地鐵建設中抗震作用的必要性研究

[摘要]隨著我國經濟的高速發展，地鐵的規模及數量也日趨增加。地下結構一直被認為具有良好的抗震性能，然而5.12汶川大地震后，地下結構出現了或多或少的破壞，使人們對地下結構的抗震安全性及必要性得到重視。研究表明，地下結構具有不同于地面結構的抗震性能和破壞特征，在某些情形下，同樣會發生嚴重甚至強于地面結構的破壞。

[關鍵詞]地鐵 地震 破壞

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310072－01

一、概述

隨著社會經濟的發展和城市人口的激增，地面交通愈來愈不堪重負。為了減少地面交通量，人們開始尋找新的交通模式，地鐵應運而生。我國地處于環太平洋地震帶上，地震活動性非常頻繁。地震對地面結構所造成的破壞是人所共知的，而對地下結構的地震破壞卻知之不多。隨著地下空間開發和地下結構建設規模的不斷加大，地下結構的抗震設計及其安全性評價的重要性、迫切性愈來愈明顯。

二、汶川地震中對地鐵結構的破壞分析

在5.12汶川大地震中成都和重慶地區在此次地震中的地震烈度在6-7度左右，總體來說沒有明顯震害發生，經受住了考驗。從成都地鐵情況看對于地下車站和礦山法區間由于其整體性較好剛度較大，震害較小，但對于盾構隧道由于采用預制管片拼裝，螺栓柔性連接，整體剛度較弱，盾構隧道與地層基本產生相同的震動變形，分別產生橫向與縱向正弦撓曲變形和剪切變形，因此盾構隧道產生較多的管片錯臺、局部破損、螺栓拉壞和滲水等明顯震害現象。而且現場表明盾構管片間及各環間滲水面積有加大跡象，為此有必要對管片的防水作進一步的研究。通過查閱資料分析國內外地震對地下結構破壞的情況表明：地鐵區間隧道相對地下站臺較為安全，特別是盾構隧道本身無結點且為柔性連接所至。所以地鐵區間隧道的單線、單洞防震效果要優于單洞雙線，特別是對過江隧道的地鐵區間隧道從抗震角度看應采用小洞方案；地鐵區間隧道不論是礦山施工還是盾構法施工，其二襯結構應以一次澆筑成型為優，應盡量避免在斷面上采用分段或分層澆筑；強震時地鐵車輛是優先進站還是就地停車，待確認車站結構安全性后再處置；當軌道線附近存在高邊坡時，應分析高邊坡包括在地震力作用下的穩定性及對隧道或高架線的影響；在強震區地震活躍地帶，要研究有利于抗震的隧洞合理埋深或采用高架跨越的合理性；對于高架車站，當采用車站與線路合一結構時，應采用規則布置，盡量使幾何形心與荷載重心重合；當采用車站與線路分離結構時，車站與線軌連接應符合抗震設計要求。

三、地鐵建設中避免地震破壞采取的措施

基于目前我國尚缺乏研究和評價強烈地震環境下地鐵地下結構系統動力學行為與致災機理的有效途徑及手段。目前可用于地鐵地下結構系統震災動力學行為研究與評價的主要途徑及手段有：原型觀測、構件試驗、模型試驗（主要是動力離心模型振動臺試驗）和數值模擬。由于地鐵地下結構-土體系統的震災動力學行為是極其復雜的。在高烈度地震環境下結構與土材料均可能呈現出明顯的非線性、彈塑性或者塑性性態；結構和土體之間的接觸處還可能出現局部脫開、滑動、錯位、張閉等非連續變形現象；地下結構-土體系統的動力相互作用的過程多是強非線性的、三維的、速率效應和循環效應影響均很突出的，并伴隨有結構材料、特別是土材料本身的物理力學性質的弱化；地下結構-土體系統的破壞通常是漸進性的、局部化的，相互關聯的。加之，由于地震載荷具有隨機性、難以預測性以及結構物和周圍土體及其所構成系統本身的極其復雜性，目前還沒有哪一種手段能夠對地鐵地下結構震動響應及其抗震安全性進行全面而合理的分析評價。目前研究地下結構抗震性能的主要途徑有：原型觀測、模型試驗和數值模擬。由于問題的極其復雜性，目前還沒有哪一種手段能夠完全實現對地下結構動力反應進行全面而真實的解釋和模擬。一般是通過原型觀測和模型試驗結果來部分的或定性的再現實際現象、解釋物理機制、推斷變化過程、總結特性規律和分析災變后果，在此基礎上建立合理的能夠反映實際動力相互作用規律的數理分析模型，發展相應的數值分析方法；再通過模型試驗和原型觀測結果加以驗證。然后對不同抗震設計方案進行計算分析，盡可能地再現和模擬其實際動力反應，研究其抗震性能，提出相應的抗震對策。這是研究和評價地下結構抗震性能的較為合理的有效途徑。為改變目前我國在這一研究領域中的落后局面，需要在理論分析、數值模擬和模型試驗等方面開展更為深入的工作，系統地研究地鐵車站及區間隧道等的地震反應，以在抗震分析及設計方法與理論基礎、設計規范等方面有實質性的突破。對抗震減災建議開展兩方面的工作：一方面工作為震害發生時城市軌道交通指揮、通訊及應急應對機制研究；另一方面開展震后軌道交通安全檢測評估機制與手段及恢復交通功能所需的條件和措施。所以首先應加大對城市軌道交通抗震研究的投入。每個設防城市的地鐵系統都應有地震動監測的設施，并能與當地的地震監測部門聯網，當有地震發生時能夠準確地記錄地下交通設施的受震情形和動態。其次城市軌道建設單位和管理部門應配備適量的建筑結構完好狀態檢測設備和建立可靠的建筑結構完好狀態評判標準和辦法，以便在震害發生后快速、準確地對線路設施狀況做出判斷，保證運用安全，避免憑目測就做出結論的盲目行為。

四、結束語

針對我國尚缺少完善的地鐵地下結構抗震分析方法和專門的地鐵結構抗震設計規范的現狀，在分析目前我國地鐵等地下結構抗震研究及設計方法的基礎上，建議迫切解決的五個關鍵問題：（1）合理的地下結構動力分析模型；（2）成熟的地下結構-地基系統動力相互作用問題分析方法；（3）合理而實用的地鐵地下結構地震破壞模式和抗震性能評估方法；（4）地鐵地下結構抗震構造措施；（5）地鐵區間隧道穿越地震斷層的設計方案及工程措施?？拐鹪O計中應該考慮未來可能發生的城市淺層直下型地震動的特點，重點解決：（1）合理的地震動輸入機制及設置標準；（2）區間隧道抗震設計要考慮沿隧道的縱向與橫向兩個方向的行波效應；（3）大型車站系統應該進行動力分析評價。（4）重大災害發生時城市軌道交通的應對機制。（5）重大災害發生后城軌交通安全檢測評估與功能恢復機制。（6）編制“地下工程抗震設計規范或指南”。（7）應該對我國運營及在建的軌道交通系統開展地震安全性評估工作。

參考文獻：

[1]林皋，地下結構抗震問題，見：第四屆全國地震工程會議論文集，1994.

[2]馬險峰等，神戶市地鐵車站的震害及修復，鐵道工程學報，1998（增刊）.

[3]雷謙榮譯，地震對地下洞室的破壞，地下空間，1992（4）.

作者簡介：

李積鴻，男，漢族，青海樂都人，助理工程師，主要從事地鐵建設。