地铁建设中抗震作用的必要性研究

[摘要]随着我国经济的高速发展，地铁的规模及数量也日趋增加。地下结构一直被认为具有良好的抗震性能，然而5.12汶川大地震后，地下结构出现了或多或少的破坏，使人们对地下结构的抗震安全性及必要性得到重视。研究表明，地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征，在某些情形下，同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。

[关键词]地铁 地震 破坏

中图分类号：TB1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310072－01

一、概述

随着社会经济的发展和城市人口的激增，地面交通愈来愈不堪重负。为了减少地面交通量，人们开始寻找新的交通模式，地铁应运而生。我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性非常频繁。地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的，而对地下结构的地震破坏却知之不多。随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大，地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。

二、汶川地震中对地铁结构的破坏分析

在5.12汶川大地震中成都和重庆地区在此次地震中的地震烈度在6-7度左右，总体来说没有明显震害发生，经受住了考验。从成都地铁情况看对于地下车站和矿山法区间由于其整体性较好刚度较大，震害较小，但对于盾构隧道由于采用预制管片拼装，螺栓柔性连接，整体刚度较弱，盾构隧道与地层基本产生相同的震动变形，分别产生横向与纵向正弦挠曲变形和剪切变形，因此盾构隧道产生较多的管片错台、局部破损、螺栓拉坏和渗水等明显震害现象。而且现场表明盾构管片间及各环间渗水面积有加大迹象，为此有必要对管片的防水作进一步的研究。通过查阅资料分析国内外地震对地下结构破坏的情况表明：地铁区间隧道相对地下站台较为安全，特别是盾构隧道本身无结点且为柔性连接所至。所以地铁区间隧道的单线、单洞防震效果要优于单洞双线，特别是对过江隧道的地铁区间隧道从抗震角度看应采用小洞方案；地铁区间隧道不论是矿山施工还是盾构法施工，其二衬结构应以一次浇筑成型为优，应尽量避免在断面上采用分段或分层浇筑；强震时地铁车辆是优先进站还是就地停车，待确认车站结构安全性后再处置；当轨道线附近存在高边坡时，应分析高边坡包括在地震力作用下的稳定性及对隧道或高架线的影响；在强震区地震活跃地带，要研究有利于抗震的隧洞合理埋深或采用高架跨越的合理性；对于高架车站，当采用车站与线路合一结构时，应采用规则布置，尽量使几何形心与荷载重心重合；当采用车站与线路分离结构时，车站与线轨连接应符合抗震设计要求。

三、地铁建设中避免地震破坏采取的措施

基于目前我国尚缺乏研究和评价强烈地震环境下地铁地下结构系统动力学行为与致灾机理的有效途径及手段。目前可用于地铁地下结构系统震灾动力学行为研究与评价的主要途径及手段有：原型观测、构件试验、模型试验（主要是动力离心模型振动台试验）和数值模拟。由于地铁地下结构-土体系统的震灾动力学行为是极其复杂的。在高烈度地震环境下结构与土材料均可能呈现出明显的非线性、弹塑性或者塑性性态；结构和土体之间的接触处还可能出现局部脱开、滑动、错位、张闭等非连续变形现象；地下结构-土体系统的动力相互作用的过程多是强非线性的、三维的、速率效应和循环效应影响均很突出的，并伴随有结构材料、特别是土材料本身的物理力学性质的弱化；地下结构-土体系统的破坏通常是渐进性的、局部化的，相互关联的。加之，由于地震载荷具有随机性、难以预测性以及结构物和周围土体及其所构成系统本身的极其复杂性，目前还没有哪一种手段能够对地铁地下结构震动响应及其抗震安全性进行全面而合理的分析评价。目前研究地下结构抗震性能的主要途径有：原型观测、模型试验和数值模拟。由于问题的极其复杂性，目前还没有哪一种手段能够完全实现对地下结构动力反应进行全面而真实的解释和模拟。一般是通过原型观测和模型试验结果来部分的或定性的再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果，在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型，发展相应的数值分析方法；再通过模型试验和原型观测结果加以验证。然后对不同抗震设计方案进行计算分析，尽可能地再现和模拟其实际动力反应，研究其抗震性能，提出相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理的有效途径。为改变目前我国在这一研究领域中的落后局面，需要在理论分析、数值模拟和模型试验等方面开展更为深入的工作，系统地研究地铁车站及区间隧道等的地震反应，以在抗震分析及设计方法与理论基础、设计规范等方面有实质性的突破。对抗震减灾建议开展两方面的工作：一方面工作为震害发生时城市轨道交通指挥、通讯及应急应对机制研究；另一方面开展震后轨道交通安全检测评估机制与手段及恢复交通功能所需的条件和措施。所以首先应加大对城市轨道交通抗震研究的投入。每个设防城市的地铁系统都应有地震动监测的设施，并能与当地的地震监测部门联网，当有地震发生时能够准确地记录地下交通设施的受震情形和动态。其次城市轨道建设单位和管理部门应配备适量的建筑结构完好状态检测设备和建立可靠的建筑结构完好状态评判标准和办法，以便在震害发生后快速、准确地对线路设施状况做出判断，保证运用安全，避免凭目测就做出结论的盲目行为。

四、结束语

针对我国尚缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和专门的地铁结构抗震设计规范的现状，在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上，建议迫切解决的五个关键问题：（1）合理的地下结构动力分析模型；（2）成熟的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法；（3）合理而实用的地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能评估方法；（4）地铁地下结构抗震构造措施；（5）地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。抗震设计中应该考虑未来可能发生的城市浅层直下型地震动的特点，重点解决：（1）合理的地震动输入机制及设置标准；（2）区间隧道抗震设计要考虑沿隧道的纵向与横向两个方向的行波效应；（3）大型车站系统应该进行动力分析评价。（4）重大灾害发生时城市轨道交通的应对机制。（5）重大灾害发生后城轨交通安全检测评估与功能恢复机制。（6）编制“地下工程抗震设计规范或指南”。（7）应该对我国运营及在建的轨道交通系统开展地震安全性评估工作。

参考文献：

[1]林皋，地下结构抗震问题，见：第四届全国地震工程会议论文集，1994.

[2]马险峰等，神户市地铁车站的震害及修复，铁道工程学报，1998（增刊）.

[3]雷谦荣译，地震对地下洞室的破坏，地下空间，1992（4）.

作者简介：

李积鸿，男，汉族，青海乐都人，助理工程师，主要从事地铁建设。