城市淺埋隧道的抗震及減震措施分析

羅軍偉

摘 要：由于當今社會的不斷發展使得城市化的進程迅速加快，地上以上的交通方式早已不能滿足交通發展的步伐，地下淺埋隧道不斷興起。但是由于技術不成熟或是管理不善等原因，而且地下條件復雜多變，對于淺埋隧道的抗震以及減震一直是人們熱衷的課題。文章通過對地下淺埋隧道的分析，提出了一系列的抗震及減震措施，以供參考。

關鍵詞：淺埋隧道；抗震；減震

引言

城市化進程的不斷加劇，交通給城市帶來的壓力也會隨之不斷增加，新興的地下交通正在不斷改善著城市的交通網絡。一般來說，人們覺得地下軌道交通比地上的安全性更高，而且還擁有更好的抗震性能。然而1995年日本阪神大地震造成了地下軌道交通嚴重破壞，人們開始注意地下淺埋隧道的抗震問題。很多類似現象表明，地震會對城市淺埋隧道造成嚴重破壞，一旦破壞，后果不堪設想，給人們的生命及財產安全均帶來嚴重后果。就目前我國現有的狀況來看，很多淺埋隧道建于地震頻發地帶，但是卻沒有很好的抗震措施，因此，為增強對市區地震反應分析和淺埋隧道的減震方法探究，提出相應的建議是非常必要的。

1 淺埋隧道的震害特點與震害機理

地下淺埋隧道的結構（如圖1）不同于地上，大多采用具有較好抗震性能的能夠適應地層變形的裝配式圓形結構與及整體現澆鋼筋混凝土結構。淺埋隧道震害的形態差異和施工的難易程度、地震波的特性、震源距離和地震強度等有著十分重要的關系。地震對于地下的破壞相當嚴重，不僅會使得淺埋隧道的構造發生變形并且遭到損壞，并且還會波及地下的構造。針對抗震能力的探究必須考慮到地基與構造能否抵抗這些變形，因此針對淺埋隧道構造的設計不僅要求構造在靜載與地震載荷的情況下擁有相當的強度，并且需要在發生地震時可以極大程度地吸收地震的能量，并產生較小的形變。

淺埋隧道在地震中遭到破壞是周圍地層失穩與地震慣性力作用引起的，地震的慣性力起到非常重要的作用。地震慣性力是指由于強烈地層的運動致使構造中產生慣性力，慣性力在淺埋和明挖的隧道結構中，作用則更加顯著。在隧道結構剛度遠大于地層剛度的淺埋地段圍巖、斷層破碎帶巖性變化較大之中，在隧道構造中圍巖變位導致圍巖中掩埋的構造發生強制形變而發生損壞。

2 地震對于淺埋隧道的危害

地震對于淺埋隧道的危害主要表現在以下幾個方面：第一，影響結構破壞的主要指標就是在發生地震時相鄰地層間的相對位移；第二，淺埋隧道受到地震影響程度相對較小的主要因素是受周邊介質的約束效果明顯，在低階模態的影響作用下，構造的動力反應通常表現出自震特性的不顯著；第三，當震動是水平方向時，地下構造受到在日常應用情況下沒有受到的剪力與水平彎矩，導致中柱的剪切力遠大于其最大抗剪強度而發生剪切損壞，在中柱發生損壞后，伴隨著豎向震動使得中柱軸力迅速增加，致使中柱的破壞程度加大；第四，淺埋隧道在地震荷載的影響下與其周邊介質共同發生運動，結構與周圍介質之間的剛度失配與構造存有明顯慣性時，構造會發生過度變形而損壞。

3 隧道減震措施與抗震加固

對淺埋隧道抗震方法的探究，考慮到其地震荷載通過地基位移作用于襯砌構造，主要包含三個方面。第一，增強隧道襯砌構造本身抗震性能；第二，減小地基的位移；第三，減小隧道襯砌與地基之間的相互作用。

3.1 降低地基的位移

降低地基位移是減少隧道受地震影響的一種行之有效的舉措。在設計隧道路線時，要盡可能地躲避可能受到地震重大影響的土體。按照使用要求，對城市淺埋隧道進行規劃，所以不可能避免所有的施工路徑均不經過地震帶，所以在研究的過程中不可能只考慮隧道線形，還要考慮在發生不可避免的情況時所采取的措施。

3.2 提高隧道襯砌結構自身的抗震性能

提高隧道襯砌構造本身的抗震性能首先是更改隧道構造本身的性能，主要包括隧道的阻尼、強度、質量以及剛度等。具體表現為假如降低隧道構造的剛度，構造會更加容易依據地層的形變而形變，導致隧道構造的反應降低。減震是指在隧道構造和地層間設置減震層，使得地層的形變會經過減震層降低，因此很難傳達到隧道構造上，降低隧道構造的地震反應。更改隧道構造性能的減震舉措主要是通過更改隧道構造的質量、阻尼、強度、剛度等動力特點來減小隧道構造的地震反應。

3.2.1 降低混凝土的質量。降低混凝土質量一般使用的方法是應用輕骨料混凝土，混凝土質量的降低，能夠使隧道構造的地震反應減輕。但是輕骨料混凝土雖然能減輕質量，但是相應的混凝土強度也會發生降低，可以在輕骨料混凝土中加入鋼纖維來增加強度，例如陶粒混凝土、陶粒鋼纖維混凝土。

3.2.2 提高構造的強度與阻尼。增加結構強度和阻尼主要包括以下三個方面：第一，在隧道構造中加入大阻尼的材料，致使材料變成大阻尼的復合構造，同時可以達到抗震的效果；第二，使用聚合物混凝土，聚合物混凝土能夠增強混凝土的柔韌性、彈性與阻尼，在發生地震時隧道構造能吸收地震產生的能量，達到減小地震效果的作用，如聚合物鋼纖維混凝土；第三，使用鋼纖維混凝土，能夠提高混凝土抗折性、抗拉性、韌性和延性，使得隧道構造在地震中可以更好的吸能，減小混凝土對地震的影響，防止隧道結構發生破壞。

3.3 以及降低地基和隧道襯砌間的相互作用

在隧道構造和周圍覆蓋比地層剛性較小的減震材料，對隧道構造形成減震層，致使在發生地震時地層的形變較難傳遞到隧道構造物上，因此減小了地震對隧道的影響，起到了減震的顯著作用。減震層能使得周邊地層對隧道的約束力降低，并且還可以吸收隧道與地層之間的相對應變與位移，針對減震層材料的設置既可以使用液體壓注，也能夠使用固體在施工時直接覆蓋。

4 結束語

對近年來地震的數據分析表明，地震不僅會對地下淺埋隧道形成嚴重損壞，還會對地上建筑物造成巨大危害。地下淺埋隧道是城市交通的重要組成之一，起著非常重要的作用。地質層復雜多樣，但是地下軌道的修建必須要有相應的路線，所以不可避免的要經過地震頻發地帶，很多問題需要從實踐和理論上做進一步的驗證和探討。例如隧道的交叉部位、長短隧道的施工、連拱隧道等。針對淺埋隧道等地下構造的地震反應系統探究對城市交通的發展有著重要意義。

參考文獻

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