地鐵與輕軌設(shè)計(jì)第7.3節(jié)地下鐵道地震災(zāi)害防護(hù)

第三節(jié) 地下鐵道地震災(zāi)害防護(hù)一、地下鐵道震害調(diào)查二、抗震設(shè)計(jì)方法三、抗震構(gòu)造措施

一﹑地下鐵道震害調(diào)查⑴1976唐山大地震（M17.8)，剛建成的天津地鐵經(jīng)受住地震考驗(yàn)（天津地震烈度7～8度），僅在沉降縫部位發(fā)生外涂面層局部的脫落現(xiàn)象，而未發(fā)現(xiàn)其他形式的損害；⑵1985年墨西哥地震（M18.1）中，建在軟弱地基上的地鐵結(jié)構(gòu)僅車站側(cè)墻與地表相交處發(fā)生結(jié)構(gòu)分離現(xiàn)象；⑶1995年l月17日凌晨在日本阪神地區(qū)兵庫(kù)縣南部發(fā)生7.2級(jí)（JMA單位）地震。該地震共有5個(gè)地鐵站和約3km的隧道發(fā)生破壞，最大沉降量達(dá)2.5m,不計(jì)高架破壞損失達(dá)300億日元，修復(fù)大開站需100億日元，修復(fù)隧道需180億日元。神戶內(nèi)地下鐵路部分的線路長(zhǎng)度及站數(shù)如表7－6地下鐵道部分的線路長(zhǎng)度和站數(shù)表7-6名稱建設(shè)時(shí)間線路大概長(zhǎng)度(km)站數(shù)阪神電鐵1937~19363.43神戶電鐵1962~19670.410神戶高速1967~19726.66市營(yíng)地下鐵道1972~19859.59山陽(yáng)地鐵1982~19971.52合計(jì)21.421⒈大開站的破壞形式⑴始建于1962年，明挖法構(gòu)建。長(zhǎng)120m，采用側(cè)式站臺(tái)。其斷面如圖7－1所示；⑵底板中柱和側(cè)墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。中柱間距為3.5m；⑶標(biāo)準(zhǔn)斷覆土45m,中央大廳為2m；⑷表層為填土，下面為淤泥質(zhì)粘土，N值小于10，其次為砂礫層及海相粘土。圖7-1大開車站的典型斷面根據(jù)破壞情況可將車站分成三個(gè)區(qū)域：A﹑B﹑C。圖7-2大開站破壞的縱向示意圖圖7-2為大開站破壞的縱向示意圖。⑴A區(qū)是一層標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部分，此區(qū)域破壞嚴(yán)重，大部分中柱幾乎全部被壓壞。破壞斷面情況如圖7－3所示。地表發(fā)生沉陷，最大值達(dá)2.5m,頂板中心線兩側(cè)內(nèi)的縱向裂縫寬度達(dá)150～250mm。圖7-3破壞斷面情況(尺寸單位：m)a)柱10；b)柱24；c)柱31不管柱的上端或下端發(fā)生破壞，還是兩端都破壞，其破壞后形狀都像被壓碎的燈籠一樣，軸向鋼筋呈左右大致對(duì)稱壓曲，其破壞形式如圖7-4、圖7-5所示。圖7-4大開車站20號(hào)中柱破壞情況圖7-5大開車站23號(hào)中柱破壞情況⑵B區(qū)為地下兩層結(jié)構(gòu)，破壞較輕，靠A區(qū)2根，靠C區(qū)1根中柱破壞，剩下的3根只受到輕微的損壞。⑶C區(qū)的結(jié)構(gòu)形式雖然與A區(qū)相似，但破壞的程度輕于A區(qū)。C區(qū)域的中柱在下部發(fā)生剪切破壞和軸向鋼筋壓曲，使頂板下沉5cm左右。⒉地鐵區(qū)間隧道的地震破壞神戶市盾構(gòu)法地鐵隧道地基為洪積砂礫層，多處有厚1～2m葉狀粘土層，覆土厚9～14m。隧道為單線并列式，外徑φ=6800mm，內(nèi)徑φ=5700mm。頂進(jìn)的初始50m采用扇形鑄鐵管片，剩余部分為扇形鋼筋混凝土管片，厚300mm，寬900mm，鋼筋混凝土管片6塊一環(huán)。二次襯砌只在管片內(nèi)噴厚250mm的混凝土。地震后盾構(gòu)隧道很快投入了營(yíng)運(yùn)，只能從行駛的電車內(nèi)部用眼睛檢查其破損狀況，隧道基本上無(wú)大的損壞。⑴神神戶戶市市地地鐵鐵區(qū)區(qū)間間隧隧道道大大部部分分為為淺淺埋埋單單層層雙雙跨跨鋼鋼筋筋混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，隧隧道道斷斷面面為為9～12m××6.5m，覆覆土土厚厚度度2～6m；⑵底底板板、、側(cè)側(cè)墻墻、、中中柱柱為為現(xiàn)現(xiàn)澆澆鋼鋼筋筋混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。中中柱柱斷斷面面尺尺寸寸500mm××400mm，中中柱柱間間隔隔為為2～3m；中中柱柱一一般般為為勁勁性性鋼鋼筋筋混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)；；⑶破破壞壞常常見見形形式式為為：：側(cè)側(cè)壁壁和和上上樓樓板板交交匯匯部部位位剝剝落落，，露露出出鋼鋼筋筋；；中中柱柱上上、、下下部部混混凝凝土土脫脫落落，，鋼鋼筋筋扭扭曲曲，，甚甚至至剪剪斷斷，，隧隧道道側(cè)側(cè)壁壁縱縱向向開開裂裂滲滲漏漏水水，，向向內(nèi)內(nèi)側(cè)側(cè)鼓鼓出出；；⑷市市營(yíng)營(yíng)地地鐵鐵區(qū)區(qū)間間隧隧道道受受震震害害的的情情況況如如表表7－7，地震引引起淺埋埋矩形隧隧道中柱柱受損最最常見。。場(chǎng)所中柱受災(zāi)級(jí)別統(tǒng)計(jì)受災(zāi)程度簡(jiǎn)述IIIIIIIV合計(jì)板宿－新長(zhǎng)田44中柱混凝土破壞，部分分離，鋼筋露出長(zhǎng)田－上澤站6551374中柱混凝土破壞，部分分離，鋼筋露出。另外，一部分沿軸線的鋼筋脫離。車站的上部樓板、側(cè)壁等處裂縫產(chǎn)生上澤站－湊川公園15859中柱混凝土破壞湊川公園－大倉(cāng)山11大倉(cāng)山－縣廳站２２中柱混凝土破壞，部分分離，鋼筋露出。部分沿軸線的鋼筋彎曲與混凝土分離。車站的上部樓板、側(cè)壁等處裂縫產(chǎn)生(310m)三宮－新神戶2424中柱損壞合計(jì)712077175共1961根(無(wú)鋼管柱)市營(yíng)地鐵鐵受災(zāi)情情況表表7-7⒊輕軌高高架線的的地震破破壞⑴1971年圣費(fèi)南南多地震震（M6.6),1976年唐山地地震（M7.8),1989年美國(guó)的的洛馬·普里埃地地震（M7.2)，均為中中等強(qiáng)度度的地震震，橋梁梁破壞卻卻十分嚴(yán)嚴(yán)重；⑵地鐵輕輕軌線高高架橋受受地震破破壞的特特征與一一般橋梁梁地震破破壞相同同；⑶地震中中橋梁支支座的震震害極為為普遍，，破壞壞的形式式主要表表現(xiàn)為支支座錨固固螺栓拔拔出剪斷斷、活動(dòng)動(dòng)支座脫脫落或者者支座本本身構(gòu)造造上的破破壞等。。二﹑抗震設(shè)計(jì)計(jì)方法⑴結(jié)構(gòu)的的抗震設(shè)設(shè)計(jì)分為為兩大部部分：抗抗震計(jì)算算設(shè)計(jì)和和抗震概概念設(shè)計(jì)計(jì)；⑵抗震計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)是對(duì)地地震作用用效應(yīng)進(jìn)進(jìn)行定量量的設(shè)計(jì)計(jì)；⑶抗震概概念設(shè)計(jì)計(jì)則包括括正確的的場(chǎng)地選選擇，合合理的結(jié)結(jié)構(gòu)造型型和布置置，正確確的構(gòu)造造措施等等。這種種思想方方法同樣樣適合于于地下結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)；⑷由于地地震活動(dòng)動(dòng)的復(fù)雜雜性和不不確定性性，目前前要使地地下結(jié)構(gòu)構(gòu)物具有有盡可能能好的抗抗震性能能，首先先應(yīng)從大大的方面面人手，，做好抗抗震概念念設(shè)計(jì)。。⒈擬靜靜力設(shè)計(jì)計(jì)方法⑴假定地地下或地地面結(jié)構(gòu)構(gòu)為絕對(duì)對(duì)剛體，，地震時(shí)時(shí)它與圍圍巖介質(zhì)質(zhì)一起運(yùn)運(yùn)動(dòng)，而而無(wú)相對(duì)對(duì)位移；；⑵結(jié)構(gòu)物物每一部部分都有有一個(gè)與與圍巖介介質(zhì)相同同的加速速度，取取其最大大值用于于結(jié)構(gòu)抗抗震設(shè)計(jì)計(jì)；⑶把時(shí)刻刻變化著著的振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力狀狀態(tài)假定定為靜止止的，將將地震對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)作作用假設(shè)設(shè)為作用用子構(gòu)件件重心處處的等效效靜載。。式中：kh、ks——水平和垂垂直地震震作用系系數(shù)，kv≈2kh/3；mi——第i個(gè)物體質(zhì)質(zhì)量。水平力垂直力η——依結(jié)構(gòu)力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)和質(zhì)量量分布而而定；β——地震作用用下結(jié)構(gòu)構(gòu)物震動(dòng)動(dòng)特征系系數(shù)；δ——與地層堅(jiān)堅(jiān)硬程度度有關(guān)的的參數(shù)。。式中：a——地震烈度度因素，，依所處處地層的的地震動(dòng)動(dòng)加速度度a及地震危危害系數(shù)數(shù)Ｒ決定，例如：設(shè)設(shè)n＝50年，T＝0.55s，B＝0.6，假定下η=1，δ=0.3，R＝0.52，縱波波波速vp＞4.0km/s，可能的的地震烈烈度10度，，，，水平地地震系數(shù)數(shù)，垂直地地震力系系數(shù)為式中：Ｂ——參數(shù)，按按經(jīng)驗(yàn)估估計(jì)為0.6～0.8；Ｔ——地震周期期。目前上海海盾構(gòu)隧隧道抗震震設(shè)計(jì)接接等效靜靜荷載方方法，其其垂直等等效靜載載系數(shù)式中：k0—標(biāo)準(zhǔn)地震震系數(shù)，，按地區(qū)區(qū)基本烈烈度定，，7度時(shí)取為為0.1；γ1—重要度修修正系數(shù)數(shù)，取1.0；γ2—地層性質(zhì)質(zhì)修正系系數(shù)，軟軟地層取取1.2；γ3—埋置深度度影響修修正系數(shù)數(shù)，小于于50m，取1.0。則式中：d——為圓形隧隧道內(nèi)徑徑；D——圓形隧道道的外徑徑。地震時(shí)橫橫波與隧隧道縱向向正交或或斜交，，縱波與與隧道平平行或斜斜交，均均使隧道道產(chǎn)生軸軸向的技技?jí)鹤冃涡?，以橫橫波產(chǎn)生生的變形形為主。。在軟地地層時(shí)橫橫波長(zhǎng)可可近似取取160m，取半個(gè)個(gè)波長(zhǎng)的的隧道質(zhì)質(zhì)量參加加作用，，則隧道道的軸向向拉力T（kN）為：式中：W——隧道每延延米重力力（kN／m）平均拉應(yīng)應(yīng)力一般當(dāng)橫橫波與隧隧道成32o角入射時(shí)時(shí)，隧道道將產(chǎn)生生最大的的彎曲變變形，其其最大應(yīng)應(yīng)變?chǔ)螢椋菏街校篖——能產(chǎn)生最最危險(xiǎn)影影響的波波長(zhǎng)（m），可可取結(jié)結(jié)構(gòu)物物橫向向?qū)挾榷鹊?倍；A———上面相相應(yīng)波波長(zhǎng)L的振幅幅。⑴通過過計(jì)算算可知知，7度地震震作用用對(duì)地地下結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)不不起控控制作作用，，故抗抗震計(jì)計(jì)算的的重點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)是是加強(qiáng)強(qiáng)構(gòu)造造措施施；⑵對(duì)于于隧道道工程程，當(dāng)當(dāng)?shù)卣鹫鹆叶榷刃∮谟?度時(shí)，，橫斷斷面受受載（（地震震荷載載的等等效靜靜載））；地地震波波（主主要是是橫波波）與與隧道道軸線線正交交時(shí)，，隧道道縱軸軸向拉拉壓變變形；；⑶與隧隧道縱縱軸線線成32o角人射射時(shí)要要進(jìn)行行隧道道彎曲曲變形形計(jì)算算；⑷計(jì)算算表明明當(dāng)?shù)氐卣鹆伊叶却蟠笥诨蚧虻扔谟?度，地地層破破碎，，或隧隧道穿穿越幾幾個(gè)斷斷層時(shí)時(shí)，必必須采采取一一定的的抗震震措施施；⑸必須須對(duì)隧隧道強(qiáng)強(qiáng)度、、穩(wěn)定定性，，接縫縫的張張開度度進(jìn)行行地震震力的的核算算。隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)必必須進(jìn)進(jìn)行加加固的的地震震烈度度等級(jí)級(jí)應(yīng)依依地質(zhì)質(zhì)、埋埋深等等因素素加以以調(diào)整整；⑹在烈烈度大大于等等于8度地區(qū)區(qū)，不不管隧隧道經(jīng)經(jīng)過的的地層層情況況如何何，隧隧道襯襯砌必必須進(jìn)進(jìn)行構(gòu)構(gòu)造加加強(qiáng)和和加固固；⑺為防防止滑滑坡，，進(jìn)出出口處處的正正面斜斜坡及及邊坡坡上弧弧面，，必須須加以以清理理。進(jìn)進(jìn)出洞洞洞口口必須須用鋼鋼筋混混凝土土修建建。⒉反反應(yīng)普普理論論式中：：Fij——第j振型i質(zhì)點(diǎn)水水平地地震作作用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值值；aij——相應(yīng)于于第j型的地地震影影響系系數(shù)，，按近近震、、遠(yuǎn)震震、場(chǎng)場(chǎng)地類類型和和結(jié)構(gòu)構(gòu)自振振周期期，依依圖7－6采用，，其下下限不不應(yīng)小小于最最大值值的20％；截面面抗震震驗(yàn)算算時(shí)，，水平平地震震影響響系數(shù)數(shù)按表表7－8，表7－9采用；；xij——j振型i質(zhì)點(diǎn)水水平相相對(duì)位位移；；yj——第j振型的的參與與系數(shù)數(shù)。（7-8）按照反反映譜譜的理理論，，單自自由度度彈性性體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)的地地震作作用可可以表表示為為：a:地震影影響系系數(shù)；；amax:地震影響系系數(shù)最大值值；T:結(jié)構(gòu)自振周周期；Ts:特征周期，，根據(jù)場(chǎng)地地類別和近近震、遠(yuǎn)震震，按表7－9采用。圖7-6地震影響系系數(shù)曲線烈度6789amax0.010.080.160.32近、遠(yuǎn)震場(chǎng)地類別IIIIIIIV近震0.200.300.400.65遠(yuǎn)震0.250.400.550.85截面抗震驗(yàn)驗(yàn)算的水平平地震影響響系數(shù)最大大值表表7-8特征周期(s)表7-9⒊時(shí)程分析析方法⑴對(duì)于重要要的地下結(jié)結(jié)構(gòu)，采用用地震記錄錄時(shí)間歷程程輸人，直直接求解結(jié)結(jié)構(gòu)體系運(yùn)運(yùn)動(dòng)微分方方程的時(shí)程程分析法，，又稱逐步步積分法；；⑵采用時(shí)程程分析方法法時(shí)，宜按按設(shè)防烈度度、近震、、遠(yuǎn)震和場(chǎng)場(chǎng)地類別選選用適當(dāng)數(shù)數(shù)量實(shí)際強(qiáng)強(qiáng)震記錄或或人工模擬擬的加速度度曲線作為為結(jié)構(gòu)的輸輸人地震，，并對(duì)計(jì)算算結(jié)構(gòu)進(jìn)行行統(tǒng)計(jì)分析析；⑶進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)的強(qiáng)度和和變形驗(yàn)算算，把“小小震不壞，，大震不倒倒”的設(shè)計(jì)計(jì)原則具體體化，規(guī)范范化；⑷以結(jié)構(gòu)在地地震作用下下的破壞機(jī)機(jī)理的研究究成果為基基礎(chǔ)，在結(jié)結(jié)構(gòu)抗震中中充分考慮慮振動(dòng)幅值值、頻譜和和地震動(dòng)持持續(xù)時(shí)間對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)的破破壞作用，，來(lái)判斷結(jié)結(jié)構(gòu)的安全全度。三﹑地震構(gòu)造措措施⑴震害主主要分為兩兩類，一類類是由振動(dòng)動(dòng)破壞造成成的，地震震作用使結(jié)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生生慣性力，，附加于靜靜荷載之上上，最終導(dǎo)導(dǎo)致總應(yīng)力力超過材料料強(qiáng)度而達(dá)達(dá)到破壞狀狀態(tài)。減輕輕這一類震震害的措施施是加強(qiáng)結(jié)結(jié)構(gòu)的抗震震能力，在在改善結(jié)構(gòu)構(gòu)幾何形狀狀、強(qiáng)度。。剛度、延延性和整體體性上想辦辦法。⑵另一類類震害是由由地基失效效引起的。。也就是說說結(jié)構(gòu)本身身具有足夠夠的抗震能能力，振動(dòng)動(dòng)作用下本本來(lái)不致破破壞，但是是由于地基基沉陷、失失穩(wěn)