地铁建设中应充分考虑抗地震作用(一)

1、地铁建设中应充分考虑抗地震作用 一摘要地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。 1995 年阪神大地震发 生之前 ,很少有大型地下结构在地震中严重破坏的报道。 然而,阪神大地 震中,包括诸如地铁车站及区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出 现严重的破坏 ,使人们对地下结构的抗震平安性产生疑心。初步研究表 明 ,地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征,在某些情形下,同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。关键词地震地铁破坏 1 前言 随着社会经济的开展和城市人口的激增 ,地面交通愈来愈不堪重负。为 了减少地面交通量 ,人们开始寻找新的交通模式 ,地铁应运而生。 自北京 建成地铁以来 ,目前我

2、国天津、上海、广州已相继建成地铁 1 号线,南京、 青岛、大连、深圳等城市正积极开展修建地铁的筹备工作。据不完全 统计,在全国 21个百万人口以上的城市中将筹建 33条总长为 649km 的 地铁和轻轨。几条海底隧道和过江隧道也正在积极论证中。 我国地处于环太平洋地震带上 ,地震活动性非常频繁 ,是世界上最大的 一个大陆浅源强震活动区。根据现行地震烈度区划图 ,我国大局部地区 为地震设防区 ,在全国 300多个城市中 ,有一半位于地震根本烈度为 7 度 乃至 7 度以上的地震区 ,23 个百万以上人口的特大城市中 ,有 70%属 7 度和 7度以上的地区 ,像北京、天津、西安等大城市都位于 8

3、 度的高烈 度地震区 ,南京也位于 7度区内。地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的 ,地面结构的抗震研究也达到实用阶段 ,各国已制订了各种地面结构物的抗震设计标准 ;对地下结 构的地震破坏却知之不多 ,地下结构的抗震研究才刚刚开始 ,现在还没 有地下结构抗震设计的标准。国内除了对地下管线的抗震作过一些分 析外,对于像地铁车站及区间隧道等这样的大型地下结构很少涉及。这 是因为 :和地面结构相比 ,面波随着埋深的增加急剧衰减 ,对地下结构的 影响较小 ;地下结构周围的岩土介质把从震源传来的地震波能量中的高 频成分吸收 ,使地下结构受到的地震荷载大大减小 ;同时地下结构的数 量不多 ,并且大局部是

4、小型地下结构如地下管线等 ,因而地下结构震害 数量较少,程度较轻 ,地下结构严重震害事例更是寥寥无几。 工程界只片 面强调地下结构受四周地层制约、抗震性能较好的一面,人们简单认为地下结构在地震时是平安稳固的 ,致使地下结构抗震研究严重滞后于地 面结构抗震研究。随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大 地下结构的抗震设计及其平安性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。2 地下结构在地震中的动态反响特性 地下结构在地震作用下 ,由于周围岩土介质的存在 ,会发生不同于地面 结构的响应。地震以地震波的形式传播能量 ,当地震波从基岩传入场地 时,土壤介质在地震波的作用下 ,会产生运动 通常是放大作用 ,同

5、时将运 动传递给地下结构。 对于小断面地下结构 ,在动力荷载作用下 ,土结构相 互作用可以忽略 ,此时地下结构随自由场土介质一起运动 ,因而动应力 较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土 -结构间的刚度失配时 ,地下 结构会产生过度变形导致地下结构的破坏。此时 ,地下结构与周围岩土介质之间会发生运动相互作用和惯性相互作用。考虑动力相互作用对 结构体系的影响主要有 :(1)作用在土结构体系的地震输入运动会发生 变化 ;(2)由于土的存在 ,体系变得更加柔性 ,使结构感觉到的输入相当 小 ;(3)从结构物向外传播的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼,对于近似弹性半空间的土壤场地 ,这种阻尼的增加很明

6、显 ,导致动力反响急 剧降低。根据大量的地震观测 ,发现地下结构与地面结构反响特性的差异主要表 现为 :(1)地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,结构的动力反响一般不明显表现出自振特性 ,特别是低阶模态的影响 ;(2)线形 地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大 ,入射方向发生不大 的变化 ,地下结构各点的变形和应力可以发生很大的变化;(3)地下结构在振动中各点的相位差异十清楚显 ;(4)地下结构在振动中的主要应变 一般与地震加速度大小的联系不很明显 ,对地下结构动力反响起主要作 用的因素是地基的运动变形 ,而不是地基加速度。 地下结构的破坏有以下主要特征 :(1)地下结构的

7、震害多发生在地层条 件有较大变化的区域 ,如地层由硬质到软质的过渡地带 ,或由挖土到填 土的过渡地带。在这些区域内 ,由于区域、地质条件的变化或地形的变 化 ,地层振动及位移响应也有较大不同 ,因而在其中产生大的应变 ,使地 下结构遭受破坏。 相反 ,假设某一地区地层较为均匀 ,即使地震中的烈度较 大,其中的地下结构也往往会较为平安。这一点不同于地面结构。 (2)在 结构断面形状和刚度发生明显变化的部位也容易发生破坏。墨西哥地震中发生的盾构法隧道与竖井连接部的环间螺栓被剪断即是由于结构 断面的急剧变化而使不同断面处产生了不同的响应的结果。因此,地下结构与竖井、 楼房等的结合部 ,地下结构断面发

8、生突变处 ,地下与地面结 构的交界处如隧洞的进出口部位,隧洞的转弯部位及两洞相交部位,均为抗震的薄弱环节。 (3)在地层发生液化处 ,当地下结构穿越断层地域或 结构与断层、软弱带相交的部位等时 ,也都易对地下结构造成破坏。3 阪神地震中地铁结构的破坏情况 阪神地震对地铁结构造成的破坏为世界地震史上大型地下结构在地震 中遭受严重破坏的首例。 在神户市内 2条地铁线路的 18座车站中 ,神户 高速铁道的大开站、高速铁道长田站及它们之间的隧道局部 ,神户市营 铁道的三宫站、上泽站、新长田站、上泽站西侧的隧道局部及新长田 站东侧的隧道局部均发生严重的破坏。在所受到的破坏中 ,有以下共同 的局部:它们都位于烈度为7的地区(JSC烈度区划中的7度相当于我 国的 10 度);(2)它们在建造时均采用了明挖法 ;(3)断面结构形式为带有中 柱的箱涵形框架结构 ;(4)它们的原设计中均未考虑地震因素。归纳起来 ,神户地铁结构的破坏有以下主要特点:(1) 不对称结构发生的破坏比对称结构严重。(2) 上层破坏比下层破坏严重。(3) 车站的破坏主要发生在中柱上 ,出现了大量裂缝 ,有斜向裂缝 ,也有竖 向裂缝,裂缝的位置有偏于上下端的 ,也有位于中间的 ;柱表层混凝土