大型城市地下空間結構抗震設計方案探究

許平（中鐵二院工程集團有限責任公司機械動力工程設計研究院 四川成都610000）

0 引言

當地震發生時，從震源釋放的部分能量以波的形式向四周傳播而形成地震波，它可以分為縱波、橫波和面波[1]。20 世紀80 年代以來，有關機構發布了許多關于大地震后城市地下結構的破壞的研究報告[2]。通常情況下，人們會覺得地下空間的抗震性能高于地面建筑的抗震性能，地下結構的地震安全性并沒有引起人們的重視，以往學者們普遍認為地下結構完全被土體所包圍，地震時地下結構比地面結構安全[3]。但在近些年的大地震當中，許多城市地下空間結構出現了嚴重的破壞甚至完全倒塌的現象，這些地震災害帶來的慘痛教訓再一次警示人們，必須科學地加強中國城市防震減災體系的建設，保障國家經濟、社會發展穩定的需求[4]，所以做好地下空間的抗震設計就尤為重要。

1 中國城市地下空間開發利用特點

中國城市地下空間起步及開發于20 世紀60~70 年代，當時地下空間的建設主要以地下鐵路、地下工廠以及人防工程建設為主，但經過中國經濟的幾十年發展，現階段我國城市地下空間使用主要體現在以下方面：

1.1 大型地下水下隧道工程

中國已經建設完成多條過江隧道以及外灘觀光隧道，其中寧波以及南京等城市已經建設完成過江隧道。

1.2 以防御戰爭為主要目的的地下建筑

中國建國初期階段，我國國防建設處于相對較為緊張的狀態，因此國家有計劃的進行了大批量的地下軍事防護工程建設。20 世紀80 年代中期以后我國進入了和平建設階段，將已經完成的老舊地下工程建筑再次開發進行利用。

1.3 與人防工程想結合所建設的地下建筑

這種方式在中國許多城市的地下空間中都有所體現，比如西安的鼓樓廣場以及其地下工程，將古代與現代、地下與地上相互結合，為市民提供一個游玩放松的文化廣場。

1.4 以緩解當地交通壓力所建設的地下隧道工程

中國城市地下軌道交通發展最明顯的例子就是北京地鐵的開發與建設，北京地鐵是我國城市地下空間的城市交通建設的先河，北京地鐵的建設為城市交通運輸提供服務。

1.5 城市共同溝建設

中國多個城市已經使用了城市共同溝建設，并已經取得一定的成效，比如上海所建的防洪排澇地下雨水調節池、各類地下能源存儲與供給設施以及雨污水地下收集處理設施等。21 世紀后，中國城市地下空間的使用數量增長速度直線上升，并且空間體系也不斷的得到完善，中國也已經成為了世界上城市地下空間使用大國。

2 減輕和防御地下結構震害的工程措施

地震對于地下空間的影響共有兩類，一種是振動作用，一種是地基失效，兩種都能在很大程度上影響地下空間的安全性。

影響地震破壞的主要原因分為：地下空間結構的形狀、地下空間結構的大小和地下空間結構的深度，地下空間結構周圍巖土的性質，結構自身的功能以及地震幅度的大小。提高地下空間的抗震能力引起破壞的策略取決于地下結構的失效模型，假使地下空間結構的整體穩定性出現問題，應加強其自身結構以及毗鄰的地層結構。例如隧道口在入口以及車站部分都會發生剛度突變，導致地下結構受差異位移，并造成產生應力集中的現象。解決這種接頭問題最簡單的辦法就是使用柔性接頭，通常情況下隧道抗震分析認為隧道襯砌是連續的，但實際情況下隧道通常是由切片所拼裝而成的，切面接頭的鏈接設計應滿足未來所發生的地基變形情況。

對于圓形隧道來講，最常見的震害情況是隧道與周圍地基土接觸面受損，并且導致隧道襯砌的強度下降。針對第一種震害現象，可以通過改良地基的施工技術，并且加強隧道與地基之間的接觸，保證隧道的安全性。針對第二種震害現象，可以通過施工時利用鋼筋混凝土以及鋼構件加強隧道襯砌的強度。如在設計蘇州太湖新城地下空間時，地下結構采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，頂板3m，負一層以及負二層板厚1.4 m，底板厚12m，側墻負三層厚8m，負二層厚7m，負一層厚6m，頂板框架梁6.5 m×12m，負一層以及負二層框架梁5 m×6m，柱9 m×9m，其施工現場如圖1 所示。

圓形隧道的使用期限受襯砌與周圍巖土介質的接觸特性所影響，圓形隧道的加強手段包括增加襯砌厚度、附加鋼襯砌、設置隔震層以及增加配筋等。由于增加結構的強度能夠增加地震造成的不良影響，因此，增加襯砌厚度不一定是良好的措施。假使計算的軸力或者彎矩較大，改進隧道抗震性能的有效措施可能是通過提高襯砌延性并不是增大強度。通常情況下增強襯砌能夠提供適當的延性，由于設置環向焊縫接頭部位可能會造成橫向剪切發生變形，該部位不應成為簿弱部位。除此之外環向焊縫接頭還應當適當的考慮抵御滲漏的能力。如在修建地鐵時，地鐵的地下結構抗震通過附加鋼襯砌等措施，地基的加固方式與場地的地質條件有關，與民用建筑地基部分基本相同。

圖1 蘇州太湖新城地下空間施工現場

3 結語

城市地下空間發展是全世界城市發展的必然方向，并且已經成為衡量城市現代化的重要手段。中國城市的地下空間開發以及應用程度以及范圍正在逐漸增加，地下空間建設逐漸從點狀想網絡狀進行擴展，但現階段我國城市地下空間的開發以及利用水平上與其他發達國家中的城市相比還存在些許差距，并且缺少科學的發展方向以及規劃。

中國的地下空間開發及利用已經進入飛速發展階段，其中很多地下工程建設在高烈度地區，并且現階段我國缺少完善的地下空間結構抗震的方案設計以及有效的抗震結構研究，通過對發展合理并且可靠的地下空間結構抗震設計進行分析，完善地下空間結構的抗震措施手段，確定良好的地下結構抗震體系。