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地下结构的震害分析 【摘要】地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为具有良好的抗震性能。但是， 随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视。本文对国内外城市地下线形结构 (隧道、地下铁道、地下管道等) 震害的形式、成因及外部影响因素如地震烈度、场地土条件、埋深、结构构造特点及尺寸等进行了综合分析，并就不同地下线形结构抗震措施的制订发表了见解。关键词 地下结构 隧道 抗震Abstract： Underground structures， being confined by the surrounding rock or soil, have long been assumed to have good anti-seismic ability. However, as the number of underground structures and frequency of seismic damage increase, earthquake professionals all over the world are more and more concerned about this problem. The earthquake damage patterns of underground line-shaped structures (mainly including underground tunnels, subway structures and pipelines), causes and external influencing factors such as earthquake intensity, site soil condition， thickness of the overburden soil, and properties and size of the structure etc. in urban areas around the world are analyzed synthetically. Opinions on earthquake protective measures of different underground line-shaped structures are given.Key words: underground structures tunnels anti-seismic1 引 言地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为具有良好的抗震性能(相对于地面结构而言) ，因而在很长时期之内，对地下结构的震害问题远不如地面结构那样受到重视。但是随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视，特别是1995年日本阪神大地震1后，由于神户市地铁结构发生严重破坏，引起众多地震学者的关注，使地下结构震害研究出现了前所未有的热潮。笔者通过对大量地下结构震害的分析研究，对地下结构震害进行了分类，并研究了震害的影响因素及机理，并着重分析了隧道震害形式，以期为地下结构的抗震设计提供参考。2 地下隧道震害2.1 隧道的破坏形式通过对大量隧道震害的调查，可以发现隧道破坏的主要形式如下所述2。衬砌的剪切位移：当隧道建在断层破碎带上时，常常会发生这种形式的破坏，如图1所示；边坡破坏造成隧道结构破坏：破坏模式如图2所示，多发生于傍山偏压隧道；衬砌破坏：由于衬砌属于刚性支护，抗弯剪能力较低，地震中比较容易发生开裂破坏，在高烈度地区甚至会导致衬砌塌方，其开裂破坏又可分为纵向裂损(见图3)、横向裂损(见图4)、裂损(见图5)、底板裂损(见图6)；由于显著的边墙向内变形也可能造成的隧道破坏。隧道洞口塌方：隧道洞口塌方是一种常见的隧道震害，隧道洞身主体结构抗震能力较强，其在地震中一般为开裂或变形，较少有隧道洞身结构完全塌方的震害，但隧道洞口由于受围岩约束作用较小，一般为浅埋且围岩风化破碎，比较容易发生衬砌开裂或洞口塌方，并堵塞隧道洞口，造成交通瘫痪。2.2 地震震级及烈度的影响地震震级为衡量一次地震释放能量大小的尺度。一次地震对地面的影响程度除了震级以外，主要还与震中距和震源深度有关。地震烈度指某一地区、地面及房屋建筑物等结构遭受一次地震影响的强烈程度，它为震级和震中距的综合参数，人们通常用地震烈度来衡量各地区所遭受的地震影响程度，也就是说震级越大，震中距越小，震源深度越浅，地震烈度就越大3。Sunil Sharma和Willian RJuddE604在1992年统计了隧道震害的情况，研究表明隧道大部分破坏是震级大于7级的地震，而且震级越大，隧道破损的程度也就越大。有71的破坏震中距小于25 km，而且破坏的实例中有将近75的震中距在50 km以内。因此，随着地震烈度的增大，隧道遭受破坏的几率就越大，且破损程度也会增加。2.3 埋深的影响Sunil Sharma对隧道及地下结构埋深对地震的影响进行研究，他统计了132例遭受震害的地下结构，研究表明：隧道埋深大于50 m时破坏程度明显减小，在300 m以下没有严重的破坏，而且受破坏的地下洞室有35的深度小于50 m。因此，地下结构的震动变形受周围岩土体的约束作用显著，并且随着地下结构埋深的增加，隧道受到震害的几率也越来越小。2.4 地层岩性及地质条件的影响由于各种地层岩性的阻尼和地层性质有较大的差别。因此，地层岩性对地震波的传播及地下建筑结构地震动力响应有很大的影响。Sunil Sharma统计了沉积岩、火成岩、变质岩和松软堆积物等不同岩石类型的隧道破坏。在所有破坏案例中，卵砾石隧道中有79的比例遭破坏，占全部破坏案例的12；沉积岩隧道中有73的比例遭破坏，占全部破坏案例的12；火成岩隧道中有42的比例遭破坏，占全部破坏案例的16%；变质岩隧道中有11比例遭破坏，占全部破坏案例的1。从以上数据可以看出松散堆积物由于地质条件较差，阻尼比较大，因此，在这种围岩中隧道容易在地震动力作用下产生破坏。2.5 隧道的抗震对策由于目前对隧道的地震作用机理还较少了解，从理论分析和数值计算角度进行抗震设计尚无成熟方法，因而依据以往经验采取适当抗震措施，就成为隧道抗震设计的主要手段之一。隧道抗震措施主要应以隧道的选址、衬砌材料的选用和注意施工质量作保证，并在必要时采取加固措施。从抗震角度，隧道位置应选择在山坡稳定、地质条件较好的地段，并应尽量避免穿越不稳定断层地区；洞口应避免建在滑坡、岩堆和泥石流等处。在施工方面，隧道洞口应该采取控制路堑边坡和仰坡开挖高度，在洞门端墙与衬砌环枢墙、端墙与洞口挡土墙或翼墙间的施工接缝处加设短钢筋或设置榫头等抗震连接措施。对于浅埋、偏压以及位于破碎带等地质不良地段的隧道，可在其衬砌背后采取压注水泥砂浆等加固措施。3 地铁震害1985年墨西哥地震(ML811) 中，仅见报道过在墨西哥地铁的侧墙与地表面相交处发生分离破坏现象5。1995 年阪神地震中，神户市的地铁车站遭到程度不同的破坏，其中大开站最为严重，中柱一半以上完全坍塌，随之导致顶板破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达215m之多，如图7所示。图 7 神户高速铁道大开站的震害情况3.1 震害分析从阪神地震中大开站及上尺站的破坏情况看，地铁车站遭受破坏的主要原因是地震水平震动的作用。地震作用下，土层产生水平振动，地铁车站随之运动。由于地铁车站上下标高 (顶、底板处) 的地层水平位移不一致，在车站的顶、底板间产生相对位移，使中柱在剪切力及弯矩的作用下剪切破坏，从而丧失承载力，进而导致顶板塌陷，形成M形破坏形式，以及上覆土层的沉陷。地震的强烈水平运动产生的剪力和弯矩，是边墙产生沿地铁方向 (纵向) 裂缝的根本原因。现有资料中尚无因地基土失稳破坏而导致地铁破坏的记载，但在理论上，由地铁周围土体失稳破坏导致地铁破坏是完全可能的。例如上海市区普遍存在粉砂地层，必须引起重视。3.2 减震措施 根据地铁区间隧道震害特点及动态反应分析结果，应从以下几个方面采取措施以减轻震害：地质方面，地铁选线时要考虑将之置均匀、稳定地层中，远离断层、风化带及液化区；利用弹性结点，区间隧道转弯处交角不应过大，加强出口处的抗震设防；埋深方面，条件许可尽量增加隧洞的埋深，以减轻震害；抗震缝的设置方面，沿隧洞纵向隔一定距离设置抗震缝，以减轻变形的累加，减轻震害；施工方法上，在施工条件允许的情况下，尽量不采用明挖法施工，如采用该法施工必须注意回填土要密实，回填土的性质与地基土类型相似。4 地下管道震害4.1 破坏形式 地下管道在现代化工业生产和人民生活中占有重要地位，并在输水、油、气 (汽) 、煤、排水以及通信、供电、交通运输等方面得到广泛应用。地下管道和地上、地面管道一起成为现代工业和城镇生活的大动脉，因而称为生命线工程。地下管线除腐蚀问题外，地震也是破坏因素之一。地下管道主要由管段和管道附件(弯头、三通和闸门等)组成，地震时一般有3种基本破坏类型：管道接口破坏；管段破坏；管道附件以及管道与其他地下结构连接处破坏6。其中以管道接口(或接头)破坏居多，与管段本身强度相比，接口是抗震薄弱环节。管道接口通常分刚性接口和柔性接口两种。其中刚性接口有焊接、丝扣连接等，采用橡胶圈的承插式接口和法兰连接接口属于柔性接口。震害表明，柔性接口的震害率明显低于刚性接口，其原因是前者可以产生较大的变形，具有良好的延性。接口破坏形式有接头拉开(或拔脱)、松动、剪裂、坍塌等。管段的破坏形式有管段开裂(纵向裂缝、环向裂缝和剪切裂缝等)、折断、拉断、弯曲、爆裂，管体结构坍塌，管道侧壁内缩，管壁起皱等。管道破坏率及破坏形式因管道材料、接头形式等管道本身特点而有差异，并与周围场地土壤条件有关。4.2 抗震对策地下管道震害中，因地基液化、沉陷、滑坡等产生的破坏占大多数。在日本，目前研究方向大多集中在针对地基变形制定地下管道的防震对策。与此同时，地下管线的抗震诊断法研究也很活跃。另一方面，鉴于对大量的地下管道，使其在任何地震作用下都不遭受破坏是不可能的，建立能使地下管线功能损失达到最小的管网系统和遭到破坏后的系统恢复方法的计算机分析，目前也有较多的研究。资料表明，在考虑地下管线抗震方面此，应充分注意调查地质情况，包括分析地基稳定性、地基液化、存在断层与否等。应尽可能避免在地基不稳定之处设置管道；当无选择余地时，应采取措施加固地基，或注意提高地下管线自身的抗震性能。5 小 结地下结构的震害表现形式多样，影响因素较多，机理复杂，人们对其认识的程度也在不断发展之中。因此，要作好地下结构的抗震研究，笔者认为需要进行以下几方面的工作：( 1) 建立既有地下结构的基本信息库。包括地下结构所处位置的地形条件、地质条件、衬砌条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等。建立该数据库可以使人们对震害的评价更准确、客观，而且也便于进行震害机理分析。( 2) 建立统一的地下结构抗震设计体系。地下结构的震害原因不同于地面结构，主要表现为围岩失稳破坏。也就是说，对于地下结构，其抗震能力的重要问题在于围岩的地震变形和结构对于这种变形的适应性。目前，国家不同行业的地下结构采用的抗震设计方法也不同。例如，核电站抗震规范规定，核电站地下结构应采用反应位移法或多点输入的近似地震动力分析进行检算；而铁路隧道的抗震设计一直沿用地震惯性模型进行抗震设计，这对于明洞和隧道的洞口部位比较合适，但对于隧道洞身部位，已经不能反映地震破坏的主要原因。因此，充分研究地下结构的震害机理，建立统一的地下结构抗震设计体系已势在必行。( 3) 笔者结合对震害形式和机理的研究，认为地下结构的抗震设计应该分3个部分考虑：断层破碎带处的抗震设计；洞口和浅埋段的抗震设计；洞身结构的抗震设计。参考文献1 Toshihiro Asakora，Damage to Mountain Tunnels in Hazard Area，Special Issue of Soils and Foundation 301 - 310，Japanese