基于《城市軌道交通結構抗震設計規范》的地鐵地下結構抗震設計問題探討*

侯莉娜 文保軍

(1. 西安工業大學建筑工程學院，710021，西安；2. 中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，710054，西安//第一作者，講師)

0 引 言

地鐵地下結構在地震作用下可能會出現嚴重的破壞，其抗震安全成為目前工程設計中需要考慮的重要技術問題[1-6]。然而，一直以來我國沒有專用的城市軌道交通結構抗震設計規范。地面和地下車站結構、區間隧道結構一般均采用建筑結構抗震設計理論、方法和規范[7]。為此，中華人民共和國住房和城鄉建設部頒布了GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》[8](以下簡為“新抗震規范”)，為我國城市軌道交通結構的抗震設計提供了技術標準。因此理解和運用好該規范是做好地下結構抗震設計的基礎。

將新抗震規范與地上民用建筑抗震設計規范的相關參數進行對比分析，重點對地下結構的設防目標及水準、地震動參數以及抗震措施等方面的問題進行了探討。通過分析地下結構的抗震設計思路，總結出便于一般設計人員理解的地鐵地下結構 “兩水準、兩階段”的設計方法。同時，針對新抗震規范中地震動參數以及抗震措施等方面存在的一些值得商榷的問題，給出了相關建議。以期對設計人員理解和運用新規范提供一定的參考。

1 地鐵地下結構抗震設防目標及水準

1.1 抗震設防分類

《建筑工程抗震設防分類標準》[9]規定：抗震設防區的所有建筑工程應確定其抗震設防類別。制定建筑工程抗震設防分類的行業標準，應遵守該標準的劃分原則。

新抗震規范將城市軌道交通結構劃分為標準設防類、重點設防類及特殊設防類3個抗震設防類別。設防類別劃分原則與《建筑工程抗震設防分類標準》中的規定一致，但取消了適度設防類。

地鐵地下結構屬于交通運輸類，設防分類為重點設防類。特殊設防類適用于特殊情況，標準設防類不包含車站和隧道主體結構，故本文對此不再討論。

《建筑工程抗震設防分類標準》規定：重點設防類應按高于本地區設防烈度一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。

新抗震規范規定：重點設防類抗震措施應按照本地區抗震設防烈度提高一度的要求確定；地震作用應按現行國家標準GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》規定的本地區抗震設防要求確定；對進行過工程場地地震安全性評價的工程，應采取經國務院地震工作主管部門批準建設工程的抗震設防要求確定地震作用，同時不應低于本地區的抗震設防要求。

相比《建筑工程抗震設防分類標準》中重點設防類結構的設計要求，當抗震設防烈度為9度時，重點設防類的地鐵地下結構應按照本地區抗震設防烈度提高1度的要求進行確定，但對采取的抗震措施，規范則未具體說明。

1.2 抗震設防目標及設計方法

1.2.1 民用建筑抗震設防目標及設計方法

根據《建筑抗震設計規范》[10]，民用建筑的抗震設計一般遵循 “三水準、兩階段”的設計思路。

其抗震設防目標為：

(1)第一水準：在遭受低于本地區規定設防烈度的地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需要修理仍可繼續使用。

(2)第二水準：在遭受本地區規定設防烈度的地震影響時，建筑物經一般修理或不需要修理仍可繼續使用。

(3)第三水準：在遭受高于本地區設防烈度的預估罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

兩階段設計總結如下：

(1)第一階段：對絕大多數結構進行多遇地震作用下的結構和構件承載力驗算和結構彈性變形驗算，同時對各類結構按規范規定采取抗震措施。

(2)第二階段：對一些規范規定的結構進行罕遇地震下的彈性變形驗算。

同時在設計中通過良好的抗震構造措施使第二水準要求得以實現，從而達到“中震可修”的要求。即建筑結構在多遇地震作用下應進行抗震承載能力驗算，以及在罕遇地震作用下應進行薄弱部位彈塑性變形驗算的抗震設計要求，而在設防烈度地震下，可進行彈性或彈塑性變形驗算。

1.2.2 地鐵地下結構抗震設防目標及設計方法

地鐵地下結構抗震設計時，應根據不同的抗震性能要求來確定抗震設防目標。其中，一般車站地下結構抗震設防目標如表1所示。

表1 一般車站地下結構抗震設防目標

若將E 1、E 2和E 3地震動水準理解為分別對應民用建筑中的多遇地震、設防烈度地震及罕遇地震，則一般地下結構設防目標可理解為：①第一水準：在遭受低于和等于本地區規定的設防烈度的地震影響時(E 1、E 2地震)，地下結構不破壞、輕微破壞或不需要修理仍可繼續使用。②第二水準：在遭受高于本地區設防烈度的預估罕遇地震影響時(E 3地震)，結構不出現局部倒塌。即：“小、中震不壞，大震可修”。

抗震設計在E 1和E 2地震階段(第一階段)進行多遇地震和設防烈度地震作用下的結構和構件承載力驗算和結構彈性變形驗算，對各類結構按新抗震規范規定采取抗震措施，從而達到“小震、中震不壞”的要求，即“小、中震不壞”均按彈性階段設計；在E 3地震階段(第二階段)進行罕遇地震下的結構局部彈塑性變形驗算，即“大震可修” 按彈塑性階段設計，并由變形限值進行控制。

綜上所述，對于城市軌道交通中一般的地下結構的抗震設計可遵循 “兩水準、兩階段”的設計思路。

2 地鐵地下結構抗震設計地震動參數

2.1 設計基準期

設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性能取值而選用的時間參數。目前，民用建筑相關規范中，對于不同設計使用年限結構在設計中的差異，設計基準期主要通過可變荷載和材料性能參數的不同取值來體現。

2.1.1 可變荷載

對于可變荷載，文獻[11-12]通過設計使用年限調整系數對不同設計使用年限結構進行調整。

2.1.2 材料性能

文獻[13]對不同設計使用年限結構，通過混凝土耐久性做出相應要求來滿足材料的要求。

對于如何考慮設計使用年限為100 a建筑(如一般的地鐵地下結構)的地震作用，規范并未做出說明，因此無論在民用建筑還是地下結構設計中，目前均廣泛采用50 a設計基準期對應的參數，這一做法是否合適，還需進一步研究。

2.2 地震重現周期

地震發生的概率近似為泊松分布或二項分布，按照泊松分布計算時：

(1)

式中：

P——地震發生的超越概率；

t——結構設計使用年限；

民用建筑t為50 a時，多遇地震、烈度地震、罕遇地震的50 a設計基準期的超越概率分別為63%、10%和2%。根據式(1)計算可得，相應n分別為50 a、475 a和2 475 a。

新抗震規范規定：E 1地震作用n為100 a，E 2地震作用n為475 a，E 3地震作用n為2 475 a。根據式(1)可知，E 1地震對應的地震為50 a超越概率為40%，E 2地震對應的地震為50 a超越概率為10%，E 3地震對應的地震為50 a超越概率為2%。

由上述分析可知，E 2地震可看作對應于民用建筑的基本烈度地震，E 3地震對應罕遇地震，E 1地震則強于多遇地震。

例如，西安地鐵6號線一期地震安評報告的編制工作是在新抗震規范實施之前完成的。其中，地震動參數是根據中國地震局專家意見并結合國內外經驗進行確定：50 a設計基準期的超越概率分別為63%、10%和2%，100 a設計基準期的超越概率分別為10%和2%。而西安地鐵6號線二期地震安評報告的編制工作是在新抗震規范實施之后完成的，其地震動參數根據新抗震規范選取為：50 a設計基準期的超越概率分別為40%、10%和2%。由此可知,新抗震規范頒布前后地震動參數的選用變化情況。

實際上，設計使用年限為100 a的結構工程，若P仍為10%(具體概率應根據研究確定)，其相應的n應為950 a，對應的基本烈度應為8.49度。根據基本烈度計算出相應的峰值加速度，從而確定相應的地震力。

但是由于地震作用計算的復雜性和不確定性，目前國內包括文獻[14-15]在內的相關規范規定，當結構設計基準期為100 a，在地震作用計算中超越概率均采用50 a，此時僅通過對地震加速度進行放大便可解決該問題。

2.3 地震動參數

2.3.1 民用建筑

地震設防烈度根據設計的基本地震加速度進行確定，并按設計的基本地震加速度為50 a、設計基準期超越概率為10%的地震加速度進行取值。8度區地震加速度設計值為0.2g和0.3g。

2.3.2 地鐵地下結構

新抗震規范中對于抗震設防地震動峰值加速度與抗震設防地震動分檔的對應關系，直接引用了GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》的規定。該做法與民用建筑相一致。

與幼兒談話，是發展幼兒語言能力較好的一種方法。但在實際教學中我們發現，和幼兒談話時，剛開始幼兒往往有著很強烈的交流欲望，但隨著活動的進展和時間的推移，幼兒往往會出現注意力不集中、交流興趣下降、談話效果不理想的狀況。

但由于地鐵地下結構設計使用年限一般為100 a，新抗震規范在計算地震作用時，通過設計地震加速度反應譜曲線(對應地上建筑的地震影響系數曲線)中反應譜動力放大系數βm(取2.5)對地震力進行放大。該做法即是規范對50 a設計基準期超越概率的一種地震力放大。

2.4 地震作用計算

由于在彈性條件下，E 1地震下地震作用必然小于E 2地震下地震作用值，故在抗震性能I下，采用50 a設計基準期、超越概率為10%的地震動參數進行地震作用計算即可。在E 3地震作用下，抗震性能II采用50 a設計基準期、超越概率為2%的地震動參數應進行結構局部彈塑性變形驗算。

凡是已經進行地震安全評價的工程，設計地震動參數應根據地震安全評價的結果確定。在進行設計計算時，主要應根據人工合成地震波的數據來完成。

3 抗震措施

抗震設計包括地震作用計算和抗震措施?？拐鸫胧┦浅说卣鹱饔糜嬎愫蜆嫾沽τ嬎阋酝獾目拐鹪O計內容，主要包括建筑總體布置、結構選型和地基抗液化等措施，同時需考慮概念設計對地震作用效應的調整，以及各種抗震構造措施。本文主要討論地鐵地下結構的抗震構造措施，以及概念設計對地震作用效應的調整等問題。

依據文獻[8-9]，重點設防類結構均應按高于本地區設防烈度1度的要求加強其抗震措施。

3.1 抗震構造措施

民用建筑抗震構造采用梁柱箍筋加密及非結構構件抗震構造等措施，且不同的抗震等級對應不同的抗震構造措施。針對重點設防類結構，采取的抗震構造措施為：通過將本地區設防烈度提高1度來確定抗震等級，同時調整對應民用建筑結構的最小配筋率，以及采取錨固措施等。

文獻[10]規定，結構的抗震等級與結構的高度、結構形式、跨度、設防烈度等相關。文獻[14]規定，橋梁的抗震等級與橋梁分類和設防烈度等相關。

新抗震規范第10.5.2條規定：特殊設防類、重點設防類結構的抗震等級宜取二級，標準設防類結構的抗震等級宜取三級，其與結構形式、跨度和地震烈度無關。

地鐵地下結構的抗震構造措施由結構措施和地基加固措施組成。其中，地基的加固措施取決于場地地質條件，同民用建筑地基部分基本一致。

新抗震規范中結構的抗震構造措施主要體現在軸壓比限值中。該值主要用來控制柱箍筋的配置。重點設防類結構在箍筋配置上強于標準設防類結構，其余構造措施基本無具體區別；對于馬蹄形或圓形隧道結構，上述抗震構造措施針對重點設防類結構和標準設防類結構并無區別。事實上，根據新抗震規范，地鐵地下結構抗震等級已經確定，無法參照民用建筑通過調整結構的抗震等級，進而對結構通過抗震構造措施來進行調整。

3.2 地震作用效應調整

民用建筑對地震作用效應的調整，是通過結構抗震等級對地震作用采用不同等級的放大系數，如采取強柱弱梁、強剪弱彎、強節點等措施來實現的。提高抗震措施，主要體現在增加結構薄弱部位的抗震能力上，它是一種經濟有效的方法。對重點設防類結構采取的抗震措施為：通過對本地區設防烈度提高1度來確定抗震等級，進而實現對對應梁柱結構的內力調整。

對于地鐵地下結構，雖然新抗震規范規定對重點設防類結構所在地區提高1度進行抗震設計，但并未說明地下結構是否也要通過內力調整來滿足地下結構的強柱弱梁、強剪弱彎和強節點設計等要求。同時，對于如何提高1度設防烈度來進行抗震措施設計，規范中并無明確規定。其次，同結構抗震構造措施，由于地鐵地下結構抗震等級已經確定，與設防烈度無關，無法參照文獻[10]通過調整結構的抗震等級對結構內力進行調整；對于區間礦山法馬蹄形和盾構圓形隧道，由于斷面中沒有明顯的梁柱節點，亦無法通過上述措施對結構內力進行調整。

由此可見，對于地鐵地下結構，新抗震規范并未明確規定符合抗震設防標準要求的抗震措施是按照本地區抗震設防烈度提高1度的要求來制定的。因此，地鐵地下結構的抗震等級應該綜合結構形式、結構高度、地震烈度等因素來確定。在此基礎上，根據不同的抗震等級進行結構構造措施和地震作用效應的調整，以滿足抗震設防要求。同時，應明確地震作用效應的調整方法，尤其是增加地下區間礦山法馬蹄形和盾構圓形隧道的具體調整措施，給出更為具體的結構構造措施，以完善地鐵地下結構抗震措施的可操作性。

4 結論

針對新抗震規范，通過與地上民用建筑抗震設計相關參數進行對比分析，同時對地鐵地下結構抗震設計若干問題進行探討，得到如下結論：

(1)目前,對于一般的地鐵地下結構，可遵循 “兩水準、兩階段”的思路來進行抗震設計。

(2)現有民用建筑、公路橋涵以及城市軌道交通的抗震設計，無論設計基準期為50 a還是100 a，無論結構設計使用年限為50 a還是100 a，地下結構抗震設計地震動參數的選取都是基于50 a設計基準期、超越概率為10%的地震烈度而確定的。因此，地鐵地下結構抗震設計的地震動參數選取應與其設計基準期一致。

(3)地下結構的抗震等級應該綜合結構形式、結構高度和地震烈度等因素進行確定。

(4)應完善地下車站結構抗震措施的可操作性，針對不同抗震等級的地鐵地下結構，應明確地震作用效應調整方法，并給出更為具體的結構構造措施。

(5)應增加地下區間礦山法馬蹄形和盾構圓形隧道具體的抗震措施。