地铁与轻轨设计第节地下铁道地震灾害防护

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⑴1976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7～8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；⑵1985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；⑶1995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。神户内地下铁路部分的线路长度及站数如表7－6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1937~19363.43神户电铁1962~19670.410神户高速1967~19726.66市营地下铁道1972~19859.59山阳地铁1982~19971.52合计21.421⒈大开站的破坏形式⑴始建于1962年，明挖法构建。长120m，采用侧式站台。其断面如图7－1所示；⑵底板中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构。中柱间距为3.5m；⑶标准断覆土45m,中央大厅为2m；⑷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域：A﹑B﹑C。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。⑴A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7－3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150～250mm。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⑵B区为地下两层结构，破坏较轻，靠A区2根，靠C区1根中柱破坏，剩下的3根只受到轻微的损坏。⑶C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。⒉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1～2m叶状粘土层，覆土厚9～14m。隧道为单线并列式，外径φ=6800mm，内径φ=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。⑴神户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9～12m×6.5m，覆土厚度2～6m；⑵底板、侧墙、中柱为现浇钢筋混凝土结构。中柱断面尺寸500mm×400mm，中柱间隔为2～3m；中柱一般为劲性钢筋混凝土结构；⑶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；⑷市营地铁区间隧道受震害的情况如表7－7，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２２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7-7⒊轻轨高架线的地震破坏⑴1971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；⑵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；⑶地震中桥梁支座的震害极为普遍，破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⑴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；⑵抗震计算设计是对地震作用效应进行定量的设计；⑶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；⑷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。⒈拟静力设计方法⑴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；⑵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；⑶把时刻变化着的振动应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，kv≈2kh/3；

mi——第i个物体质量。水平力垂直力

η——依结构力学性质和质量分布而定； β——地震作用下结构物震动特征系数； δ——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Ｒ决定，例如：设n＝50年，T＝0.55s，B＝0.6，假定下η=1，δ=0.3，R＝0.52，纵波波速vp＞4.0km/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：Ｂ——参数，按经验估计为0.6～0.8；

Ｔ——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：k0—标准地震系数，按地区基本烈度定，7度时取为0.1；

γ1—重要度修正系数，取1.0；

γ2—地层性质修正系数，软地层取1.2；

γ3—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（kN／m）平均拉应力一般当伪横波与烈隧道成32o角入拾射时核，隧消道将横产生叉最大嗽的弯旺曲变权形，婆其最拼大应寄变ξ为：式中：L—针—能产厉生最激危险橡影响纵的波彻长（m），可甩取结构魔物横向芝宽度的6倍；A—胡—上面毁相应震波长L的振幅氏。⑴通过计蜜算可知，7度地震兆作用对甘地下结穷构设计菊不起控纽奉制作用惹，故抗惧震计算另的重点朝应是加尾强构造中措施；⑵对于伐隧道工扛程，当则地震烈孩度小于7度时剖，横叠断面握受载壮（地疗震荷床载的茅等效劲静载标）；桌地震逗波（所主要泰是横脚波）后与隧集道轴哲线正稿交时袋，隧延道纵纪轴向形拉压葵变形商；⑶与隧匪道纵轴变线成32o角人射时腐要进行隧脊道弯曲变指形计算；⑷计净算表祝明当期地震真烈度⑸必须什对隧道斑强度、课稳定性映，接缝皱的张开谜度进行册地震力则的核算我。隧道蔽结构必举须进行狂加固的叮地震烈线度等级柿应依地拥质、埋百深等因师素加以辈调整；⑹在烈查度大于液等于8度地区驶，不管举隧道经舌过的地宁层情况胆如何，循隧道衬客砌必须可进行构煌造加强见和加固平；⑺为防扇止滑坡饥，进出足口处的圈正面斜锈坡及边红坡上弧进面，必侍须加以厚清理。奴进出洞衰洞口必红须用钢岩筋混凝兔土修建菊。⒉反应羊普理论式中：Fij——第j振型i质点水说平地震撒作用标骨准值；aij——相应于巴第j型的地蛮震影响吐系数，艘按近震怕、远震逐、场地决类型和悠结构自姐振周期迫，依图7－6采用，棕其下限谷不应小路于最大求值的20％；截面抗鲜震验算时休，水平地岗震影响系堪数按表7－8，表7－9采用；xij——j振型i质点牵水平味相对恭位移华；yj——第j振型的参斧与系数。（7-8）按照昏反映倦谱的休理论欣，单球自由抽度弹供性体歌系结政构的铺地震叼作用落可以悦表示著为：a:地震影响惕系数；ama假x:地震影响巴系数最大来值；T:结构自辱振周期眼；Ts:特征周胆期，根洋据场地蹈类别和糟近震、嫩远震，萌按表7－9采用睡。图7-6地震影响对系数曲线烈度6789amax0.010.080.160.32近、远震场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85截面抗震剖验算的水头平地震影眯响系数最游大值劣表7-横8特征辈周期(s)表7-9⒊时程停分析方忙法⑴对于梢重要的歌地下结窄构，采行用地震扁记录时连间历程低输人，订直接求撕解结构写体系运鱼动微分夫方程的冲时程分冶析法，资又称逐横步积分念法；⑵采用时标程分析方歇法时，宜棍按设防烈览度、近震疤、远震和继场地类别情选用适当罚数量实际邻强震记录装或人工模补拟的加速棕度曲线作积为结构的毫输人地震垫，并对计月算结构进缩慧行统计分甲析；⑶进行结诉构的强度示和变形验展算，把“究小震不坏戚，大震不称倒”的设醒计原则具广体化，规摔范化；⑷以结构屋在地震骄作用下睛的破坏替机理的抖研究成炮果为基告础，在器结构抗雕震中充泡分考虑安振动幅邮值、频远谱和地雄震动持轻续时间诞对结构总的破坏齐作用，壳来判断堆结构的贷安全度察。三﹑地震构造缎措施⑴震悄害主要滚分为两阵类，一蜓类是由液振动破澡坏造成驼的，地疤震作用渗使结构拜物产生苹惯性力帐，附加脂于静荷碗载之上玻，最终批导致总跨应力超嗽过材料蚂强度而用达到破期坏状态酷。减轻涝这一类影震害的葱措施是这加强结戏构的抗否震能力线，在改乏善结构蒜几何形奖状、强肾度。刚副度、延鄙性和整日体性上进想办法份。⑵包另一绑类震倦害是席由地油基失湿效引部起的冈。也相就是感说结怀构本纷身具它有足贯够的翅抗震细能力总，振禁动作箩用下吴本来抛不致狗破坏坟，但惧是由错于地纤基沉知陷、挂失稳久等原斥因导多致结醒构开铁裂，叫倾斜简（倾状倒）评、下姨沉，痰或者兰使结疑构损山坏、厉结构间不能粱正常解使用昼。为就了减套轻这逐类震翅害，冷有效慈的措纵施是目通过摊各种卧方法杆加固宜地基浸（或醋避免垮采用谁容易叉失效搬的地阳基）列。⒈选线⑴尽可死能避开崭软弱易邻液化的越土层，超避开不烈均匀土牺层（古诱河道、然断层破辈碎带、核暗换沟凶谷及半疑