城市淺埋隧道的抗震及減震措施分析

羅軍偉

摘 要：由于當(dāng)今社會的不斷發(fā)展使得城市化的進(jìn)程迅速加快，地上以上的交通方式早已不能滿足交通發(fā)展的步伐，地下淺埋隧道不斷興起。但是由于技術(shù)不成熟或是管理不善等原因，而且地下條件復(fù)雜多變，對于淺埋隧道的抗震以及減震一直是人們熱衷的課題。文章通過對地下淺埋隧道的分析，提出了一系列的抗震及減震措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道；抗震；減震

引言

城市化進(jìn)程的不斷加劇，交通給城市帶來的壓力也會隨之不斷增加，新興的地下交通正在不斷改善著城市的交通網(wǎng)絡(luò)。一般來說，人們覺得地下軌道交通比地上的安全性更高，而且還擁有更好的抗震性能。然而1995年日本阪神大地震造成了地下軌道交通嚴(yán)重破壞，人們開始注意地下淺埋隧道的抗震問題。很多類似現(xiàn)象表明，地震會對城市淺埋隧道造成嚴(yán)重破壞，一旦破壞，后果不堪設(shè)想，給人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全均帶來嚴(yán)重后果。就目前我國現(xiàn)有的狀況來看，很多淺埋隧道建于地震頻發(fā)地帶，但是卻沒有很好的抗震措施，因此，為增強(qiáng)對市區(qū)地震反應(yīng)分析和淺埋隧道的減震方法探究，提出相應(yīng)的建議是非常必要的。

1 淺埋隧道的震害特點(diǎn)與震害機(jī)理

地下淺埋隧道的結(jié)構(gòu)（如圖1）不同于地上，大多采用具有較好抗震性能的能夠適應(yīng)地層變形的裝配式圓形結(jié)構(gòu)與及整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。淺埋隧道震害的形態(tài)差異和施工的難易程度、地震波的特性、震源距離和地震強(qiáng)度等有著十分重要的關(guān)系。地震對于地下的破壞相當(dāng)嚴(yán)重，不僅會使得淺埋隧道的構(gòu)造發(fā)生變形并且遭到損壞，并且還會波及地下的構(gòu)造。針對抗震能力的探究必須考慮到地基與構(gòu)造能否抵抗這些變形，因此針對淺埋隧道構(gòu)造的設(shè)計(jì)不僅要求構(gòu)造在靜載與地震載荷的情況下?lián)碛邢喈?dāng)?shù)膹?qiáng)度，并且需要在發(fā)生地震時(shí)可以極大程度地吸收地震的能量，并產(chǎn)生較小的形變。

淺埋隧道在地震中遭到破壞是周圍地層失穩(wěn)與地震慣性力作用引起的，地震的慣性力起到非常重要的作用。地震慣性力是指由于強(qiáng)烈地層的運(yùn)動(dòng)致使構(gòu)造中產(chǎn)生慣性力，慣性力在淺埋和明挖的隧道結(jié)構(gòu)中，作用則更加顯著。在隧道結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于地層剛度的淺埋地段圍巖、斷層破碎帶巖性變化較大之中，在隧道構(gòu)造中圍巖變位導(dǎo)致圍巖中掩埋的構(gòu)造發(fā)生強(qiáng)制形變而發(fā)生損壞。

2 地震對于淺埋隧道的危害

地震對于淺埋隧道的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，影響結(jié)構(gòu)破壞的主要指標(biāo)就是在發(fā)生地震時(shí)相鄰地層間的相對位移；第二，淺埋隧道受到地震影響程度相對較小的主要因素是受周邊介質(zhì)的約束效果明顯，在低階模態(tài)的影響作用下，構(gòu)造的動(dòng)力反應(yīng)通常表現(xiàn)出自震特性的不顯著；第三，當(dāng)震動(dòng)是水平方向時(shí)，地下構(gòu)造受到在日常應(yīng)用情況下沒有受到的剪力與水平彎矩，導(dǎo)致中柱的剪切力遠(yuǎn)大于其最大抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切損壞，在中柱發(fā)生損壞后，伴隨著豎向震動(dòng)使得中柱軸力迅速增加，致使中柱的破壞程度加大；第四，淺埋隧道在地震荷載的影響下與其周邊介質(zhì)共同發(fā)生運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)之間的剛度失配與構(gòu)造存有明顯慣性時(shí)，構(gòu)造會發(fā)生過度變形而損壞。

3 隧道減震措施與抗震加固

對淺埋隧道抗震方法的探究，考慮到其地震荷載通過地基位移作用于襯砌構(gòu)造，主要包含三個(gè)方面。第一，增強(qiáng)隧道襯砌構(gòu)造本身抗震性能；第二，減小地基的位移；第三，減小隧道襯砌與地基之間的相互作用。

3.1 降低地基的位移

降低地基位移是減少隧道受地震影響的一種行之有效的舉措。在設(shè)計(jì)隧道路線時(shí)，要盡可能地躲避可能受到地震重大影響的土體。按照使用要求，對城市淺埋隧道進(jìn)行規(guī)劃，所以不可能避免所有的施工路徑均不經(jīng)過地震帶，所以在研究的過程中不可能只考慮隧道線形，還要考慮在發(fā)生不可避免的情況時(shí)所采取的措施。

3.2 提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)自身的抗震性能

提高隧道襯砌構(gòu)造本身的抗震性能首先是更改隧道構(gòu)造本身的性能，主要包括隧道的阻尼、強(qiáng)度、質(zhì)量以及剛度等。具體表現(xiàn)為假如降低隧道構(gòu)造的剛度，構(gòu)造會更加容易依據(jù)地層的形變而形變，導(dǎo)致隧道構(gòu)造的反應(yīng)降低。減震是指在隧道構(gòu)造和地層間設(shè)置減震層，使得地層的形變會經(jīng)過減震層降低，因此很難傳達(dá)到隧道構(gòu)造上，降低隧道構(gòu)造的地震反應(yīng)。更改隧道構(gòu)造性能的減震舉措主要是通過更改隧道構(gòu)造的質(zhì)量、阻尼、強(qiáng)度、剛度等動(dòng)力特點(diǎn)來減小隧道構(gòu)造的地震反應(yīng)。

3.2.1 降低混凝土的質(zhì)量。降低混凝土質(zhì)量一般使用的方法是應(yīng)用輕骨料混凝土，混凝土質(zhì)量的降低，能夠使隧道構(gòu)造的地震反應(yīng)減輕。但是輕骨料混凝土雖然能減輕質(zhì)量，但是相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度也會發(fā)生降低，可以在輕骨料混凝土中加入鋼纖維來增加強(qiáng)度，例如陶粒混凝土、陶粒鋼纖維混凝土。

3.2.2 提高構(gòu)造的強(qiáng)度與阻尼。增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和阻尼主要包括以下三個(gè)方面：第一，在隧道構(gòu)造中加入大阻尼的材料，致使材料變成大阻尼的復(fù)合構(gòu)造，同時(shí)可以達(dá)到抗震的效果；第二，使用聚合物混凝土，聚合物混凝土能夠增強(qiáng)混凝土的柔韌性、彈性與阻尼，在發(fā)生地震時(shí)隧道構(gòu)造能吸收地震產(chǎn)生的能量，達(dá)到減小地震效果的作用，如聚合物鋼纖維混凝土；第三，使用鋼纖維混凝土，能夠提高混凝土抗折性、抗拉性、韌性和延性，使得隧道構(gòu)造在地震中可以更好的吸能，減小混凝土對地震的影響，防止隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3.3 以及降低地基和隧道襯砌間的相互作用

在隧道構(gòu)造和周圍覆蓋比地層剛性較小的減震材料，對隧道構(gòu)造形成減震層，致使在發(fā)生地震時(shí)地層的形變較難傳遞到隧道構(gòu)造物上，因此減小了地震對隧道的影響，起到了減震的顯著作用。減震層能使得周邊地層對隧道的約束力降低，并且還可以吸收隧道與地層之間的相對應(yīng)變與位移，針對減震層材料的設(shè)置既可以使用液體壓注，也能夠使用固體在施工時(shí)直接覆蓋。

4 結(jié)束語

對近年來地震的數(shù)據(jù)分析表明，地震不僅會對地下淺埋隧道形成嚴(yán)重?fù)p壞，還會對地上建筑物造成巨大危害。地下淺埋隧道是城市交通的重要組成之一，起著非常重要的作用。地質(zhì)層復(fù)雜多樣，但是地下軌道的修建必須要有相應(yīng)的路線，所以不可避免的要經(jīng)過地震頻發(fā)地帶，很多問題需要從實(shí)踐和理論上做進(jìn)一步的驗(yàn)證和探討。例如隧道的交叉部位、長短隧道的施工、連拱隧道等。針對淺埋隧道等地下構(gòu)造的地震反應(yīng)系統(tǒng)探究對城市交通的發(fā)展有著重要意義。

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