軟土地層下地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)思路分析

陳慶金

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528305

隨著城市化進(jìn)程的加速，地下交通系統(tǒng)，特別是地鐵系統(tǒng)，已經(jīng)成為現(xiàn)代城市不可或缺的一部分。然而，地震等自然災(zāi)害對(duì)地鐵隧道造成的影響也日益凸顯，尤其是在軟土地層下的地鐵隧道，由于其土層強(qiáng)度低、壓縮性大、變形性強(qiáng)等特性，使得其在地震中受到的影響更為嚴(yán)重。因此，如何提高軟土地層下地鐵隧道的抗震性能，減少地震對(duì)城市交通的影響，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。本文將圍繞這一主題，詳細(xì)探討地鐵隧道的抗震加固設(shè)計(jì)方案，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則、結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造方案、材料選擇和利用、抗震措施的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等方面，同時(shí)也將分析抗震加固設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)以及解決策略，并展望未來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新和研究方向。希望這篇文章能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一些有價(jià)值的參考和啟示。

1 軟土地層下地鐵區(qū)間隧道抗震加固研究背景與意義

軟土地層是指由粘土、淤泥等由水分含量高、粒度小、壓縮性大的土壤組成的地層。這類(lèi)土壤的一般特性是強(qiáng)度低、壓縮性大、變形性強(qiáng)、承載力弱，對(duì)外力的反應(yīng)非常靈敏。一般在地下工程建設(shè)，如隧道、地鐵、橋梁、大樓等，都要對(duì)這類(lèi)地層進(jìn)行特殊的處理和加固，以保證工程的安全和穩(wěn)定。軟土地層由于獨(dú)特的地質(zhì)特性，如高含水量、密度、大壓縮性和強(qiáng)度等，對(duì)城市軌道交通的設(shè)計(jì)建設(shè)提出了極大的挑戰(zhàn)。軟土對(duì)振動(dòng)的擴(kuò)散和放大效應(yīng)，使得在此類(lèi)地層上建設(shè)的地鐵隧道在地震時(shí)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們需要對(duì)軟土層的特性有深入的理解，才能設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定的地鐵隧道。

嵌入式實(shí)踐教學(xué)需要向?qū)W生詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和電路原理，在此基礎(chǔ)上介紹軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并以一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教師在學(xué)生熟悉開(kāi)發(fā)流程后，應(yīng)逐漸增加實(shí)驗(yàn)的難度，當(dāng)他們做出正確的階段性實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，要給予鼓勵(lì)并提出進(jìn)一步的需求；當(dāng)學(xué)生在調(diào)試過(guò)程中遇到困難時(shí)，要給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和提示，而不是直接告訴答案。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，應(yīng)該鼓勵(lì)在已有實(shí)踐基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一些小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一些具有簡(jiǎn)單功能的電子設(shè)備。在這過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。

地鐵隧道作為城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，其安全性直接影響到城市的正常運(yùn)行和居民的安全。地震對(duì)地下城市軌道交通結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是地震力的直接作用，可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的破裂或崩塌；二是地震引發(fā)的地面液化、地裂等現(xiàn)象，可能進(jìn)一步破壞隧道結(jié)構(gòu)；三是地震會(huì)引發(fā)地下水位的變化，可能導(dǎo)致隧道發(fā)生滲漏或水害。這些影響對(duì)隧道的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，嚴(yán)重者甚至可能導(dǎo)致隧道的失效。在地震防治中，加固設(shè)計(jì)是一種重要的防護(hù)措施[1]。它可以增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的抗震力，減小地震對(duì)隧道的破壞。具體的加固設(shè)計(jì)措施包括使用抗震材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)隧道支撐等。通過(guò)有效的加固設(shè)計(jì)，可以有效地保證地鐵隧道在地震中的安全，減少地震對(duì)城市軌道交通的影響。

2 軟土地層下地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

第一，地震動(dòng)力學(xué)和地震工程原理。地震力學(xué)研究地震產(chǎn)生的機(jī)制和地震波在地球內(nèi)部傳播的規(guī)律。地震工程則要研究地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響以及如何設(shè)計(jì)和施工以抵抗地震力。

第二，土力學(xué)和巖土工程基礎(chǔ)。土力學(xué)是研究土壤和巖石在受力時(shí)的物理和機(jī)械性質(zhì)的科學(xué)，它為我們提供了如何評(píng)估和應(yīng)對(duì)軟土地層地震行為的方法。巖土工程則是應(yīng)用土力學(xué)理論來(lái)解決實(shí)際土木工程問(wèn)題的工程技術(shù)學(xué)科，其在隧道施工和設(shè)計(jì)中起著重要的作用。通過(guò)巖土工程，我們可以了解如何在軟土地層中實(shí)施有效的抗震加固設(shè)計(jì)。

首先，地質(zhì)勘探是揭示地質(zhì)條件和獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)的重要手段，其常用的方法包括地面地質(zhì)調(diào)查、鉆孔勘探、地球物理勘探等。地面地質(zhì)調(diào)查主要通過(guò)觀(guān)察和采集地面地質(zhì)信息，如地貌、地層、巖性等。鉆孔勘探通過(guò)鉆取地層樣品來(lái)獲取地下巖土的詳細(xì)信息。地球物理勘探則使用物理方法（如聲波、電磁波等）來(lái)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和物性[2]。這些方法和工具為我們提供了地質(zhì)條件和地震危險(xiǎn)性的初步判斷。依賴(lài)于上述的地質(zhì)勘探活動(dòng)可以收集到主要的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

3 地質(zhì)勘探和數(shù)據(jù)分析的重要性

第三，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力加載下運(yùn)動(dòng)和變形的學(xué)科。在地震情況下，地鐵隧道結(jié)構(gòu)會(huì)受到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)加載

其次，地震數(shù)據(jù)分析和評(píng)估主要包括地震活動(dòng)性分析、地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算、地震烈度評(píng)估等。地震活動(dòng)性分析主要研究地震的發(fā)生頻率和地震帶的分布。地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算則需要利用地震記錄來(lái)確定地震動(dòng)的主要特性，如峰值加速度、譜加速度、周期等。地震烈度評(píng)估則要根據(jù)地震動(dòng)參數(shù)和地震活動(dòng)性來(lái)預(yù)測(cè)可能受到的地震影響。

以上的地質(zhì)和地震數(shù)據(jù)是地鐵隧道抗震加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)可以用來(lái)評(píng)估地下土層的穩(wěn)定性和地震反應(yīng)，為隧道的布局和設(shè)計(jì)提供參考。地震數(shù)據(jù)則可以用來(lái)確定設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，為抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。合理的利用地質(zhì)和地震數(shù)據(jù)，可以提高地鐵隧道的抗震性能，減少地震帶來(lái)的危害。

抗震加固設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟主要包括以下幾個(gè)階段：

4 軟土地層下地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則

軟土地層下地鐵區(qū)間隧道的抗震加固設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是確保地震發(fā)生時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，保障乘客和工作人員的生命安全，同時(shí)盡可能減少地震對(duì)隧道設(shè)施的損害，維持其正常運(yùn)營(yíng)和功能。

在進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

1.前期調(diào)研：收集和分析有關(guān)地震動(dòng)參數(shù)、地質(zhì)地形條件、隧道結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及工程經(jīng)濟(jì)條件等相關(guān)信息。這一階段的目標(biāo)是對(duì)工程的實(shí)際情況有一個(gè)全面的了解，以便于進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。

儲(chǔ)能式螺柱焊焊接需要將設(shè)置好的能量額度沖入電容內(nèi)，隨后焊接時(shí)，能量從電容中一次性全部釋放，用于焊接，焊接時(shí)間為1-5毫秒。儲(chǔ)能式螺柱焊的焊接能力有限，一般運(yùn)用于焊接直徑3-10毫米的螺柱。

(1) 安全性原則：這是設(shè)計(jì)中的首要原則。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，確保在地震發(fā)生時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)能夠承受地震力，防止結(jié)構(gòu)破壞，避免或減少因地震引起的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)(coordinate rotation digital computer，CORDIC)可通過(guò)移位和加減等步驟計(jì)算平方根、正余弦、模、相位以及完成坐標(biāo)變換，易于在FPGA等VLSI器件中實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于FFT、矩陣分解、數(shù)控振蕩器和數(shù)字頻率合成器等領(lǐng)域[1～3].

(2) 經(jīng)濟(jì)性原則：在滿(mǎn)足安全性原則的基礎(chǔ)上，盡可能降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。這需要在設(shè)計(jì)中考慮到材料選擇、施工方法、維護(hù)保養(yǎng)等方面的經(jīng)濟(jì)性。

(3) 可靠性原則：設(shè)計(jì)應(yīng)保證在地震等極端條件下，隧道仍能維持基本的運(yùn)行功能，即使受到一定程度的損傷，也能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。

(4) 技術(shù)性原則：設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到當(dāng)前的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展，利用現(xiàn)有的科研成果和技術(shù)，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和技術(shù)性。

4.2 結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造方案

首先，隧道襯砌材料直接承受地震力，其性能直接影響隧道的安全。常見(jiàn)的襯砌材料有：混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)制段等。需要根據(jù)隧道的使用環(huán)境和地震設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇合適的襯砌材料。

首先，結(jié)構(gòu)布局應(yīng)盡可能選擇地層穩(wěn)定、地震影響相對(duì)較小的區(qū)域作為隧道的布局位置。其次，隧道的走向、坡度和深度等，應(yīng)盡可能減少對(duì)地震力的影響。在選擇隧道線(xiàn)路時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)地質(zhì)條件復(fù)雜、地震易發(fā)區(qū)域和敏感設(shè)施。同時(shí)，隧道線(xiàn)路的選擇還應(yīng)考慮到地鐵系統(tǒng)的整體布局和城市規(guī)劃[3]。隧道深度的選擇受到多種因素的影響，如地質(zhì)條件、地下水位、地面建筑等。一般來(lái)說(shuō)，隧道深度越大，對(duì)地震的敏感性越低。但是，過(guò)深的隧道會(huì)增加施工難度和成本。最后，隧道的斷面形狀和尺寸，也是影響隧道抗震性能的重要因素，需要結(jié)合地層條件和施工技術(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。而且，隧道斷面的形狀和尺寸還直接影響到隧道的使用性能和安全性。在某些情況下，由于周邊環(huán)境、交通需求或其他因素，當(dāng)隧道布局、走向和深度不能避開(kāi)軟土地層和抗震不利地段時(shí)，需要通過(guò)采用特殊的設(shè)計(jì)和施工方法，采用減震設(shè)計(jì)，對(duì)軟土地層進(jìn)行加固、增加隧道的剛度和強(qiáng)度等方法消除或減輕震害影響，以及使用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)等方法，以提高隧道的抗震性能和安全性。

接著，在確定了結(jié)構(gòu)布局后，需要制定出符合抗震要求的構(gòu)造方案?？蛇x擇的構(gòu)造方案有開(kāi)挖法、盾構(gòu)法、微隧道法等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)基于地質(zhì)狀況、工程規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行選擇。規(guī)劃施工工藝流程時(shí)，要確保施工過(guò)程順利進(jìn)行，同時(shí)也要考慮到工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。選擇和配置施工設(shè)備應(yīng)根據(jù)具體的施工方法和工藝流程，以確保施工效率和質(zhì)量。施工人員是施工過(guò)程中的主體，他們的技術(shù)水平和施工質(zhì)量會(huì)直接影響到隧道的質(zhì)量和安全性，因此需要對(duì)他們進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)，并建立完善的人員管理制度。

4.3 材料選擇和利用

在抗震加固設(shè)計(jì)中，材料的選擇直接決定了隧道的抗震性能。因此，選擇性能良好、抗震性能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的材料是至關(guān)重要的。

在軟土地層下地鐵區(qū)間隧道的抗震加固設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)布局的選擇和構(gòu)造方案的制定是至關(guān)重要的。為了達(dá)到最優(yōu)的抗震效果，需要根據(jù)地質(zhì)條件、工程需求以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，科學(xué)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局和選擇合理的構(gòu)造方案。

其次，隧道支護(hù)材料主要用于保障隧道在施工和使用過(guò)程中的穩(wěn)定。常見(jiàn)的支護(hù)材料有：鋼拱架、錨桿、注漿材料等。需要根據(jù)地層條件、施工方法和地震設(shè)計(jì)要求，選擇適合的支護(hù)材料。

這些材料的選擇和利用，都應(yīng)盡可能考慮其經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可持續(xù)性，以實(shí)現(xiàn)工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

最后，隧道防水和排水材料的選擇，會(huì)影響隧道的使用壽命和安全性。常見(jiàn)的防水材料有：防水涂料、防水膜等；排水材料有：排水板、排水管等。需要根據(jù)隧道的使用環(huán)境和地震設(shè)計(jì)要求，選擇適合的防水和排水材料。

花奴打了電話(huà)后，小蟲(chóng)被罰了款后放了。從派出所出來(lái)，小蟲(chóng)不知道玉敏在等他，帶一幫鄉(xiāng)黨去大排檔喝酒，喝到半夜才回來(lái)。小蟲(chóng)喝高了，滿(mǎn)嘴酒氣，舌頭像短了一截，對(duì)玉敏說(shuō)，我……不會(huì)……放過(guò)她的。光腳不怕穿鞋的，不把鉆戒要回來(lái)，老子決不罷休！玉敏看他醉醺醺的樣子，什么也沒(méi)說(shuō)，只是緊緊地?fù)е∠x(chóng)，一股溫暖在心頭蕩漾。

4.4 抗震措施的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

抗震措施的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證是隧道工程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，基于前期的地震動(dòng)參數(shù)、地質(zhì)地形條件、隧道結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及工程經(jīng)濟(jì)條件等相關(guān)信息，設(shè)計(jì)出具體的抗震措施。這些措施可能包括：優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、使用抗震材料、設(shè)定合理的施工工藝等。

首先，通過(guò)計(jì)算模擬的方式，驗(yàn)證抗震措施的效果