地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題摘要:針對我國尚缺少完善的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和專門的地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范的現(xiàn)狀,在分析目前我國地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震研究及設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,重點闡述了需要迫切解決的五個關(guān)鍵問題:合理的地下結(jié)構(gòu)動力分析模型,高效的地下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)動力相互作用問題分析方法,合理而實用的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式和抗震性能評估方法,地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施,地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計方案及工程措施。這些問題的研究和解決將為地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范或規(guī)程的制定奠定堅實的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:地鐵;地下結(jié)構(gòu);土-結(jié)構(gòu)動力相互作用;地震反應;抗震設(shè)計引言隨著城市化的發(fā)展,城市交通狀況及環(huán)境條件日趨惡化,交通的擁擠和效率低下成為各大城市的通病,人們逐漸認識到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運量快速公共交通系統(tǒng)是解決問題的重要途徑[1]。實踐證明,地鐵以其快速、高效、清潔的特點,在世界上大多數(shù)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)大城市的客運交通中發(fā)揮著不可替代的作用,比如東京、莫斯科、倫敦等[1]。近年來,我國的地鐵建設(shè)也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例,目前地鐵線路總長114km(包括地面軌道線路),按照《北京奧運行動規(guī)劃》,到2008年運營里程將達到202km,長遠規(guī)劃總里程超過600km。另外,上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽等大城市也正在或者即將建設(shè)地鐵或輕軌?？梢哉f,我國已經(jīng)進入了地鐵工程建設(shè)的黃金時代。地鐵工程是生命線工程的重要組成部分,其抗震問題已經(jīng)成為城市工程抗震和防災減災研究的重要組成部分。美國、日本等國家都曾經(jīng)對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理論進行了研究,提出了一些實用的抗震設(shè)計方法[2-5]。但我國在這一領(lǐng)域的研究相對滯后[5-6]。迄今為止,我國還沒有獨立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范,GB50157—92《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》和GB50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》對地鐵的抗震設(shè)計都只給出了極為籠統(tǒng)的規(guī)定,其原因主要是研究工作開展不夠,對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法缺乏系統(tǒng)研究。長期以來,地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計基本是參照GBJ111—87《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,采用地震系數(shù)法進行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計算時具有明顯的缺陷,比如按照地震系數(shù)法,作用在地下結(jié)構(gòu)的水平慣性力隨埋深的增加而增加,這與實際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對地下結(jié)構(gòu)震害的認識不無關(guān)系。客觀地講,地下結(jié)構(gòu)由于受到地層的約束,加之城市隧道大多采用抗震性能較好的整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及能夠適應地層變形的裝配式圓形結(jié)構(gòu),震害明顯低于地上結(jié)構(gòu)[6]。高烈度地震區(qū)內(nèi)的城市地鐵大規(guī)模建設(shè)是在近20多年才出現(xiàn)的,大多數(shù)還沒有經(jīng)過大地震的檢驗,因此災難性的震害記錄不多,于是人們普遍認為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下所受破壞程度遠比地上結(jié)構(gòu)輕。但在1995年日本阪神大地震中,神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴重破壞的事實給這種傳統(tǒng)觀念帶來了巨大的沖擊,引起了眾多地震工作者的極大重視[7-9]。阪神地震清楚地表明,在地層可能發(fā)生較大變形和位移的部位,地鐵等地下結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)嚴重的震害,因此對其抗震問題應給予高度重視。目前研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑有:原型觀測、模型試驗和數(shù)值模擬。由于問題的極其復雜性,目前還沒有哪一種手段能夠完全實現(xiàn)對地下結(jié)構(gòu)動力反應進行全面而真實的解釋和模擬。一般是通過原型觀測和模型試驗結(jié)果來部分的或定性的再現(xiàn)實際現(xiàn)象、解釋物理機制、推斷變化過程、總結(jié)特性規(guī)律和分析災變后果,在此基礎(chǔ)上建立合理的能夠反映實際動力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型,發(fā)展相應的數(shù)值分析方法;再通過模型試驗和原型觀測結(jié)果加以驗證。然后對不同抗震設(shè)計方案進行計算分析,盡可能地再現(xiàn)和模擬其實際動力反應,研究其抗震性能,提出相應的抗震對策。這是研究和評價地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。有一定的困難。相對上述兩種方法來說,Push-over分析方法是一種新的結(jié)構(gòu)抗震分析方法,這種方法既比較簡單,又可以比較準確地評估地震作用下結(jié)構(gòu)的反應情況,因而得到了廣泛的研究和應用[32-35]。由于地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)地震反應規(guī)律和特點并不完全相同,因此到目前為止,適用于建筑結(jié)構(gòu)抗震分析的Push-over方法還無法應用于地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。另外,由于受到周圍地基約束,地下結(jié)構(gòu)的變形形式不同于地上結(jié)構(gòu)。相對地上結(jié)構(gòu)來說,地下結(jié)構(gòu)在整體發(fā)生較小變形時局部的內(nèi)力可能會很大,因此也不能簡單地套用地上結(jié)構(gòu)變形的極限值推算地下結(jié)構(gòu)在中震或大震作用下的極限狀態(tài),必須進行深入的理論分析和試驗研究,了解地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力-變形規(guī)律及破壞模式,并在此基礎(chǔ)上提出地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能定量化評價指標體系。因此需要發(fā)展一種能夠適應于地鐵地下結(jié)構(gòu)的Push-over分析方法,考慮地下結(jié)構(gòu)受周圍地基約束的特點,提出地下結(jié)構(gòu)基于位移的抗震分析及設(shè)計方法,以突破現(xiàn)有承載力設(shè)計方法的限制,從而使地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計更為合理和簡便。4地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施目前我國對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)構(gòu)件應采用的抗震構(gòu)造措施還缺乏統(tǒng)一認識。一種觀點認為單建的地下結(jié)構(gòu)由于受到地層的約束,地震時構(gòu)件不大可能出現(xiàn)交變內(nèi)力,無須特別考慮抗震構(gòu)造措施;當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)與地面建、構(gòu)筑物合建時,才需按地面結(jié)構(gòu)的抗震要求考慮構(gòu)造措施。另一種觀點認為基本可以照搬地面民用建筑結(jié)構(gòu)的要求,例如,抗震設(shè)防烈度7度的城市,即按8度采取相應構(gòu)造措施,并將抗震等級提高一級。比較看來,這兩種觀點都有一定的片面性,前者完全忽視了地震對單建地下結(jié)構(gòu)可能造成的破壞;后者又完全把地下結(jié)構(gòu)等同于地上結(jié)構(gòu)。實際上應該區(qū)別不同的圍巖條件和施工方法,根據(jù)地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力和破壞特點有針對性地采取抗震措施。抗震構(gòu)造措施是提高罕遇地震時結(jié)構(gòu)整體抗震能力、保證其實現(xiàn)預期設(shè)防目標、延遲結(jié)構(gòu)破壞的重要手段,它可以充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)的潛力,在一定條件下,比單純依靠提高設(shè)防標準來增強抗震能力更為經(jīng)濟合理。這方面工作的重點應放在改善薄弱部件的受力和提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性及耗能能力上。有關(guān)地鐵工程抗震構(gòu)造方面存在的其他問題還很多,如抗震縫的設(shè)置原則和方法,后砌的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)和非承重隔墻的抗震構(gòu)造要求等。5地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計方案及工程措施目前GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,建筑物選址應避開地震活斷層,以防止地震時斷層運動而引起的破壞。對于地上單建的建筑結(jié)構(gòu),這一方法是可行的。地鐵地下車站作為地鐵系統(tǒng)中的關(guān)鍵樞紐,也可以通過合理的選址方案,避開地震活斷層。但是地鐵線路走向基本上取決于交通功能的要求,因此地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層有時是不可避免的。目前對埋地管線等小斷面地下管道跨越斷層時的抗震設(shè)計方法已經(jīng)有所研究[17,37-39],但是地鐵隧道無論是在結(jié)構(gòu)尺寸上還是在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性質(zhì)上與小斷面地下管線均有所不同,目前對諸如地鐵區(qū)間隧道等大斷面隧道跨越地震斷層的抗震問題還缺乏研究,雖然很多地鐵隧道在跨越地震活斷層時不得不采取特殊的設(shè)計方案和工程措施,但還缺乏針對這些設(shè)計方案和工程措施的系統(tǒng)理論分析。我國在十五期間將投資27億元人民幣建設(shè)“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡”[40],地震活斷層探測系統(tǒng)是其中重要的組成部分。這表明目前我國對大城市地震斷層問題已經(jīng)給予了足夠重視,很多重要城市已經(jīng)針對地下斷層開始了勘探和研究工作,其中對地震活斷層可能引發(fā)的地震及可能造成的破壞是重點考慮和研究的對象。隨著對北京等重大城市地下地震斷層勘探工作的開展和對地震斷層活動性的掌握,針對地鐵區(qū)間隧道等地下隧道跨越地震活斷層時的抗震設(shè)計及工程措施將是抗震工作者和工程設(shè)計人員不得不面對和需要解決的實際問題。6結(jié)語地鐵地下結(jié)構(gòu)是重要的生命線工程,造價高,使用周期長,一旦發(fā)生破壞,修復困難,直