地鐵建設(shè)中抗震作用的必要性研究

[摘要]隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地鐵的規(guī)模及數(shù)量也日趨增加。地下結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為具有良好的抗震性能，然而5.12汶川大地震后，地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了或多或少的破壞，使人們對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震安全性及必要性得到重視。研究表明，地下結(jié)構(gòu)具有不同于地面結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞特征，在某些情形下，同樣會(huì)發(fā)生嚴(yán)重甚至強(qiáng)于地面結(jié)構(gòu)的破壞。

[關(guān)鍵詞]地鐵 地震 破壞

中圖分類號(hào)：TB1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310072－01

一、概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市人口的激增，地面交通愈來愈不堪重負(fù)。為了減少地面交通量，人們開始尋找新的交通模式，地鐵應(yīng)運(yùn)而生。我國地處于環(huán)太平洋地震帶上，地震活動(dòng)性非常頻繁。地震對(duì)地面結(jié)構(gòu)所造成的破壞是人所共知的，而對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震破壞卻知之不多。隨著地下空間開發(fā)和地下結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模的不斷加大，地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及其安全性評(píng)價(jià)的重要性、迫切性愈來愈明顯。

二、汶川地震中對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的破壞分析

在5.12汶川大地震中成都和重慶地區(qū)在此次地震中的地震烈度在6-7度左右，總體來說沒有明顯震害發(fā)生，經(jīng)受住了考驗(yàn)。從成都地鐵情況看對(duì)于地下車站和礦山法區(qū)間由于其整體性較好剛度較大，震害較小，但對(duì)于盾構(gòu)隧道由于采用預(yù)制管片拼裝，螺栓柔性連接，整體剛度較弱，盾構(gòu)隧道與地層基本產(chǎn)生相同的震動(dòng)變形，分別產(chǎn)生橫向與縱向正弦撓曲變形和剪切變形，因此盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較多的管片錯(cuò)臺(tái)、局部破損、螺栓拉壞和滲水等明顯震害現(xiàn)象。而且現(xiàn)場(chǎng)表明盾構(gòu)管片間及各環(huán)間滲水面積有加大跡象，為此有必要對(duì)管片的防水作進(jìn)一步的研究。通過查閱資料分析國內(nèi)外地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)破壞的情況表明：地鐵區(qū)間隧道相對(duì)地下站臺(tái)較為安全，特別是盾構(gòu)隧道本身無結(jié)點(diǎn)且為柔性連接所至。所以地鐵區(qū)間隧道的單線、單洞防震效果要優(yōu)于單洞雙線，特別是對(duì)過江隧道的地鐵區(qū)間隧道從抗震角度看應(yīng)采用小洞方案；地鐵區(qū)間隧道不論是礦山施工還是盾構(gòu)法施工，其二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)以一次澆筑成型為優(yōu)，應(yīng)盡量避免在斷面上采用分段或分層澆筑；強(qiáng)震時(shí)地鐵車輛是優(yōu)先進(jìn)站還是就地停車，待確認(rèn)車站結(jié)構(gòu)安全性后再處置；當(dāng)軌道線附近存在高邊坡時(shí)，應(yīng)分析高邊坡包括在地震力作用下的穩(wěn)定性及對(duì)隧道或高架線的影響；在強(qiáng)震區(qū)地震活躍地帶，要研究有利于抗震的隧洞合理埋深或采用高架跨越的合理性；對(duì)于高架車站，當(dāng)采用車站與線路合一結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用規(guī)則布置，盡量使幾何形心與荷載重心重合；當(dāng)采用車站與線路分離結(jié)構(gòu)時(shí)，車站與線軌連接應(yīng)符合抗震設(shè)計(jì)要求。

三、地鐵建設(shè)中避免地震破壞采取的措施

基于目前我國尚缺乏研究和評(píng)價(jià)強(qiáng)烈地震環(huán)境下地鐵地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為與致災(zāi)機(jī)理的有效途徑及手段。目前可用于地鐵地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)震災(zāi)動(dòng)力學(xué)行為研究與評(píng)價(jià)的主要途徑及手段有：原型觀測(cè)、構(gòu)件試驗(yàn)、模型試驗(yàn)（主要是動(dòng)力離心模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)）和數(shù)值模擬。由于地鐵地下結(jié)構(gòu)-土體系統(tǒng)的震災(zāi)動(dòng)力學(xué)行為是極其復(fù)雜的。在高烈度地震環(huán)境下結(jié)構(gòu)與土材料均可能呈現(xiàn)出明顯的非線性、彈塑性或者塑性性態(tài)；結(jié)構(gòu)和土體之間的接觸處還可能出現(xiàn)局部脫開、滑動(dòng)、錯(cuò)位、張閉等非連續(xù)變形現(xiàn)象；地下結(jié)構(gòu)-土體系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用的過程多是強(qiáng)非線性的、三維的、速率效應(yīng)和循環(huán)效應(yīng)影響均很突出的，并伴隨有結(jié)構(gòu)材料、特別是土材料本身的物理力學(xué)性質(zhì)的弱化；地下結(jié)構(gòu)-土體系統(tǒng)的破壞通常是漸進(jìn)性的、局部化的，相互關(guān)聯(lián)的。加之，由于地震載荷具有隨機(jī)性、難以預(yù)測(cè)性以及結(jié)構(gòu)物和周圍土體及其所構(gòu)成系統(tǒng)本身的極其復(fù)雜性，目前還沒有哪一種手段能夠?qū)Φ罔F地下結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)及其抗震安全性進(jìn)行全面而合理的分析評(píng)價(jià)。目前研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑有：原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。由于問題的極其復(fù)雜性，目前還沒有哪一種手段能夠完全實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。一般是通過原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)結(jié)果來部分的或定性的再現(xiàn)實(shí)際現(xiàn)象、解釋物理機(jī)制、推斷變化過程、總結(jié)特性規(guī)律和分析災(zāi)變后果，在此基礎(chǔ)上建立合理的能夠反映實(shí)際動(dòng)力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法；再通過模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)結(jié)果加以驗(yàn)證。然后對(duì)不同抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，盡可能地再現(xiàn)和模擬其實(shí)際動(dòng)力反應(yīng)，研究其抗震性能，提出相應(yīng)的抗震對(duì)策。這是研究和評(píng)價(jià)地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。為改變目前我國在這一研究領(lǐng)域中的落后局面，需要在理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方面開展更為深入的工作，系統(tǒng)地研究地鐵車站及區(qū)間隧道等的地震反應(yīng)，以在抗震分析及設(shè)計(jì)方法與理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)規(guī)范等方面有實(shí)質(zhì)性的突破。對(duì)抗震減災(zāi)建議開展兩方面的工作：一方面工作為震害發(fā)生時(shí)城市軌道交通指揮、通訊及應(yīng)急應(yīng)對(duì)機(jī)制研究；另一方面開展震后軌道交通安全檢測(cè)評(píng)估機(jī)制與手段及恢復(fù)交通功能所需的條件和措施。所以首先應(yīng)加大對(duì)城市軌道交通抗震研究的投入。每個(gè)設(shè)防城市的地鐵系統(tǒng)都應(yīng)有地震動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)施，并能與當(dāng)?shù)氐牡卣鸨O(jiān)測(cè)部門聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)有地震發(fā)生時(shí)能夠準(zhǔn)確地記錄地下交通設(shè)施的受震情形和動(dòng)態(tài)。其次城市軌道建設(shè)單位和管理部門應(yīng)配備適量的建筑結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備和建立可靠的建筑結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和辦法，以便在震害發(fā)生后快速、準(zhǔn)確地對(duì)線路設(shè)施狀況做出判斷，保證運(yùn)用安全，避免憑目測(cè)就做出結(jié)論的盲目行為。

四、結(jié)束語

針對(duì)我國尚缺少完善的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和專門的地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀，在分析目前我國地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震研究及設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，建議迫切解決的五個(gè)關(guān)鍵問題：（1）合理的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型；（2）成熟的地下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)動(dòng)力相互作用問題分析方法；（3）合理而實(shí)用的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式和抗震性能評(píng)估方法；（4）地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施；（5）地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計(jì)方案及工程措施?？拐鹪O(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮未來可能發(fā)生的城市淺層直下型地震動(dòng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決：（1）合理的地震動(dòng)輸入機(jī)制及設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)；（2）區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)要考慮沿隧道的縱向與橫向兩個(gè)方向的行波效應(yīng)；（3）大型車站系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)力分析評(píng)價(jià)。（4）重大災(zāi)害發(fā)生時(shí)城市軌道交通的應(yīng)對(duì)機(jī)制。（5）重大災(zāi)害發(fā)生后城軌交通安全檢測(cè)評(píng)估與功能恢復(fù)機(jī)制。（6）編制“地下工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或指南”。（7）應(yīng)該對(duì)我國運(yùn)營及在建的軌道交通系統(tǒng)開展地震安全性評(píng)估工作。

參考文獻(xiàn)：

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[3]雷謙榮譯，地震對(duì)地下洞室的破壞，地下空間，1992（4）.

作者簡(jiǎn)介：

李積鴻，男，漢族，青海樂都人，助理工程師，主要從事地鐵建設(shè)。