《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Soil structure interaction effects on seismic response and resilience assessment of segmental underground tunnel joints using a physics based hybrid analytical machine learning framework
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陈苏明|李忠红|达莉亚·H·埃尔卡姆丘奇|奥马尔·J·阿尔卡提布|裴玲|H. 埃尔霍西尼·阿里中国重庆市401228，重庆化工职业学院建筑与工程学院摘要地下隧道结构日益面临复杂的地震环境，其中土壤与结构的相互作用会影响地表波作用下的接头响应。现有的分析研究为隧道与土壤的相互作用以
陈苏明|李忠红|达莉亚·H·埃尔卡姆丘奇|奥马尔·J·阿尔卡提布|裴玲|H. 埃尔霍西尼·阿里
中国重庆市401228，重庆化工职业学院建筑与工程学院
摘要
地下隧道结构日益面临复杂的地震环境，其中土壤与结构的相互作用会影响地表波作用下的接头响应。现有的分析研究为隧道与土壤的相互作用以及接头行为提供了有用的公式；然而，这些公式在快速参数筛选、替代预测和优化分析方面的应用仍然有限。本研究提出了一种混合分析-机器学习框架，用于评估动态土壤-结构相互作用下地下通道的地震响应及接头优化。分析部分采用Timoshenko-Pasternak模型，考虑深度相关的波输入、频率相关的土壤阻抗以及局部化的接头刚度变化。输入参数包括土壤剪切模量75–150 MPa、接头刚度0.5–2.0×108 kN/m、接头间距5–15 m、激励频率2–10 Hz以及埋深。利用分析得到的响应数据训练随机森林模型，用于预测位移、轴力、弯矩、剪力需求以及标准化损伤指数。在生成的测试数据集中，该模型的决定系数高于0.96，平均绝对百分比误差低于3%。优化分析表明，当接头刚度为1.6×108 kN/m、接头间距为10 m、土壤剪切模量为120 MPa时，相应的需求可分别降低18.5%、12.3%和9.8%。该框架为在给定的分析参数范围内快速评估接头需求提供了计算基础。
引言
地震始终对地下基础设施造成破坏性影响。在多次地震事件中，许多地下结构遭受严重损坏，包括节段开裂、接头失效以及防水性能丧失，从而导致大量人员伤亡和经济损失[[1], [2], [3]]。随着全球城市化进程的加快以及地下管线和交通系统复杂性的提升，确保盾构地下结构的抗震安全已成为工程实践和学术研究中的重点[[4], [5], [6], [7]]。在盾构地下结构中，接头是关键部位，由于刚度不连续，会在地震作用下产生高度局部的应力集中[8,9]，因此准确预测其动态响应对于可靠的抗震设计至关重要[[10], [11], [12], [13]]。
传统上，地下结构的地震分析更侧重于横向响应，通常通过框架弹簧系统或简化的分析公式进行建模，这符合ISO 23469:2015等国际标准的要求[14]。已有大量研究针对圆形、矩形以及任意形状的地下横截面提出了解决方案[[15], [16], [17]，推动了横向地震设计的进展。相比之下，尽管在长距离、多节段连接的地下结构中纵向地震响应同样重要，但相关研究却相对较少[18,19]。地震动的非一致性加上接头刚度的降低，使得纵向响应成为影响结构安全的关键因素。在远离震中的区域，面波是主导地表运动的主要波型，它在这一过程中起着尤为重要的作用。面波会引发轴向和垂直方向的位移，且这些位移会沿着地下结构的轴线传播。由于长波长和较大的振幅，面波能够有效地传递变形，从而对浅埋的盾构地下结构产生显著影响。
由此产生的地下结构接头动态荷载往往远远超过准静态或简化模型所预测的数值。早期关于面波作用下纵向地震响应的研究多采用等效刚度方法，如准静态公式、Winkler地基模型或简化的复函数方法。然而，这些模型存在一定的局限性[20]。准静态方法忽略了动态的土壤-结构相互作用以及波的传播效应；Winkler地基模型则通过忽略层间剪切连续性而过度简化了土壤介质[21]。此外，大多数分析解采用的欧拉-伯努利梁理论也忽略了剪切变形和转动惯量，而这些因素可能会显著影响接头在地震作用下的响应。
为解决这些局限性，本研究提出了一种混合分析-机器学习评估框架，用于分析动态土壤-结构相互作用下接头的地震响应[[22], [23], [24], [25], [26]]。分析部分作为机械响应生成器，而机器学习部分则用于重现响应趋势、支持快速参数筛选，并评估接头的优化性能[[27], [28], [29], [30]]。与纯分析方法相比，该框架更注重动态土壤-结构相互作用的分析、频率相关的阻抗、深度相关的波衰减，以及位移、轴力、弯矩、剪力需求和损伤指数等关键响应量的替代预测[31,32]。节段衬砌采用Timoshenko-Pasternak模型来描述剪切变形、转动惯量以及土壤与衬砌的剪切相互作用。通过引入局部刚度降低项来体现接头的灵活性，从而可在同一分析框架内评估轴向、剪切和转动方面的不连续性[33,34]。因此，本研究的目标是在给定的土壤-结构相互作用参数范围内，建立一种高效的分析-替代模型，用于评估和优化地下结构的接头响应[35]。
章节摘录
方法论
地下结构周围的土壤介质被建模为连续、均匀且各向同性的粘弹性材料，这种材料能够体现动态土壤-结构相互作用中至关重要的刚度和阻尼效应。为了更精确地描述地下结构衬砌与周围土壤之间的相互作用，采用了Pasternak双参数地基模型[36]。该模型在传统Winkler地基模型的基础上，不仅加入了垂直弹簧
模型验证与多灾害土壤-结构相互作用响应评估
在开展参数研究之前，通过两阶段验证程序检验了Timoshenko-Pasternak分析框架与土壤-结构相互作用的一致性[70]。第一阶段考虑了一种简化情况，即所有刚度降低系数都设为1，这样接头就具有与连续地下衬砌相同的力学特性。在这种配置下，局部灵活性被消除，
结论
本研究提出了一种混合分析-机器学习框架，用于评估土壤-结构相互作用作用下地下通道接头的地震响应。分析部分结合了Timoshenko-Pasternak梁模型、动态土壤阻抗、随深度变化的地震输入以及局部化的接头刚度变化，以此估算轴力、剪力、弯矩和位移需求。随机森林模型则利用分析得到的响应数据进行了训练，能够再现
CRediT作者贡献说明
陈苏明：正式分析、方法论、项目管理、写作——审阅与编辑。李忠红：资金获取、调研、方法论、可视化、写作——初稿撰写、写作——审阅与编辑。达莉亚·H·埃尔卡姆丘奇：资金获取、项目管理、资源协调、软件使用、监督指导。奥马尔·J·阿尔卡提布：概念构思、数据整理、资金获取、监督指导、写作——初稿撰写。裴玲：项目管理、资源协调、写作——
资助信息
沙特阿拉伯利雅得努拉·宾特·阿卜杜勒-拉赫曼公主大学研究人员支持项目（编号PNURSP2026R238）。此外，该研究还得到了阿联酋大学的研究资助，编号为G00001157和G00005417。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢哈利德国王大学科学研究处通过大型项目计划为该项研究提供的资助，资助编号为R.G.P2/144/47。
