slightly increased the seismic lateral response amplitude of the station structure. In general, it is recommended that the measure of setting the LRB on the top of columns in each floor to improve the overall seismic performance of the three-layer three-span subway underground station structure.
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引言
在活动断层研究过程中，获得断层位置和形态、断错地层位移和相对位置非常重要，通过断层附近地表地貌调查，开挖探槽并绘制地质剖面，从而获得断层信息，是最直接的研究方法(冉勇康等，1999；邓起东等，2004)。然而，当断层出露不明显或地表行迹被破坏时，无法确定探槽开挖位置，需通过地球物理方法获取断层信息。活动断层地球物理探测方法主要有浅层地震勘探、电法勘探等，这些方法可获得断层一定深度范围内的构造信息，但在不同程度上存在成本高、施工不便等缺点。地质雷达技术是利用电磁波传播的时频和振幅特征分析目标物或目标层的地球物理探测技术。这种探测方法具有快速、经济、施工方便和无损的特点，在工程检测、环境研究、文物考古等领域已得到广泛应用(俞祁浩等，2004；Zhao等，2015)。
近年来，地质雷达技术在断层探测领域中的应用逐渐增多，Slater等(2003)使用多种中心频率的天线对断层开展探测，获得不同深度和分辨率的断层展布形态；在走滑断层上，部分学者利用地质雷达识别出主断层经过的区域，分析和显示出断层带构造形态(Audru等，2001；Carpentier等，2012)；部分学者通过布设平行二维地质雷达测线，对浅覆盖层下冲沟和阶地面走滑位移情况进行识别，从而获得走滑断裂古地震活动期次信息(Beauprêtre等，2012, 2013)。国内有关学者应用地质雷达技术在城市活断层探测中进行了尝试(崔国柱等，2003；薛建等，2008)，断层浅部变形和活动规律的精细探测逐渐成为地质雷达技术研究的重要方向(李建军等，2015；张迪等，2015)。
在已有研究的基础上，本文对不同沉积层在图像上的波形特征进行分析总结，寻找断层错动标志。以乌拉山山前断裂为例，详细介绍地质雷达技术探测活动断层数据采集、地形校正、数据处理流程，获取高分辨率地质雷达剖面，通过与探槽剖面的对比，识别出土壤层、砂砾石层和砂层在雷达图像上的不同特征，探讨推断断层位置的方法。
1. 研究区概况
研究区位于鄂尔多斯块体北缘河套断陷中部，主要由乌拉山隆起、白彦花凹陷和呼和凹陷组成(图 1)。其中，乌拉山隆起北麓由乌拉山北缘断裂控制，南麓由乌拉山山前断裂控制，呼和凹陷北侧由大青山山前断裂控制。乌拉山山前断裂和大青山山前断裂均为全新世活动断裂，乌拉山北缘断裂为隐伏断裂，是晚更新世活动断裂(邓起东等，1999；李彦宝等，2015)。
图 1 研究区断层分布图Figure 1. Fault distribution map of study areaF1：乌拉山山前断裂；F2：大青山山前断裂；F3：乌拉山北缘断裂乌拉山山前断裂展布于乌拉山南麓山前，西起西山咀，东至包头市区北，为河套断陷带中部白彦花凹陷北缘的主控断裂。该断裂在晚第四纪活动强烈，表现为晚更新世和全新世湖积台地和冲洪积台地被断错，在山麓地带形成了壮观的断层陡坎(马保起等，1998)。乌拉山山前断裂与狼山山前断裂、色尔腾山山前断裂以及大青山山前断裂呈右阶斜列展布，共同控制着河套断陷带的北界(陈立春，2002)。刘志成等(2019)利用浅层人工地震、钻探等方法对断层深部构造形态和活动特征进行了研究。地震勘探往往无法分辨断层埋深较浅的地带，钻孔和探槽揭露范围过于狭小，地质雷达方法则可对断层浅部构造进行较大范围的探测，有效弥补了上述方法的局限性。何仲太(2013)曾对乌拉山山前断裂进行了地质雷达探测试验，获得的剖面分辨率较低，无法识别断层形态、地层位错等信息。
2. 地质雷达方法原理
地质雷达也叫探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)，是利用高频电磁波对地下不同电性介质进行探测的地球物理方法。地质雷达系统工作时，发射天线发射宽频带电磁波，其在地下介质传播过程中遇到电性差异的界面时发生反射，接收天线接收反射信号并将反射波形显示出来(图 2)，通过数据处理，根据电磁波波形、反射强度和时频特征，推断地下异常的空间位置、几何形态，以此实现对地下介质的有效探测(李大心，1994)。电磁波传播特性主要取决于介质的电导率和介电常数，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，电性介面即为电磁波传播的速度介面。不同地质体具有不同的电性，雷达波通过不同电性地质体的分界面会产生电磁波回波(Neal，2004)。
断层活动造成地层界面的不连续，同时引起断层破碎区域介质电性发生变化，这为地质雷达探测断层提供了物理条件(张迪等，2015)。在实际探测工作中一般采用反射测量法，将测线布设在断裂大致穿过的区域，通过追踪同套反射波同相轴确定地下反射界面，反射界面发生的错动、不连续及横向上发生波形的频率、振幅和反射强度变化，都是推测断层所在位置的重要信号。
3. 数据采集与成果解释
3.1 数据采集和处理
中国地震灾害防御中心在调查乌拉山山前断裂时，于平方沟一带的洪积扇上开挖2个探槽，揭露了断裂近地表形态。本次工作使用瑞典MALA地质雷达，将测线布设在上述探槽附近，走向平行于探槽、垂直于乌拉山山前断裂，如图 3(a)，图中白线为测线位置，Tc1、Tc2为探槽位置，红色箭头为断层陡坎。
图 3 测线区域地形图和地质雷达数据采集系统图Figure 3. Topographic map of survey line area and field data acquisition system of GPR地质雷达探测时，可选配不同中心频率的天线，不同频率电磁波在传播时衰减程度不同，而电磁波波长决定了其垂向分辨率，因此各天线探测深度、分辨率有所差异。一般情况下，天线中心频率越高，其波长越短，则电磁波衰减越快、探测深度越小、垂向分辨率越高。同时，受地层沉积环境、含水量等因素的影响，探测深度、分辨率也存在一定差异。本次工作采用了中心频率分别为50MHz、100MHz和250MHz的天线进行探测，各天线在土壤中的理论探测深度和分辨率见表 1。
表 1 不同频率天线在土壤中的理论探测深度、分辨率表Table 1. Theoretical detection depth of different frequency antennas in soil天线中心频率/MHz 探测深度/m 垂向分辨率/m 50 15—20 0.50—1.00 100 8—12 0.25—0.50 250 3—7 0.10—0.25 经探测发现，由于50MHz和100MHz天线为非屏蔽式，测线上方电线、附近铁路对地质雷达信号造成强烈干扰；250MHz天线为屏蔽式，能有效屏蔽外界干扰，获得较好的探测结果。因此，本文将对250MHz屏蔽天线探测结果进行分析和解释(图 3(b))。本次探测采用点测方式，由北向南进行数据采集，道间距0.2m，测线总长250m，共采集1250道数据。
数据采集完毕后，使用地质雷达数据处理软件ReflexW进行数据处理。本文探测目标区为洪冲积相沉积，整体穿透力较浅，反射波较杂乱，需突出有效信号和强弱反射分界面。本次探测数据处理主要步骤为道编辑、去除零点漂移、静校正切除、能量衰减增益、减去平均值、反褶积、巴特沃斯带通滤波、滑动平均、地形校正。详细处理流程及各步处理目的如图 4。
测线沿线的地形起伏会对雷达剖面解释造成影响，因此，精确的地形校正处理非常重要，已有研究通常运用激光点云、差分GPS等方法(任丽丽等，2014；李双飞等，2016)进行地质雷达数据地形校正。本文首次使用无人机正射影像进行地形校正，该方法具有方便、快速、数据处理简便的优点。首先在测线沿线放置白色卡纸进行标记，通过无人机正射影像采集后，拼合出测区范围正射影像图，依据预先放置的卡纸定位测线位置；然后生成测区高精度DEM，如图 3(a)所示，根据雷达采集道间距，沿测线提取每道数据的高程，生成测线高程文件；最后将高程文件导入处理软件进行地形校正。由图像解释可知，通过这种方法进行数据地形校正真实有效，值得参考。
3.2 图像解释
数据处理后的地质雷达测线剖面图像见图 5，图中方框Tc1、Tc2分别对应探槽1、探槽2的位置，黄色、蓝色箭头表示水平强反射波同相轴。从总体上看，雷达反射波接收质量较好，信噪比高。从纵向上看，电磁波在双程走时100ns以内反射波较强，波形清晰，100ns以外反射微弱。从横向上看，浅部雷达波形同相轴较清晰，可识别出水平反射层。在剖面横向120—170m、纵向100ns处可以看到1组较强的反射波同相轴在地形校正后由倾斜回归水平，说明剖面能较真实地反映地下反射层位。
从宏观上看，测线剖面中反射波同相轴连续性、振幅在横向上存在变化，主要特征为：水平距离0—100m下部，反射波同相轴为弱连续，由北向南连续性逐渐变差，推测该区段为粗粒、细粒沉积杂乱分布，成层性一般；水平距离100—180m下部出现清晰的强反射波同相轴，反映该区段下部有成层性较好的砾石层、砂层分布，其中水平距离130m处北侧强反射同相轴(图 5中蓝色箭头)与南侧强反射同相轴(图 5中黄色箭头)疑似发生错断，可能由断层造成；水平距离180—200m下部反射波总体较强，同相轴较连续；水平距离200—230m下部反射波振幅突然减弱，推测在200—205m处存在一处断层作用造成两侧沉积地层突然变化；水平刻度230m以南浅层反射波突然增强，同相轴连续，这是因为该处为土路，经人工改造和汽车压实，在剖面上形成水平强反射带。
提取测线中与探槽Tc1、Tc2对应的区段，按电磁波在覆盖层的平均速度为0.1m/ns进行时深转换，放大后与探槽剖面进行对比，可分析地质雷达剖面波形与探测剖面各层位的对应关系，见图 6、图 7，其中黄色箭头与图 5中黄色箭头对应。
图 6 测线局部剖面与探槽Tc1剖面对照图Figure 6. Comparison of local profile of survey line and the profile of trench Tc1(a)Tc1剖面图；(b)局部雷达剖面解释图(黄色箭头对应为图 5强反射波组)；(c)雷达剖面图
图 7 测线局部剖面与探槽Tc2剖面对比图Figure 7. Comparison of local profile of survey line and the profile of trench Tc2(a)Tc2剖面图；(b)局部雷达剖面解释图；(c)局部雷达剖面图由乌拉山山前断裂2个探槽剖面(图 6(a)、图 7(a))可知，该区覆盖层主要沉积冲洪积砾石、中-粗砂为典型冲洪积相沉积。沉积单元可大致分为以下3类：①层为灰黑色土壤层，含少量棱角状、次棱角状碎石，分布在深度0.3m以上；②层为混杂状砂砾石层，砾石直径2—10mm，含棱角状、次棱角状碎石，分布在土壤层以下；③层为浅灰白色中-细砂层，偶含直径较小的砾石，分布在土壤层以下，与②层接触断续分布。2个探槽共揭露出3个正断层f1、f2、f3，断层上部均被①层覆盖，主要错动了②层和③层。
3.2.1 Tc1段
探槽Tc1剖面和地质雷达测线对应区段对比图如图 6，由图 6可知，波形由上到下呈现以下特征：
(1) 蓝色分界线以上深度为0.3—0.5m，为1组弱反射层，连续性较弱，对应图 6(a)中的①层，该层与下部地层单元分界明显。本层主要以表层土壤为主，沉积松散，雷达波衰减快，因此反射不明显，表现为弱反射区；
(2) 蓝色分界线以下深度为0.5—3.0m，反射波总体增强，横向上可见强弱反射分区明显，同相轴连续性呈现一定断续变化。由图 6(a)、图 6(b)相应位置对比可知，图 6(b)中②层反射波显著增强，同相轴连续性好。剖面上的强反射区与图 6(a)中粗砾石层(褐色区域)在分布深度、形态上具有显著对应关系，表明该地区砂砾石层在雷达图像上表现为低频突出的强反射区。这是因为砾石层分选差，孔隙度大，造成雷达波低频成分反射强，高频成分衰减，反射波同相轴连续性好，可追踪地层和构造信息。图 6(b)中③层反射波强度较②层显著减弱，同相轴连续性减弱，高频成分反射波强于②层，这与图 6(a)中③层含砾粗砂、中砂层对应，表明该地区砂层在雷达图像上表现为以中高频成分为主的弱反射区。
图 6(b)中②层出现2组明显异常：在水平距离14—16m、深度1—3.3m处，②层强振幅波组发生自上而下的连续错动，错动面向上延伸至①层底部，向下延伸至深部，这与图 6(a)中正断层f1位置、错动层位和倾向一致；在水平距离18—19m、深度2—3.3m处，强反射波组同相轴再次发生显著错断，错动面向上延伸至深度1.2m处，这与图 6(a)中正断层f2位置、错动层位和倾向一致。
综上所述，断层错动了砾石沉积单元，在雷达剖面上表现为强反射单元的同相轴明显错动，通过雷达剖面上同相轴错断位置、两侧强反射单元错动方式可推测断层位置、断错层位和断层性质。
3.2.2 Tc2段
探槽Tc2剖面和地质雷达测线对应区段对比如图 7。对比图 6、图 7中探槽剖面和测线剖面特征可知，图 7(b)中蓝线以上为①层，是反射波较弱的近地表土壤层；图 7(b)中蓝线以下分布着②、③层，剖面上振幅显著较强的②层(褐色区域)为砾石沉积层，由于该层沉积物分选差，孔隙度大，使雷达波低频成分反射显著，同相轴连续性好；振幅相对弱的③层为粗、细砂层，为中高频弱反射，同相轴连续性相对减弱。图 7(b)中①、②、③层分布与图 7(a)较一致。
图 7(a)中揭露了1条正断层f3，倾向S，倾角约75°，在图 7(b)中相应地存在一定反射波形异常，即在水平距离18—23m、深度1.2—3.8m处，可见由上到下线性反射异常，上部表现为反射波较强的②层发生同相轴扰动，下部表现为局部信号增强，这是因为断层错动砾石层，造成强反射波组同相轴错动，断面下部充填粗砾石，形成局部线性低频强反射。
4. 结果对比分析
由2组剖面对比可知，地质雷达剖面上土壤层、砂砾石层和砂层位置、轮廓吻合度较高，图像特征主要包括：土壤层(图 6、图 7中的①层)雷达波反射总体较弱，同相轴连续性差，这是因为土壤层一般沉积松散，含少量植被，介电常数较大，雷达波反射较弱；粗粒砾石层(图 6、图 7中的②层)雷达波低频成分反射波较强，同相轴连续性好，这是因为砂砾石层粒度大小不一，分选一般较差，高频反射波相对较弱，低频反射波较强，相对介电常数较小；细粒砂层(图 6、图 7中的③层)雷达波反射低频成分弱于砾石层，中高频成分相对较强，同相轴具有一定连续性，这是因为砂层沉积较致密，粒度一般较小，分选较好，中高频成分衰减少，同时沉积横向上的均一性使反射波同相轴具有一定连续性。
2个探槽揭露的断层f1、f2、f3均能在雷达剖面上有所反映：断层错动粗砾石层单元，在雷达剖面上表现为强反射区同相轴整体性错动；断层活动使断层面充填不同介质，造成断层位置波形异常。以上特征可作为推断断层信息的依据，但地质雷达信号极灵敏，电磁波传播过程中受各种因素(含水率、矿物质)的影响，同类地层反射波形可能产生较大差别。因此在地质雷达探测过程中，探槽和钻孔资料对比非常重要。在对比分析的基础上，总结本地区各沉积单元波形特征，据此开展更大范围的探测和解释，可得到更具说服力的探测结果。
另外，在本文探测剖面对比中，各沉积层在深度、厚度上与探槽剖面存在一定误差，这是因为本文在数据处理过程中，采用的电磁波波速值为经验值，因此剖面图中地层深度、断层展布与真实信息存在一定偏差。在后续研究中，需选择合适的仪器对测区进行速度探测，获得真实的电磁波波速值，才能提高数据解释精度，获得更准确的探测结果。
5. 结论
使用地质雷达，并选择中心频率250MHz的天线对乌拉山山前断裂进行探测，由探槽剖面与雷达剖面的对比可知，沉积单元和断层位置与雷达剖面特征波形吻合，表明地质雷达方法可实现活动断层快速、有效探测。本研究主要得到以下结论：
(1) 使用无人机正射影像技术获得测区DEM并提取测线高程，对测线每道数据进行校正，可实现测线有效地形校正。
(2) 在覆盖层上，波形图像特征表现为：土壤层中反射波总体较弱；粗粒沉积为主的砾石层中反射波总体较强，低频成分突出，同相轴连续性好，显示为粗亮条带；细粒沉积为主的砂层中反射波弱于砾石层，反射波频率相对较高，同相轴具有弱连续性。
(3) 地层单元受断层作用发生错动，在图像上表现为相应反射单元整体错动；断层通过处充填不同介质，会造成断层位置反射异常。这些特征可作为参考，识别地质雷达图像中的断层位置。
(4) 地质雷达技术对断层探测具有有效性，但电磁波信号极灵敏，传播方式复杂，不同地区反射特征差异较大。因此需充分收集测区资料，与探槽、钻孔及其他地球物理方法结合，进行数据处理、剖面分层和断层解释等工作，才能获得真实有效的探测结果。
致谢: 感谢罗浩、刘志成等同志在野外数据采集和文章修改中给予的帮助，感谢高战武老师的指导，同时感谢审稿专家提出的宝贵意见。 -
图 1 地铁地下车站结构横截面主要尺寸和配筋图
Figure 1. Main dimensions and distributed steels of cross section of underground subway station
图 2 隔震支座设置位置示意图
Figure 2. Schematic diagram of setting position of lead rubber seismic isolation bearing
图 4 土-地下连续墙-主体结构相互作用体系有限元模型
Figure 4. Finite element model for soil-diaphragm wall-subway station interaction system
图 5 侧向位移沿车站主体结构高度的分布曲线
Figure 5. Maximal lateral displacements of subway station structure
图 6 车站主体结构各层最大层间位移角
Figure 6. Maximum interlayer displacement angles of subway station structure
图 7 Kobe波作用下车站主体结构受拉损伤云图（PBA=0.2 g）
Figure 7. Tensile seismic damages of subway station under the Kobe wave with PBA=0.2 g
图 8 Kobe波作用下车站主体结构受拉损伤云图（PBA=0.4 g）
Figure 8. Tensile seismic damages of subway station under the Kobe wave with PBA=0.4 g
图 9 Kobe波作用下车站主体结构受压损伤云图（PBA=0.4 g）
Figure 9. Compress seismic damages of subway station under the Kobe wave with PBA=0.4 g
图 10 Kobe波作用下车站结构中柱关键节点动应力反应时程曲线（PBA=0.4 g）
Figure 10. Time-history curve of dynamic stress for critical nodes of columns under the Kobe wave with PBA=0.4 g
表 1 工程场地条件及其参数
Table 1. Soil conditions and physical properties of soils in site
土层编号 土性 重度/kN·m−3 弹性模量/MPa 层厚/m 动泊松比 剪切波速/m·s−1 1 素填土 18.4 3.5 3.0 0.49 200 2 软黏土 19.0 8.0 4.0 0.49 225 3 软黏土 20.5 10.0 4.5 0.49 250 4 黏土 19.4 14.5 4.0 0.49 275 5 砂土 19.4 12.0 4.0 0.49 300 6 砂土 19.4 12.0 4.0 0.49 325 7 砂土 20.9 14.5 4.0 0.49 350 8 砂土 20.9 27.7 4.0 0.49 375 9 砂土 21.2 27.8 4.0 0.49 400 10 砂土 21.2 33.0 4.0 0.49 425 11 砂土 18.9 33.0 4.0 0.49 450 12 老黏土 18.9 33.0 4.0 0.49 475 13 老黏土 18.9 35.0 4.0 0.49 490 14 老黏土 20.5 35.0 4.0 0.49 600 15 老黏土 20.5 35.0 4.0 0.49 700 16 老黏土 20.5 35.0 4.0 0.49 800 17 老黏土 20.5 40.0 4.0 0.49 900 18 老黏土 19.3 40.0 4.0 0.49 1000 19 老黏土 19.3 40.0 4.0 0.49 1000 20 老黏土 19.3 45.0 4.5 0.49 1000 
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表 2 铅芯橡胶隔震支座主要参数
Table 2. Main parameters of lead rubber seismic isolation bearing
支座
直径/mm安装
高度/mm容许水平
位移/mm竖向
承载力/kN水平等效
刚度/kN·mm−1屈服后
刚度/kN·mm−1竖向压缩
刚度/kN·mm−1等效
阻尼比/%600 251 330 3 600 2.64 1.83 3 627 17.18
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