《科学画报》
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居安思危，为软土隧道的强震安全保驾护航
2021-10-26 13:14:00晚春4月，同济大学校园内的樱花大道上，已看不到盛放的樱花。不过，在繁花落尽后，各种花草树木仿佛在尽情释放积攒了整个春天的能量，到处都是浓郁的绿色，让校园更显勃勃生机。
沿着葱茏树木掩映的校园小路，来到了岩土楼，拜会了同济大学土木工程学院的袁勇教授，就他领衔的“软土隧道强震非一致作用安全控制技术”项目进行了访谈。
问：您为什么关注软土隧道?
答：软土一般指天然含水量大、承载力低和抗剪强度低的黏性土，常见于沿海、内陆湖盆及河流两岸地带。我国的软土区域分布广泛，如渤海湾、长三角、珠三角、长江经济带、黄河流域等地。这些区域经济发展较快，软土隧道建设需求旺盛，隧道数量和规模逐年增加。
问：地震对软土隧道的影响有多大?
答：我国地处世界两大地震带(环太平洋地震带和亚欧地震带)之间，属于地震多发国家。20世纪以来，我国发生的强震次数有近800次。像1976年发生的震级达里氏7.8级的“7•28唐山地震”和2008年发生的震级达里氏8.0级的“5•12汶川地震”，都给地震发生区域带来了严重的破坏和生命财产损失。
过去人们更为关注地上建筑的防震，如房屋、桥梁等，因为这些建筑在地震中的损害对人们造成的视觉冲击更大，对生产生活的影响也比较大。随着地下工程尤其是隧道建设的大发展，人们对隧道的抗震减震日益重视起来。以前，大家普遍认为隧道的抗震性能较好，但是1995年日本阪神大地震颠覆了这种认识。
阪神大地震的震级为里氏7.2级，其类型为城市直下型地震，它对日本阪神经济区主要城市神户市的地下结构造成了严重破坏，其中地铁车站的损害最为严重。阪神大地震对现有抗震设计理论和方法提出了新的挑战，软土地基尤其是软土隧道的抗震逐渐成为防灾减灾研究的热点课题。
问：软土隧道的地震效应有何特点?
答：首先，软土对地震效应异常敏感;其次，研究发现强震是导致隧道工程结构破坏的主要因素。近年来建设的隧道多为长距离、大断面的隧道，其长度往往有数百米甚至数千米。对于长距离软土隧道而言，由于强震时地震波传播的相位差和非一致作用，往往使软土隧道发生蠕动和摆动变形。现有的隧道横断面设计方法，无法解决长大隧道的强震非一致作用难题，这成为隧道工程学需要突破的科学难题。
问：我国近年来的重大工程建设，对抗震技术的需求情况如何?
答：对于所有的大型海底沉管隧道建设来说，都有对抗震减震技术的需求。以2018年开通的港珠澳大桥为例，它因超大的建筑规模、空前的施工难度和顶尖的建造技术而闻名世界。港珠澳大桥的沉管隧道为超长隧道，距离为5990米。而且该隧道正好位于地震活跃区域，包括3条非全新世活动断裂和26个潜在震源区，隧道下方全部为软土地层。因此，保证港珠澳大桥沉管隧道在运营设计地震和最大设计地震下的安全性是必须攻克的工程设计难题。
问：您主持的“软土隧道强震非一致作用安全控制技术”项目荣获了2018年上海市科技进步奖一等奖，该项目取得了哪些成果?
答：经过研究团队十余年的攻关研究，项目获得了三项主要创新成果：隧道非一致地震激励振动台阵试验技术、隧道-地层强震非线性大规模仿真方法和隧道强震差动效应控制技术。
隧道非一致地震激励振动台阵试验技术：研究团队首创了台阵式振动台隧道非一致地震激励原理;研制了长隧道振动台阵试验平台;推导出隧道-地层动力相似的相对刚度比，解决了“重力失真”环境下物理模型相似比匹配难题;建立了多尺度物理模型设计方法，采用3D打印技术，使模型制作尺寸误差小于1%。
隧道-地层强震非线性大规模仿真方法：研究团队建立了宏-细观空间多尺度动力耦合方法，开发多尺度动力分析的混合时步高效算法，实现了隧道结构强震损伤的连续-离散多尺度模型。
隧道强震差动效应控制技术：研究团队开发了隧道接头剪力连接组件、可更换屈曲部件、插入式环缝连接件等装置，应用于控制盾构隧道刚度突变段强震差动效应以及超长沉管隧道非一致地震响应，可降低盾构工作井连接部位最大拉应力17%，减小沉管管节接头张开量66%。该技术直接应用于港珠澳大桥工程，确保了大桥海底隧道的抗震安全。
问：与国内外同类技术相比，本项目成果有哪些先进之处?
答：研究团队开发的宏-细观空间多尺度动力耦合理论和振动台阵隧道非一致地震激励原理是全新的原创理论。隧道非一致地震激励振动台阵试验平台和网格密度自适应混合时步算法均领先于国际同类研究机构，并且率先应用于盾构隧道和沉管隧道非一致地震响应控制。
问：本项目成果目前都有哪些实际工程应用?
答：本项目成果成功运用于近年来我国所有的海底沉管隧道(港珠澳大桥工程沉管隧道、深圳—中山通道超宽沉管隧道和大连湾海底沉管隧道)、主要河口与内河沉管隧道(南昌红谷沉管隧道工程)、大部分大直径盾构隧道(上海长江隧桥工程、上海郊环线沿江通道工程盾构隧道)以及输水隧道(上海市青草沙水源地原水工程)、输电隧道(苏州—南通特高压输电GIL综合管廊)、铁路隧道(琼州海峡跨海铁路通道预研)、地铁(厦门地铁3号线海底区间隧道)等20多项重大隧道工程项目。
其中港珠澳大桥工程沉管隧道位于外海厚软基，能抵御120年超越概率3%的强震;上海长江隧道为世界上投入运营的最大直径、我国最长距离的盾构法公路隧道;青草沙原水工程输水隧道软土地区第一个盾构法双线输水隧道，单线隧道长度为14千米。
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