地下结构抗减震分析

地下结构的震害分析

摘要 本文通过对汶川地震中地下结构的灾害特点进行统计描述, 分析了地下结构受灾严重的部分原因，总结了应汲取的经验和教训，并提出了相应的应对措施。

关键词 汶川地震；地下结构；隧道；震害统计；抗震防灾对策

Abstract Base on the statistical description of destructive features of the underground structures in Wenchuan Earthquake, this paper analyzes the reasons why the underground structures had hardly destroyed and summarizes the experiences and lessons we should learn, at the end of this paper some measures that can resist seismic has been put forward. Keywords Wenchuan Earthquake underground structure tunnel earthquake statistics earthquake disaster prevention countermeasures 1 引言

地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震发生之前, 很少有大型地下结构在地震中严重破坏的报道。然则, 阪神大地震中, 包括诸如地铁车站及其区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出现严重的破坏, 引起世人震惊, 使人们对地下结构的抗震安全性产生了怀疑。初步研究表明, 地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征, 在某些情况下, 同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏，而发生在国内的5.12地震就是身边的实例，本文就是通过对汶川地震的地下结构的灾害特点的统计描述, 来分析了地下结构灾害严重的原因，总结了应汲取的经验和教训。

2 地下结构总体受灾情况

2008年5月12日时分，四川汶川发生8.0级特大地震，汶川、北川等地地震烈度达12度。重灾区的范围超过10万平米，死亡和失踪人数8万余人，地震造成直接经济损失8451亿元。这次地震造成21条高速公路、16条国道、省道干线公路的隧道、桥梁、路基、路面等结构物不同程度受损，其中局部地区隧道受损比较严重，如烧火坪隧道、龙溪隧道、龙洞子隧道、紫坪铺隧道、酒家垭隧道、白云顶隧道、马鞍石隧道和友谊隧道等。严重影响了抗震救灾的进行和当地人民的生产生活。虽然本次地震中地铁受灾不重，但是由于地铁是投资非常巨大的基础工程, 是城市生命线工程的重要组成部分, 地铁的破坏和功能丧失, 不仅会使经济上蒙受严重损失, 同时会产生严重的社会和政治影响。故而在灾后我们对隧道地铁等地下结构的抗减震措施的研究则显得十分重要和迫切。 3 公路隧道震害概况

根据四川省交通厅公路规划勘察设计研究院的调查统计, 汶川地震中四川灾区的56座隧道发生了不同程度的损坏，从现场调查的震害情况看, 都汶公路高速路段和二级路段的隧道整体上基本稳定, 地震对隧道局部造成了损坏, 即隧道外露洞口部分发生砸坏、堵塞、外部装饰脱落以及个别风机、灯具等附属设施松动现象, 部分施工缝有微小开裂现象, 个别隧道洞身衬砌局部开裂而路面未见异常情况. 二级路段隧道只需进行简单的检查、清理、修复即可保通; 三级路段的3

座隧道基本稳定, 应急阶段若需要利用, 只需进行简单的检查、清理、修复即可. 恢复重建阶段, 为保证隧道的长期、安全使用, 需要进行详细检测评估后再整治. 4 公路隧道的一般震害形式

4.1 洞口破坏类型

过震害资料的整理、统计，隧道洞口段的主要震害类型有：边仰坡崩塌、端墙帽石被砸坏、洞口段衬砌开裂渗水错台、洞口段衬砌防火涂料剥落、端墙破坏、拱圈开裂、护坡开裂、洞口堵塞、明洞洞顶被落石砸坏以及明洞错台等等（下图为一系列典型破坏形式）

洞口翼墙边坡滑塌

隧道顶部仰坡发生滑塌

隧道洞口边坡落石掩埋

4.2 洞身破坏类型

都江堰至映秀高速公路隧道和线都江堰至映秀段公路隧道洞身段的震害类型主要有：衬砌开裂错台、衬砌垮塌、衬砌剥落、渗水、混凝土掉块、初支垮塌、塌方、仰拱隆起错台、沟槽破坏、中央 排水沟上覆仰拱填充混凝土隆起以及沟槽侧墙向外倾倒、盖板脱落等等 。（典型破坏请见下图）

在建隧道的支护结构垮塌

洞身内部发生瓦斯爆炸

隧道内渗水正向外排放

4.3 隧道内道路破坏

过震害资料的整理、统计，隧道段路面的主要震害类型有：路面发生下沉，路面隆起以及路面被沿施工缝拉裂、错台、路旁电气管道隆起、偏移、倾斜等

道路发生错台、拉裂

5城市地铁系统的损坏情况分析（仅限于成都市）

5.1 成都市微观地质概况

成都地层中大部分是有卵石构成的卵石土和沙土，土层松散，无胶结，自承能力差整体强度底，地下水位偏高。

5.2 地铁破坏情况

总体来说，虽然这次地震为8级特大地震，但是对整个成都市区的影响非常小，而抗震能力相对比较强的地下结构更是没有什么损伤，只是在局部产生细小裂缝，只需进行简单的施工处理就可以正常运营。在这次地震地铁不破坏或者说破坏很小是因为成都所处的地理环境，不代表也不能说明地铁在将来地震中不被破坏，在1995年的阪神大地震中，地铁车站是遭受了极其严重的损毁，人的生命和财产蒙受巨大损失，而由此带来的影响更是巨大。所以，本文对地铁的震害机理及抗震对策进行了简单的分析，以便为将来地铁设计提供部分参考。

5.3 震害机理分析

地铁工程震害机理分析地下铁道震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、衬砌的构造条件、隧道与围岩的相对刚度及施工方法、施工的难易程度等有密切关系。地震的主要或次要效应均可使地下铁道结构遭受破坏。对于地下结构, 抗震能力的重要问题在于地基的地震变形和结构对于这种变形的适应性。所以结构抗震设计不但要求结构在静载和地震荷载作用下具有足够的强度, 而且要求能最大程度地吸收地震产生的变形。围岩失稳和地震惯性力作用是地铁震害的两种主要原因, 而往往第一种原因起控制作用。围岩失稳主要指围岩的变形、差异位移、震陷和液化。由于围岩变位, 在地铁结构中产生强制变形而引起破坏, 该类型的破坏多数发生在岩性变化较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大于地层刚度的围岩之中。地震惯性力主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏, 该类型的破坏多数发生在浅埋或明挖的车站结构, 在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明显。调查还表明, 浅埋结构的地震破坏比深埋结构发生的频度和程度都要高许多, 因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。

6 经验与教训

6.1 地下结构破坏特征

由上述所列数据及相应的破坏描述可以得到地下结构的破坏有以下主要特征:

(1) 地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域, 如地层由硬质到软质的过渡地带或由挖土到回填土的过渡地带。在这些区域内, 由于地质条件或地形的变化, 地层振动及位响应也有较大不同, 因而在其中产生大的应变, 使地下结构遭受破坏; 相反, 若某一地区地层较为均匀, 即使地震的烈度较大, 其中的地下结构也往往会较为安全。这一点不同于地面结构。

(2) 在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位也容易发生破坏。墨西哥地震中发生的盾构法隧道与竖井连接部的环间螺栓被剪断, 即是由于结构断面的急剧变化而使不同断面处产生了不同的响应的结果。因此, 地下结构与竖井、楼房等的结合部, 地下结构断面发生突变处, 地下与地面结构的交界处如隧洞的进出口部位, 隧洞的转弯部位及两洞相交部位, 均为抗震的薄弱环节。

(3) 地下结构与断层、软弱带相交的部位等在地震时均易造成破坏。地下结构上部土层厚度越厚, 则破坏越轻。

(4) 调查还发现, 随着隧道埋深的增加受地震影响在减少。浅埋、偏压地段病害段落集中, 深埋地段病害段落分散。

6.2 隧道抗震的一般对策

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8) 根据对汶川地震隧道震害的调查与分析, 对山岭隧道抗震, 做好以下工作: 首先应做好隧址的选择和调查工作. 除了区域性地震烈度外, 还要考虑局部地形、地貌及地质条件对隧道震害的影响, 以便为采取抗震措施提供依据. 强调“刚柔兼济”的抗震设计理念, 正确处理隧道与围岩的刚度匹配关系. 加强隧道洞口段的抗震构造措施, 提高洞口结构的延性. 在地层条件变化处设置柔性接头, 以适应地层的变形. 确保施工质量，例如， 同为砂、泥岩地层，但友谊隧道的震害要严重得多，这和友谊隧道糟糕的施工质量应该是有联系的。 在边仰坡上方清理明显的危石, 并挂设主动、被动防护网。 在端墙与衬砌之间设置抗震连接钢筋。 洞门应采用轻型结构, 以减小地震作用.

6.3 城市地铁系统抗减震的应对方法

对城市地铁系统抗震, 相应地应该做好以下工作:

(1) 地铁选线时要考虑将之置于均匀、稳定地层中, 远离断层、风化带及液化区, 避免过分靠近山坡坡面和不稳定地段。

(2) 在相同条件下, 尽量选取埋深较大的线路, 远离风化岩层区。

(3) 线路无法避开断裂带时, 应选择在断裂带较窄处, 并以简单路基工程大夹角方向通过。

(4) 对于经勘察发现易发生液化或震陷的软土地基, 在建造地铁之前需要进行地基加固处理。

(5) 洞口位置的选择, 结构的布置等方面应尽量选择有利地形并采取工程措施以保证边坡稳定性。

(6) 尽量避免采用明洞形式修筑地铁。

参考文献

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