考虑桩基加固策略的隧道-砂土-结构地震相互作用模型解析解研究

为解决城市地下隧道与地上结构在地震荷载下的相互作用问题，研究人员开展了隧道-砂土-结构相互作用模型的解析解研究，提出了一种创新的单自由度（SDOF）等效系统分析方法，并验证了桩基理想化加固策略的有效性。结果表明，该方法计算结果与已有研究差异仅为3%-7%，且加固后桩基的位移和应变降低5.1%-6.8%，为工程抗震设计提供了高效的理论工具。

　　

随着城市化进程加速，地下隧道与地上高层建筑的协同抗震问题日益突出。地震作用下，隧道与邻近桩基的动力学相互作用可能导致结构损伤甚至倒塌，但现有分析方法多依赖复杂的数值模拟或实验，难以满足工程快速评估需求。更棘手的是，既有建筑桩基的修复面临空间受限、技术复杂等挑战，缺乏高效的理论指导。

针对这一难题，研究人员提出了一种创新的解析解法，将复杂的隧道-砂土-结构系统简化为单自由度（SDOF）模型，通过推导运动方程直接计算位移和应变响应。研究同时提出了一种基于微混凝土注射的桩基理想化加固策略，通过提升弹性模量显著改善系统抗震性能。该成果发表于《Results in Engineering》，为地下工程抗震设计提供了理论新范式。

关键技术包括：1）建立SDOF等效系统方程（Eq. (1)-(3)）；2）采用峰值地面加速度（PGA）简化地震输入；3）基于弹性模量差异量化桩基加固效果；4）通过参数化分析验证模型普适性。研究以孟加拉国卡纳普里隧道为原型，结合BNBC 2020地震分区系数开展验证。

研究结果

1. 解析公式机理：通过运动方程Ma+Cv+Kx=γAz+W_Struc.（Eq. (1)）导出位移解x=9.81t²(z+W_Struc./γA-1.102)（Eq. (2)），应变ε_l=x/H（Eq. (3)），忽略高阶振型以提升计算效率。

2. 理想化加固策略：采用超声扫描定位裂缝区后注入微混凝土，使修复后桩基弹性模量高于原始状态（附录A），位移降幅达6.8%。

3. 验证分析：与BUET实验数据对比差异8.62%-31.42%，与ABAQUS数值模型差异5%-7%，证明方法可靠性。

4. 参数影响：地上结构高度增加使位移降低（71.3-95.9 mm），砂层深度增大导致应变减小14.2%-24.7%，隧道直径变化对应变影响微弱。

5. 加固效果：修复桩位移比完好状态低5.1%-6.8%，比破坏状态低8.1%，验证微混凝土加固优势。

该研究首创的SDOF解析法突破了传统MDOF（多自由度）系统的复杂性限制，为快速评估隧道-结构相互作用提供了工具。提出的桩基无损修复策略，通过提升弹性模量实现"非开挖加固"，尤其适用于城市密集区。未来研究可扩展至多层土、变PGA输入等场景，但当前成果已为工程抗震设计提供了理论基石，对保障地下交通枢纽安全具有重要意义。