地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题

地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题摘要: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,重点阐述了需要迫切解决的五个关键问题:合理的地下结构动力分析模型,高效的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法,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,地铁地下结构抗震构造措施,地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。这些问题的研究和解决将为地铁地下结构抗震设计规范或规程的制定奠定坚实的基础。关键词:地铁;地下结构;土-结构动力相互作用;地震反应;抗震设计引言随着城市化的发展,城市交通状况及环境条件日趋恶化,交通的拥挤和效率低下成为各大城市的通病,人们逐渐认识到发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统是解决问题的重要途径[1]。实践证明,地铁以其快速、高效、清洁的特点,在世界上大多数经济发达地区大城市的客运交通中发挥着不可替代的作用,比如东京、莫斯科、伦敦等[1]。近年来,我国的地铁建设也得到了迅猛的发展。以北京为例,目前地铁线路总长114km(包括地面轨道线路),按照《北京奥运行动规划》,到2008年运营里程将达到202km,长远规划总里程超过600km。另外,上海、广州、深圳、南京、杭州、沈阳等大城市也正在或者即将建设地铁或轻轨。可以说,我国已经进入了地铁工程建设的黄金时代。地铁工程是生命线工程的重要组成部分,其抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。美国、日本等国家都曾经对地铁等地下结构的抗震设计理论进行了研究,提出了一些实用的抗震设计方法[2-5]。但我国在这一领域的研究相对滞后[5-6]。迄今为止,我国还没有独立的地下结构抗震设计规范,GB50157—92《地下铁道设计规范》和GB50157—2003《地铁设计规范》对地铁的抗震设计都只给出了极为笼统的规定,其原因主要是研究工作开展不够,对地下结构抗震设计方法缺乏系统研究。长期以来,地铁结构的抗震设计基本是参照GBJ111—87《铁路工程抗震设计规范》中有关隧道部分的条文和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》,采用地震系数法进行的。地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷,比如按照地震系数法,作用在地下结构的水平惯性力随埋深的增加而增加,这与实际情况明显不符。出现这一局面的原因与人们对地下结构震害的认识不无关系。客观地讲,地下结构由于受到地层的约束,加之城市隧道大多采用抗震性能较好的整体现浇钢筋混凝土结构及能够适应地层变形的装配式圆形结构,震害明显低于地上结构[6]。高烈度地震区内的城市地铁大规模建设是在近20多年才出现的,大多数还没有经过大地震的检验,因此灾难性的震害记录不多,于是人们普遍认为地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地上结构轻。但在1995年日本阪神大地震中,神户市地铁车站及区间隧道遭到严重破坏的事实给这种传统观念带来了巨大的冲击,引起了众多地震工作者的极大重视[7-9]。阪神地震清楚地表明,在地层可能发生较大变形和位移的部位,地铁等地下结构可能会出现严重的震害,因此对其抗震问题应给予高度重视。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。有一定的困难。相对上述两种方法来说,Push-over分析方法是一种新的结构抗震分析方法,这种方法既比较简单,又可以比较准确地评估地震作用下结构的反应情况,因而得到了广泛的研究和应用[32-35]。由于地下结构与地上结构地震反应规律和特点并不完全相同,因此到目前为止,适用于建筑结构抗震分析的Push-over方法还无法应用于地铁车站等地下结构的抗震设计。另外,由于受到周围地基约束,地下结构的变形形式不同于地上结构。相对地上结构来说,地下结构在整体发生较小变形时局部的内力可能会很大,因此也不能简单地套用地上结构变形的极限值推算地下结构在中震或大震作用下的极限状态,必须进行深入的理论分析和试验研究,了解地铁车站等地下结构的内力-变形规律及破坏模式,并在此基础上提出地铁地下结构抗震性能定量化评价指标体系。因此需要发展一种能够适应于地铁地下结构的Push-over分析方法,考虑地下结构受周围地基约束的特点,提出地下结构基于位移的抗震分析及设计方法,以突破现有承载力设计方法的限制,从而使地铁车站等地下结构的抗震设计更为合理和简便。4地铁地下结构的抗震构造措施目前我国对地铁车站及区间隧道等地下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束,地震时构件不大可能出现交变内力,无须特别考虑抗震构造措施;当地下结构与地面建、构筑物合建时,才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。另一种观点认为基本可以照搬地面民用建筑结构的要求,例如,抗震设防烈度7度的城市,即按8度采取相应构造措施,并将抗震等级提高一级。比较看来,这两种观点都有一定的片面性,前者完全忽视了地震对单建地下结构可能造成的破坏;后者又完全把地下结构等同于地上结构。实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法,根据地下结构在地震作用下的受力和破坏特点有针对性地采取抗震措施。抗震构造措施是提高罕遇地震时结构整体抗震能力、保证其实现预期设防目标、延迟结构破坏的重要手段,它可以充分发掘结构的潜力,在一定条件下,比单纯依靠提高设防标准来增强抗震能力更为经济合理。这方面工作的重点应放在改善薄弱部件的受力和提高结构构件的延性及耗能能力上。有关地铁工程抗震构造方面存在的其他问题还很多,如抗震缝的设置原则和方法,后砌的内部承重结构和非承重隔墙的抗震构造要求等。5地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施目前GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定,建筑物选址应避开地震活断层,以防止地震时断层运动而引起的破坏。对于地上单建的建筑结构,这一方法是可行的。地铁地下车站作为地铁系统中的关键枢纽,也可以通过合理的选址方案,避开地震活断层。但是地铁线路走向基本上取决于交通功能的要求,因此地铁区间隧道穿越地震断层有时是不可避免的。目前对埋地管线等小断面地下管道跨越断层时的抗震设计方法已经有所研究[17,37-39],但是地铁隧道无论是在结构尺寸上还是在结构构造和材料性质上与小断面地下管线均有所不同,目前对诸如地铁区间隧道等大断面隧道跨越地震断层的抗震问题还缺乏研究,虽然很多地铁隧道在跨越地震活断层时不得不采取特殊的设计方案和工程措施,但还缺乏针对这些设计方案和工程措施的系统理论分析。我国在十五期间将投资27亿元人民币建设“中国数字地震观测网络”[40],地震活断层探测系统是其中重要的组成部分。这表明目前我国对大城市地震断层问题已经给予了足够重视,很多重要城市已经针对地下断层开始了勘探和研究工作,其中对地震活断层可能引发的地震及可能造成的破坏是重点考虑和研究的对象。随着对北京等重大城市地下地震断层勘探工作的开展和对地震断层活动性的掌握,针对地铁区间隧道等地下隧道跨越地震活断层时的抗震设计及工程措施将是抗震工作者和工程设计人员不得不面对和需要解决的实际问题。6结语地铁地下结构是重要的生命线工程,造价高,使用周期长,一旦发生破坏,修复困难,直