地下結構抗減震研究與技術現狀

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0 引言

隨著全球經濟建設的快速發展，地下空間的利用已經成為學術界重要的研究課題。21世紀是地下工程大發展的世紀，地下結構的建設與發展具有更為廣闊的前景。地下結構建設的蓬勃發展使地下結構的抗震研究問題突顯出來，越來越多的震害表明，地下結構在強震作用下并不一定安全，甚至發生嚴重破壞。1985年墨西哥 8.1級地震，1995年日本 7.2級阪神地震以及 2008年我國四川汶川 8.0級地震等都造成了大量的地下結構的損壞。

隨著地下結構數量的增多和地下結構震害的頻繁出現，特別是阪神地震中地鐵車站及區間隧道遭到嚴重破壞的事實[1]，使得地下結構抗震問題日益受到人們的重視。研究地震作用下地下結構的穩定問題是當前巖土工程研究的熱點課題，具有重要的理論和實際意義。

1 地下結構震害機理

地下結構的地震反應和地面結構有著明顯的差別，地下結構的震害表現和機理均有著自身的特點。根據現場調查表明，地下結構震害形態的表現與很多因素都有密切的聯系，包括地震強度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質條件、襯砌的構造條件、隧道與圍巖的相對剛度及施工方法等等。根據以往地下結構在地震時所表現的行為可知，地震的主要或次要效應均可使地下結構遭受破壞。該效應包括兩個方面[2]:

1)圍巖失穩作用。周圍巖土介質對地下結構的震動和變形約束作用明顯，地下結構的動力反應一般不明顯表現出結構自振頻率的特征，其主要應變一般與地震所產生位移場的大小有密切關系。由于圍巖變位，在地下結構中產生強制變形而引起結構破壞。該類型的破壞多數發生在巖性變化較大、斷層破碎帶、淺埋地段或隧道結構剛度遠大于地層剛度的圍巖之中，這是目前公認的主要破壞形式。2)地震慣性力的作用。地層運動在結構中所產生的慣性力也會對地下結構造成破壞，該類型的破壞多數發生在淺埋或明挖的車站結構。這些地方圍巖對結構的約束作用相對較小，地震慣性力的作用表現得比較明顯。

圍巖失穩和地震慣性力作用是地下結構震害的兩種主要原因，其中起控制作用的主要是第一種原因。對震害的調查還可以表明，淺埋結構的地震破壞比深埋結構發生的頻度和程度都要高許多，因為在淺埋地段可能受到兩種因素的共同作用。

2 地下結構抗減震技術

目前我國工程界對地下結構抗震設計中結構構件應采用的抗震構造措施還缺乏統一認識，各相關規范對計算方法、抗震措施等規定也不統一。在實際工程中，主要采取三種措施進行減震[3]:

1)加固圍巖。通過對圍巖進行注漿等方法，提高圍巖的整體性和強度等，使圍巖剛度相對于襯砌剛度發生變化，從而使襯砌在地震中的響應減小。在圍巖條件較差的地方，加固圍巖也是常規設計中較常用的工程措施。在以后的研究中，應結合常規設計，調整圍巖加固、初期支護、二次襯砌等具體設計的參數及施作方法，削弱地下結構在地震中的響應。

2)改變地下結構本身的性能。主要是通過改變地下結構的剛度、質量、強度、阻尼等動力特性來減輕地震對地下結構的影響。主要措施為:減輕地下結構的整體質量;利用柔性管片接頭和采用鋼筋混凝土材料等措施，增加地下結構的延性和阻尼;盡量采用圓順的結構形狀，避免尖角，或采用抗震縫、仰拱等構造措施;減小結構的剛度，使結構的延性增大，在滿足正常使用的情況下，結構能隨著圍巖的變形而變形。

3)設置減震系統。減震系統就是對結構本體施加結構控制，由控制機構與結構共同承受地震作用，以協調和減輕結構的地震反應。對于高層建筑，結構控制已得到了應用，取得了實際的效果。而在目前的地下結構工程中，結構控制幾乎沒有得到大范圍的應用。

地下結構的地震減震研究最早始于盾構隧道。在襯砌與地層之間設置減震層，隔斷周圍地層對隧道的約束力，并用減震層吸收隧道結構與地層之間的應變和相對位移。減震材料可采用壓注方式注入到襯砌與圍巖之間的孔隙內，從而形成減震層。減震層的材料須有一定的彈性，使其在地震中不被塑性化。

對于一般地下結構，可以在保證其剛度的情況下，在地下結構與圍巖之間設置減震裝置，減震裝置的剛度可以進行調節，并具有一定的阻尼。地震時，減震裝置可以消耗大量的能量，減弱傳向地下結構的能量，從而使得地下結構的地震反應也大大減小。

3 地下結構震后修復技術

地下結構往往都是很重要的生命線工程。地震發生后，如何盡快有效地修復震害，使結構盡早投入使用，對救災的順利開展有著非常重要的意義。在阪神地震后，神戶對地下結構進行了修復，下面簡單介紹一下修復措施[4]。

3.1 混凝土中柱震后修復

在地震中，地鐵車站的混凝土中柱損害嚴重，對其進行修復加固是車站震后修復工作的主要內容，一般采取的方法為:

1)出現輕微裂縫，注入環氧樹脂進行加固;2)內部核心混凝土完好，表層混凝土脫落，箍筋和縱向筋出現彎曲外凸現象。在修復時，先除去破碎的混凝土，向鋼筋籠內填加H型鋼，然后用鋼板圍護，焊接鋼板，向鋼板與中柱混凝土之間填充無收縮水泥砂漿;3)箍筋脫落，縱向鋼筋斷裂，喪失了承載能力的中柱，采用鋼管混凝土復合中柱替代原有中柱。

由于震后修復工作的緊迫性，修復只能根據一般抗震設計計算結果和經驗型的加大安全系數的方法進行，總體的原則是，避免中柱發生脆性坍塌;修復后的中柱比原中柱有更好的延性和抗剪強度，以確保其在以后的地震時保持完好。

3.2 盾構隧道震后修復

采用鋼管片來加固修復，對于沒有嚴重損傷的混凝土管片，可以在損壞部位的內側安裝特制鋼環管片來加固修復。但是這種做法會使隧道內徑變小，為管理和維護留有隱患。所以對盾構管片的接頭和防水橡膠層抗震性能進行研究，并制定日常的檢修和維護管理措施。

4 結語

地下結構震害表現形式多樣，破壞機理復雜，影響因素較多。且地下結構震害會造成嚴重的經濟損失，給震后恢復重建工作帶來嚴重的影響，其本身的維修也非常復雜。因此，必須重新具體評價地下結構抗震安全性，加強研究地下結構的抗震性能，提出相應的建議和抗震措施。這在大力提倡地下空間開發利用的現在，更具有重要的理論意義和工程實用價值。

[1] 于 翔.地鐵建設中應充分考慮抗地震作用——阪神地震破壞的啟示[J].鐵道建筑技術，2006(6):32-35.

[2] 何海健，劉維寧，王 霆.地下鐵道抗震研究的現狀與探討[J].中國安全科學學報，2005，15(8):3-7.

[3] 孫鐵成，高 波，葉朝良.地下結構抗震減震措施與研究方法探討[J].現代隧道技術，2007，144(3):1-5.

[4] 季倩倩，楊林德.地下鐵道震害與震后修復措施[J].災害學，2001，16(2):31-36.