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地铁建设中应充分考虑抗地震作用
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内容提示： 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安全性产生怀疑。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。
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安全性产生怀疑。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。（参考《建筑中文网》）
关键词 地震 地铁 破坏
1 前言
随着社会经济的发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,我国大部分地区为地震设防区,在全国300多个城市中,有一半位于地震基本烈度为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规范;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规范。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,并且大部分是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安全稳固的,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安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。
2 地下结构在地震中的动态反应特性
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显,导致动力反应急剧降低。
根据大量的地震观测,发现地下结构与地面结构反应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,结构的动力反应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别十分明显;(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,对地下结构动力反应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,若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安全。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部分,神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长田站、上泽站西侧的隧道部分及新长田站东侧的隧道部分均发生严重的破坏。在所受到的破坏中,有以下共同的部分:(1)它们都位于烈度为7的地区(JSCE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;柱表层混凝土发生不同程度的脱落,钢筋暴露,有的发生严重屈曲,有单向屈曲,也有对称屈曲的;大开站有一大半中柱因断裂而倒塌。有横墙处,中柱破坏较轻。
(4)地下结构上部土层厚度越厚,破坏越轻。
(5)站房上层中柱的中间部位几乎压碎,而线路段中柱仅在中间位置出现竖向裂缝。
(7)区间隧道的破坏形式上主要是裂缝;其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝。在接头处也有损害:混凝土脱落,钢筋外露以及竖向的裂缝。在破坏较严重处,中柱的上下端也有损坏。
4 神户市地铁破坏研究的初步结论
神户地震发生后,地震工作者对地震破坏展开系统的研究。其中对地下结构破坏的研究出现前所未有的热潮。研究采用模型实验、理论分析和数值模拟等多种途径相结合,其研究结论可归纳为以下几点:(1)地震时相邻地层间的相对位移是影响地下结构破坏的主要指标。研究结果显示相对位移较大处,地下结构破坏严重,相对位移较小处,破坏较轻,这与实际震害相符。(2)在水平地震动作用下,地下结构产生平时使用状态下所没有的较大的水平剪力和弯矩,使中柱中的剪力超过其抗剪强度产生剪切破坏,中柱的破坏是整个地铁结构破坏的根本原因。(3)竖向震动使中柱轴力大幅增加,水平震动和竖向震动的共同作用加剧抗震的薄弱环节———中柱的破坏。地震中竖向震动在地下结构中所起的作用不能忽视,特别是应考虑竖向震动与水平震动产生的内力的共同作用,不应仅将结构中轴力弯矩等内力分别与各自强度进行校核。(4)由于地层条件及截面尺寸的变化,在相邻地层、相邻构件间产生的竖向相对位移对结构内力的影响也不能忽视。这与美国60年代修建旧金山海湾地区快速地铁运输系统时,所得到的地铁震害是由于土体的地震变形作用于地下结构,从而使结构产生应力和位移,最终导致地下结构破坏的设计经验是一致的。
5 地铁建设中考虑地震的必要性和避免地震破坏的措施
由于以前的地震中地下结构震害事例较少、程度较轻,人们逐渐形成了这样一个观点:即地下结构具有较强的抗震性能,地震中不易遭受破坏。但通过对这个问题仔细分析即可发现,城市地下空间的大规模开发以及地下结构的大量建设是近年才出现的。在日本关东地震和我国唐山地震时代,东京和唐山市内的主要地下结构仅为一些给排水管道,数量不多,分布也不广泛。近年来,随着城市地下空间的开发利用,地铁系统、盾构法隧道、地下商业街、地下停车场及共同沟等大量兴建。而这些地下结构基本上还未曾经历过大的地震,它们真正的抗震性能也未得到检验。因此并不能简单地认为地下结构抗震性能好、地震中不易破坏。这一点已被1995年阪神大地震所证实。这次地震不仅使城市生命线工程(地下给排水管道、天然气管道等)遭到严重破坏,地铁车站及区间隧道等大型地下结构也受到破坏,其中产生了地铁车站完全倒塌而不能使用的先例。地铁的破坏,造成了极其严重的经济损失,给神户市的震后恢复重建工作带来严重影响,其本身的维修也非常复杂。阪神地震使工程界认识到必须重新具体评价地下结构抗震安全性,加强研究地下结构的抗震性能,对地下结构抗震设计提出相应的建议和抗震措施,这在大力提倡城市地下空间开发利用的21世纪,具有重要的理论意义和工程实用价值。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/1355.htm
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