1、地鐵建設中應充分考慮抗地震作用摘要地下結構一直被認為具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震發生之前,很少有大型地下結構在地震中嚴重破壞的報道。然而,阪神大地震中,包括諸如地鐵車站及區間隧道等結構在內的大量大型地下結構出現嚴重的破壞,使人們對地下結構的抗震安全性產生懷疑。初步研究表明,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。關鍵詞地震地鐵破壞1 前言 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。自北京建成地鐵以來,目前我國天津、上海、廣州已相繼建成地鐵1號線,

2、南京、青島、大連、深圳等城市正積極開展修建地鐵的籌備工作。據不完全統計,在全國21個百萬人口以上的城市中將籌建33條總長為649km的地鐵和輕軌。幾條海底隧道和過江隧道也正在積極論證中。 我國地處于環太平洋地震帶上,地震活動性非常頻繁,是世界上最大的一個大陸淺源強震活動區。根據現行地震烈度區劃圖,我國大部分地區為地震設防區,在全國300多個城市中,有一半位于地震基本烈度為7度乃至7度以上的地震區,23個百萬以上人口的特大城市中,有70%屬7度和7度以上的地區,像北京、天津、西安等大城市都位于8度的高烈度地震區,南京也位于7度區內。 地震對地面結構所造成的破壞是人所共知的,地面結構的抗震研究也達

3、到實用階段,各國已制訂了各種地面結構物的抗震設計規范;對地下結構的地震破壞卻知之不多,地下結構的抗震研究才剛剛開始,現在還沒有地下結構抗震設計的規范。國內除了對地下管線的抗震作過一些分析外,對于像地鐵車站及區間隧道等這樣的大型地下結構很少涉及。這是因為:和地面結構相比,面波隨著埋深的增加急劇衰減,對地下結構的影響較小;地下結構周圍的巖土介質把從震源傳來的地震波能量中的高頻成分吸收,使地下結構受到的地震荷載大大減小;同時地下結構的數量不多,并且大部分是小型地下結構如地下管線等,因而地下結構震害數量較少,程度較輕,地下結構嚴重震害事例更是寥寥無幾。工程界只片面強調地下結構受四周地層制約、抗震性能較

4、好的一面,人們簡單認為地下結構在地震時是安全穩固的,致使地下結構抗震研究嚴重滯后于地面結構抗震研究。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。2 地下結構在地震中的動態反應特性 地下結構在地震作用下,由于周圍巖土介質的存在,會發生不同于地面結構的響應。地震以地震波的形式傳播能量,當地震波從基巖傳入場地時,土壤介質在地震波的作用下,會產生運動(通常是放大作用),同時將運動傳遞給地下結構。對于小斷面地下結構,在動力荷載作用下,土結構相互作用可以忽略,此時地下結構隨自由場土介質一起運動,因而動應力較小。而當地下結構存在明顯的慣性或者土-

5、結構間的剛度失配時,地下結構會產生過度變形導致地下結構的破壞。此時,地下結構與周圍巖土介質之間會發生運動相互作用和慣性相互作用。考慮動力相互作用對結構體系的影響主要有:(1)作用在土結構體系的地震輸入運動會發生變化;(2)由于土的存在,體系變得更加柔性,使結構感覺到的輸入相當小;(3)從結構物向外傳播的波能輻射會增加最終動力體系的阻尼,對于近似彈性半空間的土壤場地,這種阻尼的增加很明顯,導致動力反應急劇降低。 根據大量的地震觀測,發現地下結構與地面結構反應特性的差異主要表現為:(1)地下結構的振動變形受周圍地基土壤的約束作用顯著,結構的動力反應一般不明顯表現出自振特性,特別是低階模態的影響;(

6、2)線形地下結構的振動形態受地震波入射方向的影響較大,入射方向發生不大的變化,地下結構各點的變形和應力可以發生很大的變化;(3)地下結構在振動中各點的相位差別十分明顯;(4)地下結構在振動中的主要應變一般與地震加速度大小的聯系不很明顯,對地下結構動力反應起主要作用的因素是地基的運動變形,而不是地基加速度。 地下結構的破壞有以下主要特征:(1)地下結構的震害多發生在地層條件有較大變化的區域,如地層由硬質到軟質的過渡地帶,或由挖土到填土的過渡地帶。在這些區域內,由于區域、地質條件的變化或地形的變化,地層振動及位移響應也有較大不同,因而在其中產生大的應變,使地下結構遭受破壞。相反,若某一地區地層較為

7、均勻,即使地震中的烈度較大,其中的地下結構也往往會較為安全。這一點不同于地面結構。(2)在結構斷面形狀和剛度發生明顯變化的部位也容易發生破壞。墨西哥地震中發生的盾構法隧道與豎井連接部的環間螺栓被剪斷即是由于結構斷面的急劇變化而使不同斷面處產生了不同的響應的結果。因此,地下結構與豎井、樓房等的結合部,地下結構斷面發生突變處,地下與地面結構的交界處如隧洞的進出口部位,隧洞的轉彎部位及兩洞相交部位,均為抗震的薄弱環節。(3)在地層發生液化處,當地下結構穿越斷層地域或結構與斷層、軟弱帶相交的部位等時,也都易對地下結構造成破壞。3 阪神地震中地鐵結構的破壞情況 阪神地震對地鐵結構造成的破壞為世界地震史上

8、大型地下結構在地震中遭受嚴重破壞的首例。在神戶市內2條地鐵線路的18座車站中,神戶高速鐵道的大開站、高速鐵道長田站及它們之間的隧道部分,神戶市營鐵道的三宮站、上澤站、新長田站、上澤站西側的隧道部分及新長田站東側的隧道部分均發生嚴重的破壞。在所受到的破壞中,有以下共同的部分:(1)它們都位于烈度為7的地區(JSCE烈度區劃中的7度相當于我國的10度);(2)它們在建造時均采用了明挖法;(3)斷面結構形式為帶有中柱的箱涵形框架結構;(4)它們的原設計中均未考慮地震因素。 歸納起來,神戶地鐵結構的破壞有以下主要特點: (1)不對稱結構發生的破壞比對稱結構嚴重。 (2)上層破壞比下層破壞嚴重。 (3)

9、車站的破壞主要發生在中柱上,出現了大量裂縫,有斜向裂縫,也有豎向裂縫,裂縫的位置有偏于上下端的,也有位于中間的;柱表層混凝土發生不同程度的脫落,鋼筋暴露,有的發生嚴重屈曲,有單向屈曲,也有對稱屈曲的;大開站有一大半中柱因斷裂而倒塌。有橫墻處,中柱破壞較輕。 (4)地下結構上部土層厚度越厚,破壞越輕。 (5)站房上層中柱的中間部位幾乎壓碎,而線路段中柱僅在中間位置出現豎向裂縫。 (6)縱墻和橫墻均出現大量的斜向裂紋,特別是在角點部位。頂板、側墻也受到不同程度的損害,且其破壞程度與中柱密切相關;當中柱破壞較為嚴重時,頂板和側墻就會出現很多裂縫,以至坍塌、斷裂等。 (7)區間隧道的破壞形式上主要是裂

10、縫;其中多為側墻中部的軸向彎曲裂縫。在接頭處也有損害:混凝土脫落,鋼筋外露以及豎向的裂縫。在破壞較嚴重處,中柱的上下端也有損壞。4 神戶市地鐵破壞研究的初步結論 神戶地震發生后,地震工作者對地震破壞展開系統的研究。其中對地下結構破壞的研究出現前所未有的熱潮。研究采用模型實驗、理論分析和數值模擬等多種途徑相結合,其研究結論可歸納為以下幾點:(1)地震時相鄰地層間的相對位移是影響地下結構破壞的主要指標。研究結果顯示相對位移較大處,地下結構破壞嚴重,相對位移較小處,破壞較輕,這與實際震害相符。(2)在水平地震動作用下,地下結構產生平時使用狀態下所沒有的較大的水平剪力和彎矩,使中柱中的剪力超過其抗剪強

11、度產生剪切破壞,中柱的破壞是整個地鐵結構破壞的根本原因。(3)豎向震動使中柱軸力大幅增加,水平震動和豎向震動的共同作用加劇抗震的薄弱環節中柱的破壞。地震中豎向震動在地下結構中所起的作用不能忽視,特別是應考慮豎向震動與水平震動產生的內力的共同作用,不應僅將結構中軸力彎矩等內力分別與各自強度進行校核。(4)由于地層條件及截面尺寸的變化,在相鄰地層、相鄰構件間產生的豎向相對位移對結構內力的影響也不能忽視。這與美國60年代修建舊金山海灣地區快速地鐵運輸系統時,所得到的地鐵震害是由于土體的地震變形作用于地下結構,從而使結構產生應力和位移,最終導致地下結構破壞的設計經驗是一致的。5 地鐵建設中考慮地震的必

12、要性和避免地震破壞的措施由于以前的地震中地下結構震害事例較少、程度較輕,人們逐漸形成了這樣一個觀點:即地下結構具有較強的抗震性能,地震中不易遭受破壞。但通過對這個問題仔細分析即可發現,城市地下空間的大規模開發以及地下結構的大量建設是近年才出現的。在日本關東地震和我國唐山地震時代,東京和唐山市內的主要地下結構僅為一些給排水管道,數量不多,分布也不廣泛。近年來,隨著城市地下空間的開發利用,地鐵系統、盾構法隧道、地下商業街、地下停車場及共同溝等大量興建。而這些地下結構基本上還未曾經歷過大的地震,它們真正的抗震性能也未得到檢驗。因此并不能簡單地認為地下結構抗震性能好、地震中不易破壞。這一點已被1995

13、年阪神大地震所證實。這次地震不僅使城市生命線工程(地下給排水管道、天然氣管道等)遭到嚴重破壞,地鐵車站及區間隧道等大型地下結構也受到破壞,其中產生了地鐵車站完全倒塌而不能使用的先例。地鐵的破壞,造成了極其嚴重的經濟損失,給神戶市的震后恢復重建工作帶來嚴重影響,其本身的維修也非常復雜。阪神地震使工程界認識到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,對地下結構抗震設計提出相應的建議和抗震措施,這在大力提倡城市地下空間開發利用的21世紀,具有重要的理論意義和工程實用價值。 由于地鐵是投資非常龐大的基礎工程,是城市生命線工程的重要組成部分,地鐵的破壞和功能喪失,不僅會使經濟上蒙受

14、嚴重損失,同時會產生嚴重的社會和政治影響。要把地鐵結構設計成能抵抗周圍地層介質的地震運動和變形是不可能的,必須使地下結構具有吸收強變形的延性,能承受周圍地層介質的變形,并且不散失承受靜載的能力,而不應是使地下結構抵御慣性力,從而使人們改變以往單純依靠增強結構強度來提高抗震性能的傳統觀點。 根據各國地下結構的震害分析,提高地下結構抗震能力可從以下方面采取措施:(1)將地下結構建于均勻、穩定地基中,遠離斷層,避免過分靠近山坡坡面,避免山坡不穩定地段,盡量避免飽和砂土地基而減少地震液化;(2)在相同條件下,盡量選取埋深較大的線路,遠離風化巖層區;(3)區間隧道轉角處的交角不宜太小,應加強出入口處的抗

15、震性能;(4)在施工條件允許的情況下,盡量采用暗挖法施工,即使用明挖法,也要注意回填土的性質與地基土類型相似;(5)在結構中柱和梁或頂板的節點處,應盡量采用彈性節點,而不應采用剛性節點,這樣可以減小中柱承受的外力。前蘇聯在修建塔什干地鐵時,采用了中柱頂端與橫梁活動連接的方式便是實例。 總之,阪神大地震提醒人們,地下結構在地震時并不是絕對安全的。以前地下結構地震震害輕數量少并不能說明地下結構在地震時安全。在大力提倡開發利用地下空間的今天,修建地鐵已成為解決城市交通和城市污染等“城市綜合癥”的重要途徑。而有些待修建地鐵的城市,其地基狀況并不很好,如南京,地鐵沿線地基土層不均勻,并且還有活動斷層通過

16、。對于類似情況,應在設計和施工中予以充分考慮,使其安全系數足夠大。我們應汲取阪神地震的沉痛教訓,防患于未然,做到即使在修建地鐵的大城市發生強烈地震,也能確保地鐵結構的安全和暢通。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.19942林皋.地下結構的抗震設計.土木工程學報,1996(1)3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)4雷謙榮譯.地震對地下洞室的破壞.地下空間,1992(4)5傅冰駿.對我國巖石力學與工程學科發展的若干思考.見:面向國民經濟可持續發展戰略的巖石力學與巖土工程,19986胡聿賢.地震工程學.北京:地震出版社,19897XuehuiAnetal.ThecollapsemechanismofasubwaystationduringthegreatHANSHINearthquake.Cementandconcretecompo