地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究

地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究

1地下結(jié)構(gòu)的震害研究地下結(jié)構(gòu)受到周圍巖石和土壤的限制，被認為具有良好的抗疲勞效果（與地面結(jié)構(gòu)相比），因此地下結(jié)構(gòu)的長期影響遠小于地面結(jié)構(gòu)。但是隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁出現(xiàn),地下結(jié)構(gòu)的震害問題日益受到世界各國地震工作者的高度重視,特別是1995年日本阪神大地震后,由于神戶市地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重破壞,引起眾多地震學者的關(guān)注,使地下結(jié)構(gòu)震害研究出現(xiàn)了前所未有的熱潮。筆者通過對大量地下結(jié)構(gòu)震害的分析研究,對地下結(jié)構(gòu)震害進行了分類,并研究了震害的影響因素及機理,以期為地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。2地下結(jié)構(gòu)破壞的主要類型2.1中間柱場及地下管線問題20世紀60年代以來,從我國地震歷史的震害資料可知,我國約有1582km的鐵路曾經(jīng)受了7～11度地震的考驗,當?shù)卣鹆叶葹?度時,就有隧道發(fā)生輕微破壞的先例,而且洞身破壞極難修復,中斷行車,造成巨大經(jīng)濟損失。1983年5月19日,震中距上海市150km以外的洋面上發(fā)生里氏6級地震時,上海市打浦路管片隧道出現(xiàn)了5條可見裂縫,泥水擠入隧道與豎井的結(jié)合部,經(jīng)及時堵塞,才未造成禍患。1995年在日本阪神大地震中,地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大破壞,車站結(jié)構(gòu)破壞尤為明顯。圖1所示為神戶高速鐵道大開車站的震害情況,該車站用明挖法于1964年建成,中間柱(B400×D1000mm,3.5m)約30根完全破壞,頂板下沉約3m,隧道斷面變成M形。隧道的中柱上端或下端混凝土剝落,鋼筋彎曲。在線路方向及垂直方向上,軸向鋼筋鼓出,箍筋也有許多破壞的,在側(cè)壁的隅角部分也發(fā)生裂縫及變位但無顯著破壞。在阪神大地震中,山嶺隧道也遭到了嚴重的破壞。主要是側(cè)壁的壓潰裂紋及拱部剪切剝落及環(huán)向開裂。許多建于20世紀60年代的隧道,由于設(shè)計時未考慮淺埋地層變形的影響,隧道結(jié)構(gòu)的變形性能不能承受這次大地震,拱頂部分發(fā)生較嚴重的剪切裂紋及剝落,隧道橫斷面方向發(fā)生混凝土片的剝落。如山陽新干線的六甲隧道,長16235m,橫切六甲斷層系,地震后隧道的水泥內(nèi)壁有眾多裂縫,裂縫長達數(shù)十米的地方有3處,隧道的檢查通道在百米范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫。1999年9月21日,我國臺灣省臺中地區(qū)發(fā)生了里氏7.3級地震,那次大地震造成2375人死亡,10000多人受傷,30000多座建筑物倒塌。地震發(fā)生后,通過對臺中地區(qū)57座山嶺隧道進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)除了8座隧道未受損壞外,其余49座都有不同程度的損壞,而且表現(xiàn)出不同形式的損壞,如襯砌開裂、襯砌剝落、洞門破壞、地下水涌入、鋼筋鼓出及彎曲、襯砌移位、底板開裂及由于邊坡破壞造成的隧道坍塌。地下管線的震害也是一個不可忽視的問題,例如:1975年海城地震中,營口市150多公里供水管道破壞372處,平均震害率為24處/公里,經(jīng)一個多月?lián)屝薏呕謴驼９┧?976年唐山地震中,唐山市給水系統(tǒng)全部癱瘓,秦京輸油管道發(fā)生5處破壞。1985年墨西哥地震中,地震引起不同質(zhì)材的各種管道均遭到破壞(其中包括鋼管道),其中煤氣干管斷裂引起煤氣爆炸,市政管網(wǎng)煤氣管道斷裂引起火災,且因供水管網(wǎng)損壞,救火很困難。1995年日本阪神地震中,神戶市及阪神地區(qū)幾座城市的供水系統(tǒng)和污水排放系統(tǒng)受到嚴重破壞,其中神戶市供水系統(tǒng)完全破壞并喪失其基本功能。2.2地下結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)形式通過對地下結(jié)構(gòu)的震害進行調(diào)查分析,歸納出地下結(jié)構(gòu)震害的主要表現(xiàn)形式有地下管道的破壞和隧道的破壞。2.2.1管段或接頭破壞地下管道主要由管段和管道附件(彎頭、三通和閘門等)組成,地震時一般有3種基本破壞類型:①管道接口破壞;②管段破壞;③管道附件以及管道與其他地下結(jié)構(gòu)連接處破壞。其中以管道接口(或接頭)破壞居多。與管段本身強度相比,接口是抗震薄弱環(huán)節(jié)。管道接口通常分剛性接口和柔性接口兩種。其中剛性接口有焊接、絲扣連接等,采用橡膠圈的承插式接口和法蘭連接接口屬于柔性接口。震害表明,柔性接口的震害率明顯低于剛性接口,其原因是前者可以產(chǎn)生較大的變形,具有良好的延性。接口破壞形式有接頭拉開(或拔脫)、松動、剪裂、坍塌等。管段的破壞形式有管段開裂(縱向裂縫、環(huán)向裂縫和剪切裂縫等)、折斷、拉斷、彎曲、爆裂,管體結(jié)構(gòu)坍塌,管道側(cè)壁內(nèi)縮,管壁起皺等。管道破壞率及破壞形式因管道材料、接頭形式等管道本身特點而有差異,并與周圍場地土壤條件有關(guān)。2.2.2隧道破壞形式(1)隧道的破壞當隧道建在斷層破碎帶上時,常常會發(fā)生這種形式的破壞。在“9·21”地震中,位于斷層帶上的一座輸水隧道就發(fā)生了這種破壞。由于斷層的移位,該輸水隧道在進水口下游180m處發(fā)生了剪切滑移,如圖2所示,隧道在豎直方向分開4m,在水平方向分開3m,整個隧道發(fā)生嚴重破壞。(2)如圖3所示，隧道因邊緣破壞而坍塌(3)裂損的種類在地震中,襯砌開裂是最常發(fā)生的現(xiàn)象。這種形式的襯砌破壞又可分為縱向裂損(見圖4)、橫向裂損(見圖5)、斜向裂損(見圖6)、斜向裂損進一步發(fā)展所致的環(huán)向裂損(見圖7)、底板裂損(見圖8)以及沿著孔口如電纜槽、避車洞或避人洞發(fā)生的裂損(見圖9)。(4)變形邊緣墻如圖10所示為由于顯著的邊墻向內(nèi)變形造成的隧道破壞。這種變形可以造成邊墻襯砌的大量開裂,甚至導致邊溝的倒塌。2.3多種破壞類型通過對地下結(jié)構(gòu)震害表現(xiàn)形式及具體發(fā)生條件的研究,人們將因地震造成的地下結(jié)構(gòu)破壞分為兩種類型:一種是由于圍巖變位而在地下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生強制變形所引起的破壞,如襯砌的剪切移位;另一種是結(jié)構(gòu)在地震慣性力作用下而產(chǎn)生的破壞。其中,第一種類型的破壞多數(shù)發(fā)生在巖性變化較大、斷層破碎帶、淺埋地段或隧道結(jié)構(gòu)剛度遠大于地層剛度的圍巖中;第二種類型的破壞多數(shù)發(fā)生在洞口附近,這時地震慣性力的作用表現(xiàn)的比較明顯。有時,在地下結(jié)構(gòu)的洞口附近和淺埋地段可能還會受到上述雙重類型的破壞作用。前述神戶大開車站的破壞即屬此種,由于豎向地震作用比較大,車站中部呈A字形向上頂起,隨之的反作用力將車站頂板向下壓,形成V形沉陷,結(jié)果中柱承受不了由此而產(chǎn)生的荷載,同時又由于地震時地層產(chǎn)生水平振動,地鐵車站隨之振動,而車站頂、底板處的地層水平位移不一致,在車站的頂、底板處產(chǎn)生相對位移,使中柱在剪切力和彎矩的作用下剪切破壞,兩方面的綜合作用使得柱子喪失承載力,導致頂板塌陷。3地下結(jié)構(gòu)的地震破壞作用現(xiàn)場調(diào)查表明,地下結(jié)構(gòu)震害形態(tài)的差異與地震強度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質(zhì)條件、襯砌條件、隧道與圍巖的相對剛度、施工方法、施工的難易程度以及施工過程中是否出現(xiàn)坍方等有密切關(guān)系。根據(jù)以往地下結(jié)構(gòu)在地震中所表現(xiàn)的行為可知,地震的主要或次要效應均可使隧道結(jié)構(gòu)遭受破壞。這些效應包括兩個方面:(1)圍巖失穩(wěn),主要指圍巖的變形、差異位移、震害和液化;(2)地震慣性力,主要指強烈的地層運動在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的慣性力所造成的破壞。因此,圍巖失穩(wěn)和地震慣性力作用是地下結(jié)構(gòu)震害的兩種主要原因。對于同一程度的大地搖動而言,如果僅論及結(jié)構(gòu)的慣性力,地下結(jié)構(gòu)要比地面結(jié)構(gòu)安全的多。這是因為地下結(jié)構(gòu)處于周圍地層的約束之中,并與地層一起運動。因而,地下結(jié)構(gòu)在地震運動過程中,僅僅按照其相對于地層的質(zhì)量密度和剛度分擔一部分地震變形和荷載,而不像地面結(jié)構(gòu)那樣,承擔全部的慣性力。就地下結(jié)構(gòu)的橫截面而言,在巖石地層中,由于地下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量密度和巖石相比并沒有顯著差異,所以,地下結(jié)構(gòu)洞身遭受地震慣性力破壞的發(fā)生概率較低,而處于地層約束較弱的洞口及淺埋地段,破壞發(fā)生的概率一般較高。洞身結(jié)構(gòu)之所以有慣性力破壞的現(xiàn)象發(fā)生,主要是由于地下結(jié)構(gòu)與地層之間出現(xiàn)了較大的空隙而消弱了地層的約束作用,因而實際上相當于提高了襯砌結(jié)構(gòu)的相對質(zhì)量密度,造成其分擔的地震慣性力超過了極限。因此,實驗和實測都表明回填密實有利于結(jié)構(gòu)抗震。在土質(zhì)地層中,由于地下結(jié)構(gòu)的剛度一般比地層大,往往形成對地層變形的約束。因此,襯砌剛度越大,其吸收的變形能就越大,所以地下結(jié)構(gòu)的震害往往表現(xiàn)為由于地層的地震動變形所致。故此得出結(jié)論,襯砌越柔,越有利于抗震,這一點在鐵道部科學研究院關(guān)于強地震作用下鐵路隧道襯砌耐震性的試驗研究中得到了充分的驗證。于是圍巖自身的穩(wěn)定性往往成為控制因素,因此,在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中,只驗算地下結(jié)構(gòu)本身的抗震穩(wěn)定性是不夠的,還需要驗算圍巖自身的地震穩(wěn)定性。就隧道結(jié)構(gòu)的縱向而言,隧道是一種長線形結(jié)構(gòu)物,地震波的相位衍生應力和變形在隧道軸線方向上會發(fā)生很大變化,這實際上構(gòu)成了隧道結(jié)構(gòu)破壞的重要方面,而且表現(xiàn)為埋深越淺,破壞作用越顯著。這可解釋為,假設(shè)隧道和圍巖在地震波通過時一起運動,且隨著地震波的傳播,振動能量沿隧道軸線從一點移動到另一點,則在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部同時產(chǎn)生縱向的拉壓和橫向的剪切兩種作用,如果這兩種作用的結(jié)果超過隧道本身的抗力極限,那么結(jié)構(gòu)自然就會產(chǎn)生破壞。需要強調(diào)指出的是:這種地震破壞作用往往與慣性力的相關(guān)性不明顯。以往的研究表明,隧道結(jié)構(gòu)抵抗這種相位衍生應力和變形的能力,并不因結(jié)構(gòu)體的加強而有很大改變。所以,隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計原則應當考慮這種破壞作用,使設(shè)計的結(jié)構(gòu)應有足夠的韌性以吸收地震所產(chǎn)生的相位衍生應力和相對變位,同時又不損害其承受靜載的能力。一味加強結(jié)構(gòu),試圖讓結(jié)構(gòu)去抵抗相當大的強制變位所產(chǎn)生的內(nèi)力是不現(xiàn)實的。4建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,使城市地下結(jié)構(gòu)的震害機理分析體系地下結(jié)構(gòu)的震害表現(xiàn)形式多樣,影響因素較多,機理復雜,人們對其認識的程度也在不斷發(fā)展之中。因此,要作好地下結(jié)構(gòu)的抗震研究,筆者認為需要進行以下幾方面的工作:(1)建立既有地下結(jié)構(gòu)的基本信息庫。包括地下結(jié)構(gòu)所處位置的地形條件、地質(zhì)條件、襯砌條件、隧道與圍巖的相對剛度、施工方法、施工的難易程度以及施工過程中是否出現(xiàn)坍方等。建立該數(shù)據(jù)庫可以使人們對震害的評價更準確、客觀,而且也便于進行震害機理分析。(2)建立統(tǒng)一的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計體系。地下結(jié)構(gòu)的震害原因不同于地面結(jié)構(gòu),主要表現(xiàn)為圍巖失穩(wěn)破壞。也就是說,對于地下結(jié)構(gòu),其抗震能力的重要問題在于圍巖的地震變形和結(jié)構(gòu)對于這種變形的適應性。目前,國家不同行業(yè)的地下結(jié)構(gòu)采用的抗震設(shè)計方法也不同:例如,核電站抗震規(guī)范規(guī)定,核電站地下