地下結(jié)構(gòu)抗減震研究與技術(shù)現(xiàn)狀

唐 錁

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的利用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界重要的研究課題。21世紀(jì)是地下工程大發(fā)展的世紀(jì)，地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)與發(fā)展具有更為廣闊的前景。地下結(jié)構(gòu)建設(shè)的蓬勃發(fā)展使地下結(jié)構(gòu)的抗震研究問題突顯出來，越來越多的震害表明，地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下并不一定安全，甚至發(fā)生嚴(yán)重破壞。1985年墨西哥 8.1級(jí)地震，1995年日本 7.2級(jí)阪神地震以及 2008年我國(guó)四川汶川 8.0級(jí)地震等都造成了大量的地下結(jié)構(gòu)的損壞。

隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁出現(xiàn)，特別是阪神地震中地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴(yán)重破壞的事實(shí)[1]，使得地下結(jié)構(gòu)抗震問題日益受到人們的重視。研究地震作用下地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題是當(dāng)前巖土工程研究的熱點(diǎn)課題，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 地下結(jié)構(gòu)震害機(jī)理

地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和地面結(jié)構(gòu)有著明顯的差別，地下結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)和機(jī)理均有著自身的特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，地下結(jié)構(gòu)震害形態(tài)的表現(xiàn)與很多因素都有密切的聯(lián)系，包括地震強(qiáng)度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質(zhì)條件、襯砌的構(gòu)造條件、隧道與圍巖的相對(duì)剛度及施工方法等等。根據(jù)以往地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)所表現(xiàn)的行為可知，地震的主要或次要效應(yīng)均可使地下結(jié)構(gòu)遭受破壞。該效應(yīng)包括兩個(gè)方面[2]:

1)圍巖失穩(wěn)作用。周圍巖土介質(zhì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的震動(dòng)和變形約束作用明顯，地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)自振頻率的特征，其主要應(yīng)變一般與地震所產(chǎn)生位移場(chǎng)的大小有密切關(guān)系。由于圍巖變位，在地下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生強(qiáng)制變形而引起結(jié)構(gòu)破壞。該類型的破壞多數(shù)發(fā)生在巖性變化較大、斷層破碎帶、淺埋地段或隧道結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于地層剛度的圍巖之中，這是目前公認(rèn)的主要破壞形式。2)地震慣性力的作用。地層運(yùn)動(dòng)在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的慣性力也會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)造成破壞，該類型的破壞多數(shù)發(fā)生在淺埋或明挖的車站結(jié)構(gòu)。這些地方圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用相對(duì)較小，地震慣性力的作用表現(xiàn)得比較明顯。

圍巖失穩(wěn)和地震慣性力作用是地下結(jié)構(gòu)震害的兩種主要原因，其中起控制作用的主要是第一種原因。對(duì)震害的調(diào)查還可以表明，淺埋結(jié)構(gòu)的地震破壞比深埋結(jié)構(gòu)發(fā)生的頻度和程度都要高許多，因?yàn)樵跍\埋地段可能受到兩種因素的共同作用。

2 地下結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)

目前我國(guó)工程界對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用的抗震構(gòu)造措施還缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，各相關(guān)規(guī)范對(duì)計(jì)算方法、抗震措施等規(guī)定也不統(tǒng)一。在實(shí)際工程中，主要采取三種措施進(jìn)行減震[3]:

1)加固圍巖。通過對(duì)圍巖進(jìn)行注漿等方法，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度等，使圍巖剛度相對(duì)于襯砌剛度發(fā)生變化，從而使襯砌在地震中的響應(yīng)減小。在圍巖條件較差的地方，加固圍巖也是常規(guī)設(shè)計(jì)中較常用的工程措施。在以后的研究中，應(yīng)結(jié)合常規(guī)設(shè)計(jì)，調(diào)整圍巖加固、初期支護(hù)、二次襯砌等具體設(shè)計(jì)的參數(shù)及施作方法，削弱地下結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)。

2)改變地下結(jié)構(gòu)本身的性能。主要是通過改變地下結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、強(qiáng)度、阻尼等動(dòng)力特性來減輕地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響。主要措施為:減輕地下結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量;利用柔性管片接頭和采用鋼筋混凝土材料等措施，增加地下結(jié)構(gòu)的延性和阻尼;盡量采用圓順的結(jié)構(gòu)形狀，避免尖角，或采用抗震縫、仰拱等構(gòu)造措施;減小結(jié)構(gòu)的剛度，使結(jié)構(gòu)的延性增大，在滿足正常使用的情況下，結(jié)構(gòu)能隨著圍巖的變形而變形。

3)設(shè)置減震系統(tǒng)。減震系統(tǒng)就是對(duì)結(jié)構(gòu)本體施加結(jié)構(gòu)控制，由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用，以協(xié)調(diào)和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。對(duì)于高層建筑，結(jié)構(gòu)控制已得到了應(yīng)用，取得了實(shí)際的效果。而在目前的地下結(jié)構(gòu)工程中，結(jié)構(gòu)控制幾乎沒有得到大范圍的應(yīng)用。

地下結(jié)構(gòu)的地震減震研究最早始于盾構(gòu)隧道。在襯砌與地層之間設(shè)置減震層，隔斷周圍地層對(duì)隧道的約束力，并用減震層吸收隧道結(jié)構(gòu)與地層之間的應(yīng)變和相對(duì)位移。減震材料可采用壓注方式注入到襯砌與圍巖之間的孔隙內(nèi)，從而形成減震層。減震層的材料須有一定的彈性，使其在地震中不被塑性化。

對(duì)于一般地下結(jié)構(gòu)，可以在保證其剛度的情況下，在地下結(jié)構(gòu)與圍巖之間設(shè)置減震裝置，減震裝置的剛度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并具有一定的阻尼。地震時(shí)，減震裝置可以消耗大量的能量，減弱傳向地下結(jié)構(gòu)的能量，從而使得地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也大大減小。

3 地下結(jié)構(gòu)震后修復(fù)技術(shù)

地下結(jié)構(gòu)往往都是很重要的生命線工程。地震發(fā)生后，如何盡快有效地修復(fù)震害，使結(jié)構(gòu)盡早投入使用，對(duì)救災(zāi)的順利開展有著非常重要的意義。在阪神地震后，神戶對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)，下面簡(jiǎn)單介紹一下修復(fù)措施[4]。

3.1 混凝土中柱震后修復(fù)

在地震中，地鐵車站的混凝土中柱損害嚴(yán)重，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)加固是車站震后修復(fù)工作的主要內(nèi)容，一般采取的方法為:

1)出現(xiàn)輕微裂縫，注入環(huán)氧樹脂進(jìn)行加固;2)內(nèi)部核心混凝土完好，表層混凝土脫落，箍筋和縱向筋出現(xiàn)彎曲外凸現(xiàn)象。在修復(fù)時(shí)，先除去破碎的混凝土，向鋼筋籠內(nèi)填加H型鋼，然后用鋼板圍護(hù)，焊接鋼板，向鋼板與中柱混凝土之間填充無收縮水泥砂漿;3)箍筋脫落，縱向鋼筋斷裂，喪失了承載能力的中柱，采用鋼管混凝土復(fù)合中柱替代原有中柱。

由于震后修復(fù)工作的緊迫性，修復(fù)只能根據(jù)一般抗震設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)型的加大安全系數(shù)的方法進(jìn)行，總體的原則是，避免中柱發(fā)生脆性坍塌;修復(fù)后的中柱比原中柱有更好的延性和抗剪強(qiáng)度，以確保其在以后的地震時(shí)保持完好。

3.2 盾構(gòu)隧道震后修復(fù)

采用鋼管片來加固修復(fù)，對(duì)于沒有嚴(yán)重?fù)p傷的混凝土管片，可以在損壞部位的內(nèi)側(cè)安裝特制鋼環(huán)管片來加固修復(fù)。但是這種做法會(huì)使隧道內(nèi)徑變小，為管理和維護(hù)留有隱患。所以對(duì)盾構(gòu)管片的接頭和防水橡膠層抗震性能進(jìn)行研究，并制定日常的檢修和維護(hù)管理措施。

4 結(jié)語(yǔ)

地下結(jié)構(gòu)震害表現(xiàn)形式多樣，破壞機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多。且地下結(jié)構(gòu)震害會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，給震后恢復(fù)重建工作帶來嚴(yán)重的影響，其本身的維修也非常復(fù)雜。因此，必須重新具體評(píng)價(jià)地下結(jié)構(gòu)抗震安全性，加強(qiáng)研究地下結(jié)構(gòu)的抗震性能，提出相應(yīng)的建議和抗震措施。這在大力提倡地下空間開發(fā)利用的現(xiàn)在，更具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

[1] 于 翔.地鐵建設(shè)中應(yīng)充分考慮抗地震作用——阪神地震破壞的啟示[J].鐵道建筑技術(shù)，2006(6):32-35.

[2] 何海健，劉維寧，王 霆.地下鐵道抗震研究的現(xiàn)狀與探討[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(8):3-7.

[3] 孫鐵成，高 波，葉朝良.地下結(jié)構(gòu)抗震減震措施與研究方法探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，144(3):1-5.

[4] 季倩倩，楊林德.地下鐵道震害與震后修復(fù)措施[J].災(zāi)害學(xué)，2001，16(2):31-36.