淺談地下結構抗震減震研究發(fā)展概況*

陳思敏

陜西地建土地綜合開發(fā)有限責任公司 陜西 西安 710075

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的日益膨脹，地上結構已經(jīng)難以滿足人類的日常需求，所以地下結構在全球范圍內(nèi)如火如荼的發(fā)展[1]。近年來，各地開始制定地方的地下結構抗震標準，如上海的《地下鐵道建筑結構抗震設計規(guī)范》（DG/TJ08-2064-2009）[2]彌補了地鐵抗震規(guī)范的空缺，鑒于對地下結構的研究存在著不少亟待解決的問題，本文對國內(nèi)外地下結構地震災害的現(xiàn)象、研究方法、抗震減震措施以及震后的修復進行了簡要的分析和總結，以便更加清晰的了解地下結構抗震的現(xiàn)狀和不足。

1 地下結構的震害

目前有記錄中破壞最為嚴重和最具代表性的是遭受1995年日本阪神里氏7.3級地震的神戶市的大開站和長田站。大開站雖然沒有考慮地震因素，但設計時非常保守，中柱安全系數(shù)達到了3。然而震后35根鋼筋混凝土中柱超過一半完全破壞，其中柱子的破壞形式主要在上下端或兩側，形狀像被壓碎的燈籠，軸向鋼筋壓曲；側壁內(nèi)側的受力鋼筋彎曲；路面產(chǎn)生沉降最大達到2.5m[3]。

在2008年的“5·12”汶川大地震中，成都市的地鐵車站主體結構有4個車站發(fā)生了局部破壞。破壞的形式主要為施工縫和變形縫的破壞，同時止水帶隨變形縫一并破壞；梁、板、柱、墻均出現(xiàn)斜裂縫[4]。對于地鐵區(qū)間隧道和公路隧道，最明顯的破壞形式就是襯砌的錯位和徑向、環(huán)向的裂縫及仰拱的破壞，在裂縫處均有滲水現(xiàn)象，洞口處尤為明顯。同時還伴隨工程底板的開裂、錯臺及隆起和設備的脫落[5]。

2 研究方法

目前，對于地下結構的地震研究方法[6]大概分為三種：地震觀測、模型試驗、理論分析。

2.1 地震觀測

地震觀測是通過原位觀測震前、震中和震后地下結構的位移、變形及內(nèi)力，來了解地震對結構的動力響應。日本作為一個地震多發(fā)國家，在全國范圍內(nèi)設置了各類型傳感器用來對全國動態(tài)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實時輸入日本氣象廳（JMA）總部[7]。尤其在2011年東日本大地震中，對震前、本震、余震、和誘發(fā)地震進行了持續(xù)的監(jiān)測，得到了不同區(qū)域的震級、震源深度和最大加速度等一系列與地震相關的數(shù)據(jù)，同時繪制了加速度反應譜[8]。

2.2 模型試驗

模型試驗的方法主要為振動臺試驗[9]，目前國內(nèi)普通振動臺的數(shù)量較多且可以對土進行多向激震，同時對于本構關系不與圍壓相關的土具有很好的模擬效果；土工離心振動臺可以較好地模擬反應位移法、反應加速度法以及土體的破壞機理[10]，故在試驗中逐漸得到廣泛應用。

鄭少河等[11]對日本地震大開站進行試驗研究，得出了與陳國興類似的的結論：①結構所受的彎矩同樣是中柱最大，幾乎是結構側壁的5～7倍，同樣失穩(wěn)破壞是由結構的中柱破壞開始。②水平地震力時，結構主要承受剪切變形；但在上下地震時，地基與結構一體不呈現(xiàn)剪切變形。

蔣樹屏等[12]在對西藏嘎隆拉隧道進行試驗模擬時，首次提出了施加邊界條件的方法。通過對試驗模型箱的左右邊界交界面貼上光滑的聚氯乙烯泡沫，以減小邊界與模型巖土接觸面上的摩擦力；下邊界黏結一層碎石以防止巖土與箱體底部鋼板發(fā)生相對滑移。得出了如下結論：①峰值加速度沿邊坡坡腳至坡頂增大，加速度放大系數(shù)為3左右。②隨著加載次數(shù)的增加，土體的波阻抗不斷減小，主要由于土的剪切剛度不斷減小。

史曉軍等[13]通過非一致激勵振動臺的試驗進行研究即數(shù)值模擬，得出了非一致地震激勵是產(chǎn)生結構縱向內(nèi)力響應的根本原因。然而受于技術的限制，非一致地震激勵振動臺還暫未得到廣泛的應用。

就目前開展的模型試驗仍然存在著以下不足：①如何選擇模型材料才能使更好地模擬土的動力本構關系和不良地質條件，即兩種材料一致性的考慮。②需要考慮人工邊界條件，以便模擬現(xiàn)場受力情況。不過目前對于人工邊界的考慮也較少用于振動臺的試驗中，對地下結構受力和變形的精確性造成一定的影響。③對于地鐵車站來說，目前的試驗僅僅局限于對車站或隧道的單個研究，并沒有考慮兩個結構共同的作用效應。④由于振動臺尺寸和承載力的受限，以及結構制作的困難，無法對大型或復雜結構進行大尺寸試驗。

2.3 理論分析

地震系數(shù)法[14]最早由日本大森房教授提出，該方法簡單方便，且經(jīng)受過一般地震的考驗，所以在很長一段時間作為我國的標準進行地下結構的抗震設計[15]。20世紀60年代，蘇聯(lián)學者福季耶娃法，以彈性力學為基礎，求出了連續(xù)均勻介質中的應力－應變關系，得出了地下結構地震的精確解和近似解。由于計算的復雜性和參數(shù)選取的困難性，上文中的部分解析法已經(jīng)慢慢地轉化為為數(shù)值模擬提供計算依據(jù)和參數(shù)，將計算過程留給一些有限元分析軟件，即數(shù)值模擬法。

數(shù)值模擬作為一種較為簡單，快捷的方法，已經(jīng)廣泛的用在了研究過程中。同樣對于數(shù)值模擬，仍需要采取人工邊界來模擬無限邊界。目前，主要使用的兩種人工邊界大概為黏性人工邊界和黏彈性人工邊界。

在前人的大量數(shù)值模擬中，可以得到如下結論：①地下結構在地震激勵下與地上結構有著明顯的不同，內(nèi)力比地上結構分布更加均勻。②地震波入射角度不同，隧道也會產(chǎn)生不同的動力響應，橫向入射地震波比縱向入射時結構的破壞更大，當?shù)卣鸩ㄐ比肷鋾r，地下結構的動力反應與水平和垂直時差異較大，且大于地震波垂直入射的情況。③地震較小時（地震動峰值加速度為0.05g），解析法中的擬靜力法如反應位移法和反應加速度法與非線性時程法相差較小，大約為6%；對于中震（地震動峰值加速度為0.1g）和大震（地震動峰值加速度為0.2g）兩方法的結果相差分別為20%和50%，且都是擬靜力法的計算結果較大，對于結構設計來說是不經(jīng)濟的。

同時數(shù)值模擬中仍有許多不足之處需要解決：①和模型試驗一樣，地鐵車站與區(qū)間隧道交界處的地震響應仍值得我們?nèi)パ芯?。②由于斜入射與垂直、水平入射對結構的影響不同，故需要找到一個最不利角度，在該角度下，地震波對結構的破壞最大，而設計時也應按該角度產(chǎn)生的內(nèi)力進行設計。③P波和SV波在在入射以后會在自由面上產(chǎn)生轉換，P波入射以后，既有P波又有SV波，同樣SV波也是如此。故在數(shù)值模擬中，對自由面的設置也是一個很重要的問題。④地下結構受不同施工工藝的影響或結構在斷層發(fā)育、巖體破碎、料場地質發(fā)生異變等區(qū)域，結構的抗震性能會有很明顯的差異，同時對于土的動力本構關系的復雜性，故在模擬過程中很難與實際情況完全相同，故選擇材料參數(shù)時需要考慮怎樣才能使誤差達到最小。

3 抗震、減震措施

引起地下結構破壞的主要是地基的變形或地基與結構之間的相對位移。所以抗震、減震的措施都是用來減少地震下結構的應變。抗震，即抵抗地震的能力，在地震來臨時可以通過自身結構性質減小結構的變形能力；減震，即通過改變結構的性質，當?shù)卣饋頃r使結構與圍巖或土體一起變形，減小地震產(chǎn)生的相對位移，或通過隔震系統(tǒng)減小結構的位移。

3.1 抗震措施

3.1.1 增加結構的剛度。假設k1為圍巖剛度，k2為結構剛度，當k2>k1時，結構剛度大于圍巖或土體剛度，來阻止結構的變形，起到了抗震的作用，通常稱為抗震層。在1992年，徐文煥首次通過解析法提出了在洞室周邊通過增加剛性材料以減少結構的變形，在近些年來的發(fā)展中，提出了在地鐵車站中使用鋼筋混凝土箱型結構增加結構的剛度和完整性，或使用鋼纖維混凝土來提高結構的剛度與強度。

3.1.2 加固圍巖。當圍巖的強度有所提高時，地震時圍巖的變形減小，同時結構的變形也減小。加固圍巖的措施有：注漿加固、錨桿（錨索）、鋼筋網(wǎng)加固、噴射混凝土。注漿即通過混凝土或一些化學漿液使結構或圍巖組成一個整體，提高了整體的剛度，也具有了較大的抵抗作用。在文獻中，分別對錨桿設置的間距進行了現(xiàn)場試驗研究，得出了錨桿間距對隧道應力、應變、位移和加速度的影響。即錨桿的設置也并非越密越好，錨桿過密，會使結構的應力較大，對抗震反而產(chǎn)生不利影響。對于硬質圍巖，錨桿的抗震作用遠不如在軟弱圍巖，也間接地證明了錨桿的作用是提高了結構的剛度和整體性。

3.1.3 抗震縫的設置。將結構劃分為多個建筑物，可以降低抗震設計的難度以及提高抗震設計的可靠度，使各個部分的變形減小對其他部分的影響?？拐鹂p的設置，對于結構有明顯的減震效果。并且隨著兩條抗震縫間距的減小，結構的內(nèi)力和位移均減小，但過小的間距也會對結構產(chǎn)生局部增大效應。然而，抗震縫的設置對水平位移的峰值并沒有太大的削弱作用，僅僅可以阻斷水平位移的傳播，減小了結構水平位移的傳遞范圍。

3.2 減震措施

3.2.1 通過減小結構的剛度，增加結構的柔性，來達到與圍巖或土體共同變形的效果。假設k1為圍巖剛度，k2為結構剛度，當k2

3.2.2 增加隔震系統(tǒng)。其中隔震器有：疊層橡膠支座、摩擦滑移支座。常用的阻尼器有：彈塑性阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼器、摩擦阻尼器。其中將隔震器與阻尼器適當?shù)慕Y合，就組成了隔震系統(tǒng)。

3.2.3 鋼結構具有良好的延性，地震來臨時可以隨著圍巖或土體共同變形。然而目前的地下結構較多的仍是混凝土結構，對于鋼結構、組合結構等在地下工程的運用可以作為今后的研究方向。

在目前的研究過程中，仍存在一些問題有待解決：①減震層組合作用下，是否會比單個作用效果更好，還是多種方法之間存在削弱作用，以及抗、減震層與結構的相對位置，都是需要我們進一步考慮的問題。②在不考慮材料阻尼時，設置抗震、減震層對地震波的高頻部分沒有明顯的效果，對于高頻部分的抗震方法仍需要研究。③隧道的破壞最初是由仰拱的破壞開始，而隧道失穩(wěn)絕大部分因素也是來自于仰拱的破壞。仰拱作為隧道的受力結構，在地震中的峰值應力得不到減弱，是急需解決的問題。

4 震后的修復

4.1 地下結構震后修復

由于國內(nèi)對震后加固的研究較少，故對日本阪神地震后，神戶市對車站的加固方法進行研究。由于地震對混凝土中柱的破壞較為嚴重，故當時采取的指導思想為：移去上部覆土，拆除頂板、中柱、側墻等結構，根據(jù)當時的抗震設計規(guī)范，對未受損的結構加固，已受損的結構重建。根據(jù)中柱的破壞程度不同，采取了不同的修復方式：

4.1.1 對于輕微的破壞，注入環(huán)氧樹脂進行加固。

4.1.2 對于核心混凝土完好，外部保護層破壞的混凝土中柱，由于其縱筋、箍筋等強度并未喪失，所以先除去破壞的混凝土保護層，用鋼板圍護，在鋼板與混凝土之間留有12.5～25mm厚的空隙，向內(nèi)填充無收縮的水泥砂漿。

4.1.3 對于已經(jīng)完全失穩(wěn)的混凝土中柱，采用 H型鋼替換失穩(wěn)的鋼筋，同時將原先的鋼筋混凝土柱改為鋼管混凝土柱。

不過由于當時震后加固工期較緊，故并沒有對加固后的結構進行全面的地震相應分析，只能通過增大安全系數(shù)的方法來對結構進行加固。

4.2 隧道震后修復

隧道的破壞主要是襯砌的脫落、開裂導致結構失穩(wěn)，承載力不足。襯砌作為隧道的主要承重結構，故在震后的加固中也是重點考慮的。同樣對于隧道不同的破壞程度，也有不同的加固方法。

4.2.1 對于施工縫開裂或二次襯砌有少量離散裂縫，可以使用水泥漿嵌補、注人環(huán)氧樹脂或注化學藥劑進行加固。

4.2.2 二次襯砌裂縫較多，甚至為貫通裂縫時，可以用素噴或網(wǎng)噴混凝土進行加固。

4.2.3 當襯砌脫落較為嚴重，同時鋼筋外露的情況時，原則上需要拆除重建。對于震后的車站與隧道，目前國內(nèi)尚無太多的研究，較多參考日本阪神地震后的修復措施，同時規(guī)范也沒有一個明確的參考依據(jù)。所以震后的修復措施也可以作為今后研究的主要方向。

5 結束語

地下結構作為目前的發(fā)展方向，是城市規(guī)劃的重要內(nèi)容。同時地鐵等地下結構建造周期長，造價高，一旦發(fā)生破壞，修復困難。然而我們目前對地下結構抗震的研究還遠遠不夠，故在對設計、施工階段還缺少一個共識。在今后的發(fā)展中，急需完善地鐵的抗震規(guī)范和構造措施，建立一個良好的地下結構抗震體系，對今后的發(fā)展也有重要的科學意義和工程應用價值。