地铁与轻轨设计第7.3节地下铁道地震灾害防护

1、第三节 地下铁道地震灾害防护一、地下铁道震害调查二、抗震设计方法三、抗震构造措施一地下铁道震害调查1976 唐山大地震（M17.8)，刚建成的天津地铁经受住地震考验（天津地震烈度78 度），仅在沉降缝部位发生外涂面层局部的脱落现象，而未发现其他形式的损害；1985年墨西哥地震（M18.1）中，建在软弱地基上的地铁结构仅车站侧墙与地表相交处发生结构分离现象；1995 年l月17日凌晨在日本阪神地区兵库县南部发生7.2级（JMA 单位）地震。该地震共有5个地铁站和约3km的隧道发生破坏，最大沉降量达2.5m,不计高架破坏损失达300亿日元，修复大开站需100亿日元，修复隧道需180亿日元。神户内地

2、下铁路部分的线路长度及站数如表76 地下铁道部分的线路长度和站数 表7-6名称建设时间线路大概长度(km)站数阪神电铁193719363.43神户电铁196219670.410神户高速196719726.66市营地下铁道197219859.59山阳地铁198219971.52合计21.421大开站的破坏形式始建于1962年，明挖法构建。长120m，采用侧式站台。其断面如图71所示；底板中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构。中柱间距为3.5m；标准断覆土45m,中央大厅为2m；表层为填土，下面为淤泥质粘土，N值小于10，其次为砂砾层及海相粘土。图7-1 大开车站的典型断面根据破坏情况可将车站分成三个区

3、域：ABC。图7-2 大开站破坏的纵向示意图图7-2为大开站破坏的纵向示意图。A区是一层标准结构部分，此区域破坏严重，大部分中柱几乎全部被压坏。破坏断面情况如图73所示。 地表发生沉陷，最大值达2.5m,顶板中心线两侧内的纵向裂缝宽度达150250mm。图7-3 破坏断面情况(尺寸单位：m)a)柱10；b)柱24；c)柱31不管柱的上端或下端发生破坏，还是两端都破坏，其破坏后形状都像被压碎的灯笼一样，轴向钢筋呈左右大致对称压曲，其破坏形式如图7-4 、图7-5 所示。图7-4 大开车站20号中柱破坏情况图7-5 大开车站23号中柱破坏情况 B 区为地下两层结构，破坏较轻，靠A 区2 根，靠C

4、区1根中柱破坏，剩下的3 根只受到轻微的损坏。 C 区的结构形式虽然与A 区相似，但破坏的程度轻于A区。C 区域的中柱在下部发生剪切破坏和轴向钢筋压曲，使顶板下沉5cm左右。地铁区间隧道的地震破坏 神户市盾构法地铁隧道地基为洪积砂砾层，多处有厚12m叶状粘土层，覆土厚914m。 隧道为单线并列式，外径=6 800mm，内径=5700mm。顶进的初始50m采用扇形铸铁管片，剩余部分为扇形钢筋混凝土管片，厚300mm，宽900mm，钢筋混凝土管片6块一环。二次衬砌只在管片内喷厚250mm的混凝土。 地震后盾构隧道很快投入了营运，只能从行驶的电车内部用眼睛检查其破损状况，隧道基本上无大的损坏。 神户

5、市地铁区间隧道大部分为浅埋单层双跨钢筋混凝土结构，隧道断面为912m6.5m，覆土厚度26m；底板、侧墙、中柱为现浇钢筋混凝土结构。中柱断面尺寸500mm400mm，中柱间隔为23m；中柱一般为劲性钢筋混凝土结构；破坏常见形式为：侧壁和上楼板交汇部位剥落，露出钢筋；中柱上、下部混凝土脱落，钢筋扭曲，甚至剪断，隧道侧壁纵向开裂渗漏水，向内侧鼓出；市营地铁区间隧道受震害的情况如表77，地震引起浅埋矩形隧道中柱受损最常见。 场所中柱受灾级别统计受灾程度简述IIIIIIIV合计板宿新长田44中柱混凝土破坏，部分分离，钢筋露出长田上泽站6551374中柱混凝土破坏，部分分离，钢筋露出。另外，一部分沿轴线

6、的钢筋脱离。车站的上部楼板、侧壁等处裂缝产生上泽站凑川公园15859中柱混凝土破坏凑川公园大仓山11大仓山县厅站中柱混凝土破坏，部分分离，钢筋露出。部分沿轴线的钢筋弯曲与混凝土分离。车站的上部楼板、侧壁等处裂缝产生(310m)三宫新神户2424中柱损坏合计712077175共1961根(无钢管柱) 市营地铁受灾情况 表7-7轻轨高架线的地震破坏1971年圣费南多地震（M6.6) , 1976年唐山地震（M7.8) , 1989 年美国的洛马普里埃地震（M7.2) ，均为中等强度的地震，桥梁破坏却十分严重；地铁轻轨线高架桥受地震破坏的特征与一般桥梁地震破坏相同；地震中桥梁支座的震害极为普遍 ，破

7、坏的形式主要表现为支座锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落或者支座本身构造上的破坏等。二抗震设计方法结构的抗震设计分为两大部分：抗震计算设计和抗震概念设计；抗震计算设计是对地震作用效应进行定量的设计；抗震概念设计则包括正确的场地选择，合理的结构造型和布置，正确的构造措施等。这种思想方法同样适合于地下结构设计；由于地震活动的复杂性和不确定性，目前要使地下结构物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面人手，做好抗震概念设计。 拟静力设计方法假定地下或地面结构为绝对刚体，地震时它与围岩介质一起运动，而无相对位移；结构物每一部分都有一个与围岩介质相同的加速度，取其最大值用于结构抗震设计；把时刻变化着的振动应

8、力状态假定为静止的，将地震对结构作用假设为作用子构件重心处的等效静载。式中：kh、ks水平和垂直地震作用系数，kv2kh/3； mi第i个物体质量。水平力垂直力依结构力学性质和质量分布而定；地震作用下结构物震动特征系数；与地层坚硬程度有关的参数。式中：a地震烈度因素，依所处地层的地震动加速度a及地震危害系数决定，例如：设n50年，T0.55s，B0.6，假定下=1，=0.3，R0.52，纵波波速vp4.0km/s ，可能的地震烈度10度， ， ，水平地震系数，垂直地震力系数为 式中：参数，按经验估计为0.60.8； 地震周期。 目前上海盾构隧道抗震设计接等效静荷载方法，其垂直等效静载系数式中：

9、k0标准地震系数，按地区基本烈度定，7度时取为0.1； 1重要度修正系数，取1.0； 2地层性质修正系数，软地层取1.2； 3埋置深度影响修正系数，小于50m，取1.0。则式中： d为圆形隧道内径； D圆形隧道的外径。 地震时横波与隧道纵向正交或斜交，纵波与隧道平行或斜交，均使隧道产生轴向的技压变形，以横波产生的变形为主。在软地层时横波长可近似取160m，取半个波长的隧道质量参加作用，则隧道的轴向拉力T（kN）为：式中：W隧道每延米重力（kNm）平均拉应力 一般当横波与隧道成32o角入射时，隧道将产生最大的弯曲变形，其最大应变为： 式中：L能产生最危险影响的波长（m），可取结构物横向宽度的6倍

10、； A上面相应波长L的振幅。 通过计算可知，7度地震作用对地下结构设计不起控制作用，故抗震计算的重点应是加强构造措施；对于隧道工程，当地震烈度小于7度时，横断面受载（地震荷载的等效静载）；地震波（主要是横波）与隧道轴线正交时，隧道纵轴向拉压变形；与隧道纵轴线成32o角人射时要进行隧道弯曲变形计算；计算表明当地震烈度大于或等于7度，地层破碎，或隧道穿越几个断层时，必须采取一定的抗震措施；必须对隧道强度、稳定性，接缝的张开度进行地震力的核算。隧道结构必须进行加固的地震烈度等级应依地质、埋深等因素加以调整；在烈度大于等于8度地区，不管隧道经过的地层情况如何，隧道衬砌必须进行构造加强和加固；为防止滑坡

11、，进出口处的正面斜坡及边坡上弧面，必须加以清理。进出洞洞口必须用钢筋混凝土修建。 反应普理论式中：Fij第j振型i质点水平地震作用标准值； aij相应于第j型的地震影响系数，按近震、远震、场地类型和结构自振周期，依图76采用，其下限不应小于最大值的20；截面抗震验算时，水平地震影响系数按表78，表79采用； xijj振型i质点水平相对位移； yj第j振型的参与系数。（7-8） 按照反映谱的理论，单自由度弹性体系结构的地震作用可以表示为：a:地震影响系数；amax:地震影响系数最大值；T:结构自振周期；Ts:特征周期，根据场地类别和近震、远震，按表79采用。图7-6 地震影响系数曲线烈度6789

12、amax0.010.080.160.32近、远震场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85截面抗震验算的水平地震影响系数最大值 表7-8 特征周期(s) 表7-9 时程分析方法 对于重要的地下结构，采用地震记录时间历程输人，直接求解结构体系运动微分方程的时程分析法，又称逐步积分法；采用时程分析方法时，宜按设防烈度、近震、远震和场地类别选用适当数量实际强震记录或人工模拟的加速度曲线作为结构的输人地震，并对计算结构进行统计分析；进行结构的强度和变形验算，把“小震不坏，大震不倒”的设计原则具体化，规范化；以结构在地震作用下的破坏机理的研究成果为基

13、础，在结构抗震中充分考虑振动幅值、频谱和地震动持续时间对结构的破坏作用，来判断结构的安全度。三地震构造措施 震害主要分为两类，一类是由振动破坏造成的，地震作用使结构物产生惯性力，附加于静荷载之上，最终导致总应力超过材料强度而达到破坏状态。减轻这一类震害的措施是加强结构的抗震能力，在改善结构几何形状、强度。刚度、延性和整体性上想办法。 另一类震害是由地基失效引起的。也就是说结构本身具有足够的抗震能力，振动作用下本来不致破坏，但是由于地基沉陷、失稳等原因导致结构开裂，倾斜（倾倒）、下沉，或者使结构损坏、结构不能正常使用。为了减轻这类震害，有效的措施是通过各种方法加固地基（或避免采用容易失效的地基）。选线尽可能避开软弱易液化的土层，避开不均匀土层（古河道、断层破碎带、暗换沟谷及半填、半挖的地基）；避开地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地震断裂带上可能发生地层错位部位；无法避开上述不良地质区段时，采用地基处理的措施，防止车站和隧道局部突沉及液化沉陷。 结