地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題摘要:針對(duì)我國(guó)尚缺少完善的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和專門的地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀,在分析目前我國(guó)地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震研究及設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述了需要迫切解決的五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:合理的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型,高效的地下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)動(dòng)力相互作用問(wèn)題分析方法,合理而實(shí)用的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式和抗震性能評(píng)估方法,地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施,地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計(jì)方案及工程措施。這些問(wèn)題的研究和解決將為地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程的制定奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:地鐵;地下結(jié)構(gòu);土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用;地震反應(yīng);抗震設(shè)計(jì)引言隨著城市化的發(fā)展,城市交通狀況及環(huán)境條件日趨惡化,交通的擁擠和效率低下成為各大城市的通病,人們逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運(yùn)量快速公共交通系統(tǒng)是解決問(wèn)題的重要途徑[1]。實(shí)踐證明,地鐵以其快速、高效、清潔的特點(diǎn),在世界上大多數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大城市的客運(yùn)交通中發(fā)揮著不可替代的作用,比如東京、莫斯科、倫敦等[1]。近年來(lái),我國(guó)的地鐵建設(shè)也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例,目前地鐵線路總長(zhǎng)114km(包括地面軌道線路),按照《北京奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃》,到2008年運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到202km,長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃總里程超過(guò)600km。另外,上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽(yáng)等大城市也正在或者即將建設(shè)地鐵或輕軌?？梢哉f(shuō),我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了地鐵工程建設(shè)的黃金時(shí)代。地鐵工程是生命線工程的重要組成部分,其抗震問(wèn)題已經(jīng)成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要組成部分。美國(guó)、日本等國(guó)家都曾經(jīng)對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究,提出了一些實(shí)用的抗震設(shè)計(jì)方法[2-5]。但我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究相對(duì)滯后[5-6]。迄今為止,我國(guó)還沒(méi)有獨(dú)立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,GB50157—92《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地鐵的抗震設(shè)計(jì)都只給出了極為籠統(tǒng)的規(guī)定,其原因主要是研究工作開(kāi)展不夠,對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法缺乏系統(tǒng)研究。長(zhǎng)期以來(lái),地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)基本是參照GBJ111—87《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用地震系數(shù)法進(jìn)行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)具有明顯的缺陷,比如按照地震系數(shù)法,作用在地下結(jié)構(gòu)的水平慣性力隨埋深的增加而增加,這與實(shí)際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對(duì)地下結(jié)構(gòu)震害的認(rèn)識(shí)不無(wú)關(guān)系?？陀^地講,地下結(jié)構(gòu)由于受到地層的約束,加之城市隧道大多采用抗震性能較好的整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及能夠適應(yīng)地層變形的裝配式圓形結(jié)構(gòu),震害明顯低于地上結(jié)構(gòu)[6]。高烈度地震區(qū)內(nèi)的城市地鐵大規(guī)模建設(shè)是在近20多年才出現(xiàn)的,大多數(shù)還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大地震的檢驗(yàn),因此災(zāi)難性的震害記錄不多,于是人們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下所受破壞程度遠(yuǎn)比地上結(jié)構(gòu)輕。但在1995年日本阪神大地震中,神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴(yán)重破壞的事實(shí)給這種傳統(tǒng)觀念帶來(lái)了巨大的沖擊,引起了眾多地震工作者的極大重視[7-9]。阪神地震清楚地表明,在地層可能發(fā)生較大變形和位移的部位,地鐵等地下結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的震害,因此對(duì)其抗震問(wèn)題應(yīng)給予高度重視。目前研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑有:原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。由于問(wèn)題的極其復(fù)雜性,目前還沒(méi)有哪一種手段能夠完全實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。一般是通過(guò)原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)部分的或定性的再現(xiàn)實(shí)際現(xiàn)象、解釋物理機(jī)制、推斷變化過(guò)程、總結(jié)特性規(guī)律和分析災(zāi)變后果,在此基礎(chǔ)上建立合理的能夠反映實(shí)際動(dòng)力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型,發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法;再通過(guò)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)結(jié)果加以驗(yàn)證。然后對(duì)不同抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析,盡可能地再現(xiàn)和模擬其實(shí)際動(dòng)力反應(yīng),研究其抗震性能,提出相應(yīng)的抗震對(duì)策。這是研究和評(píng)價(jià)地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。有一定的困難。相對(duì)上述兩種方法來(lái)說(shuō),Push-over分析方法是一種新的結(jié)構(gòu)抗震分析方法,這種方法既比較簡(jiǎn)單,又可以比較準(zhǔn)確地評(píng)估地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況,因而得到了廣泛的研究和應(yīng)用[32-35]。由于地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和特點(diǎn)并不完全相同,因此到目前為止,適用于建筑結(jié)構(gòu)抗震分析的Push-over方法還無(wú)法應(yīng)用于地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。另外,由于受到周圍地基約束,地下結(jié)構(gòu)的變形形式不同于地上結(jié)構(gòu)。相對(duì)地上結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),地下結(jié)構(gòu)在整體發(fā)生較小變形時(shí)局部的內(nèi)力可能會(huì)很大,因此也不能簡(jiǎn)單地套用地上結(jié)構(gòu)變形的極限值推算地下結(jié)構(gòu)在中震或大震作用下的極限狀態(tài),必須進(jìn)行深入的理論分析和試驗(yàn)研究,了解地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力-變形規(guī)律及破壞模式,并在此基礎(chǔ)上提出地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。因此需要發(fā)展一種能夠適應(yīng)于地鐵地下結(jié)構(gòu)的Push-over分析方法,考慮地下結(jié)構(gòu)受周圍地基約束的特點(diǎn),提出地下結(jié)構(gòu)基于位移的抗震分析及設(shè)計(jì)方法,以突破現(xiàn)有承載力設(shè)計(jì)方法的限制,從而使地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)更為合理和簡(jiǎn)便。4地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施目前我國(guó)對(duì)地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用的抗震構(gòu)造措施還缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為單建的地下結(jié)構(gòu)由于受到地層的約束,地震時(shí)構(gòu)件不大可能出現(xiàn)交變內(nèi)力,無(wú)須特別考慮抗震構(gòu)造措施;當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)與地面建、構(gòu)筑物合建時(shí),才需按地面結(jié)構(gòu)的抗震要求考慮構(gòu)造措施。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為基本可以照搬地面民用建筑結(jié)構(gòu)的要求,例如,抗震設(shè)防烈度7度的城市,即按8度采取相應(yīng)構(gòu)造措施,并將抗震等級(jí)提高一級(jí)。比較看來(lái),這兩種觀點(diǎn)都有一定的片面性,前者完全忽視了地震對(duì)單建地下結(jié)構(gòu)可能造成的破壞;后者又完全把地下結(jié)構(gòu)等同于地上結(jié)構(gòu)。實(shí)際上應(yīng)該區(qū)別不同的圍巖條件和施工方法,根據(jù)地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力和破壞特點(diǎn)有針對(duì)性地采取抗震措施。抗震構(gòu)造措施是提高罕遇地震時(shí)結(jié)構(gòu)整體抗震能力、保證其實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)防目標(biāo)、延遲結(jié)構(gòu)破壞的重要手段,它可以充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)的潛力,在一定條件下,比單純依靠提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來(lái)增強(qiáng)抗震能力更為經(jīng)濟(jì)合理。這方面工作的重點(diǎn)應(yīng)放在改善薄弱部件的受力和提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性及耗能能力上。有關(guān)地鐵工程抗震構(gòu)造方面存在的其他問(wèn)題還很多,如抗震縫的設(shè)置原則和方法,后砌的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)和非承重隔墻的抗震構(gòu)造要求等。5地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計(jì)方案及工程措施目前GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,建筑物選址應(yīng)避開(kāi)地震活斷層,以防止地震時(shí)斷層運(yùn)動(dòng)而引起的破壞。對(duì)于地上單建的建筑結(jié)構(gòu),這一方法是可行的。地鐵地下車站作為地鐵系統(tǒng)中的關(guān)鍵樞紐,也可以通過(guò)合理的選址方案,避開(kāi)地震活斷層。但是地鐵線路走向基本上取決于交通功能的要求,因此地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層有時(shí)是不可避免的。目前對(duì)埋地管線等小斷面地下管道跨越斷層時(shí)的抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)有所研究[17,37-39],但是地鐵隧道無(wú)論是在結(jié)構(gòu)尺寸上還是在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性質(zhì)上與小斷面地下管線均有所不同,目前對(duì)諸如地鐵區(qū)間隧道等大斷面隧道跨越地震斷層的抗震問(wèn)題還缺乏研究,雖然很多地鐵隧道在跨越地震活斷層時(shí)不得不采取特殊的設(shè)計(jì)方案和工程措施,但還缺乏針對(duì)這些設(shè)計(jì)方案和工程措施的系統(tǒng)理論分析。我國(guó)在十五期間將投資27億元人民幣建設(shè)“中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”[40],地震活斷層探測(cè)系統(tǒng)是其中重要的組成部分。這表明目前我國(guó)對(duì)大城市地震斷層問(wèn)題已經(jīng)給予了足夠重視,很多重要城市已經(jīng)針對(duì)地下斷層開(kāi)始了勘探和研究工作,其中對(duì)地震活斷層可能引發(fā)的地震及可能造成的破壞是重點(diǎn)考慮和研究的對(duì)象。隨著對(duì)北京等重大城市地下地震斷層勘探工作的開(kāi)展和對(duì)地震斷層活動(dòng)性的掌握,針對(duì)地鐵區(qū)間隧道等地下隧道跨越地震活斷層時(shí)的抗震設(shè)計(jì)及工程措施將是抗震工作者和工程設(shè)計(jì)人員不得不面對(duì)和需要解決的實(shí)際問(wèn)題。6結(jié)語(yǔ)地鐵地下結(jié)構(gòu)是重要的生命線工程,造價(jià)高,使用周期長(zhǎng),一旦發(fā)生破壞,修復(fù)困難,直