北京市軌道交通地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南

1總則

1.0.1為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國建筑法》和《中華人民共和國防震減災(zāi)法》等相關(guān)法律法規(guī)，實行

以預(yù)防為主的方針，使北京市的軌道交通地下結(jié)構(gòu)經(jīng)抗震設(shè)防后，減輕地下結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員

傷亡，減少經(jīng)濟損失，同時為適應(yīng)北京市城市軌道交通建設(shè)、運營和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需要，體現(xiàn)北京城市發(fā)

展目標(biāo)和北京地方特點，進一步促進城市軌通交通的可持續(xù)發(fā)展，制訂本指南。

1.0.2本指南適用于軌道交通工程地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，包括地下車站和區(qū)間隧道抗震設(shè)計。

1.0.3抗震設(shè)防烈度必須按國家規(guī)定的強制性標(biāo)準或開展的強制性評估確定。一般情況下，建筑的抗震

設(shè)防烈度應(yīng)依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306確定；已進行地震動小區(qū)劃或工程場地地震安全性

評價的，按通過審定的結(jié)果取值。甲類地下結(jié)構(gòu)和場地周邊200米范圍內(nèi)存在活動斷裂時，地震動設(shè)計

參數(shù)必須通過場地地震安全評價獲得。

1.0.4城市軌道交通工程地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計除應(yīng)符合本指南外，尚應(yīng)符合國家及北京市現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準的

規(guī)定。

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2術(shù)語

2.0.1抗震設(shè)防烈度seismicprecautionintensity

按國家規(guī)定的權(quán)限批準作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。一般情況，取50年內(nèi)超越概率

10%的地震烈度。

2.0.2抗震設(shè)防標(biāo)準seismicprecautioncriterion

衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度，由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)及建筑抗震設(shè)防類別確定。

2.0.3E1地震作用E1earthquakeaction

地震重現(xiàn)期為100年的地震動。

2.0.4E2地震作用E2earthquakeaction

地震重現(xiàn)期為475年的地震動。

2.0.5E3地震作用E3earthquakeaction

地震重現(xiàn)期為2475年的地震動。

2.0.6地下結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計seismicconceptdesign

根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，進行結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造

的過程。

2.0.7抗震構(gòu)造措施detailsofseismicdesign

根據(jù)抗震概念設(shè)計原則，一般不需要計算而對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件各部分必須采取的各種細部要求。

2.0.8反應(yīng)位移法responsedisplacementmethod

考慮地震時表層地基剪切變形的影響，以場地土層地震動相對位移為主要因素確定地震作用，對地

下結(jié)構(gòu)物進行抗震計算的方法。

2.0.9反應(yīng)加速度法responseaccelerationmethod

用場地土層地震動加速度確定地震作用，施加于地下結(jié)構(gòu)及周圍土體，對地下結(jié)構(gòu)物進行抗震計算

的方法。

2.0.10動力時程分析法dynamictimehistoryanalysis

由結(jié)構(gòu)基本運動方程輸入地震加速度記錄，并沿時間歷程進行積分，求解結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的動力分析

方法。

2.0.11靜力彈塑性分析push-overmethod

將一維分析得到的三角形分布的水平慣性加速度施加到土—結(jié)構(gòu)模型，分步加載直至達到目標(biāo)位

移，或者地下結(jié)構(gòu)完全破壞，用以驗算地下車站和隧道等結(jié)構(gòu)的抗震性能的方法。

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3地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和抗震概念設(shè)計

3.1地震及地震作用

3.1.1地震作用分為水平地震作用和豎向地震作用。在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，地震作用應(yīng)以水平地震作

用為主，在發(fā)震斷層附近應(yīng)考慮豎向地震作用。

地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中造成的振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)

象。地球上板塊與板塊之間相互擠壓碰撞，造成板塊邊沿及板塊內(nèi)部產(chǎn)生錯動和破裂，是引起地震的主

要原因。據(jù)統(tǒng)計，地球上每年約發(fā)生500多萬次地震，即每天要發(fā)生上萬次的地震。其中絕大多數(shù)太小

或太遠，以至于人們感覺不到，真正能對人類造成嚴重危害的地震大約有數(shù)十次，能造成特別嚴重災(zāi)害

的地震大約有一兩次。在抗震設(shè)計時，根據(jù)其超越概率，可視為可變作用或偶然作用。

地震作用指由地震引起的結(jié)構(gòu)動態(tài)作用，分水平地震作用和豎向地震作用。一般情況下，地下結(jié)構(gòu)

地震作用以水平向為主，豎向地震不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，這主要是因為豎向地震動的峰值加速度一般均小于

水平地震動峰值加速度，約為水平地震動峰值的1/2～2/3，而且地下結(jié)構(gòu)體系一般均具有較強的豎向

承載力，而水平側(cè)向承載力較小。在發(fā)震斷層附近，豎向地震加速度很大，豎向地震作用非常明顯。特

別是當(dāng)淺埋地下結(jié)構(gòu)中存在大跨或長懸臂等構(gòu)件時，豎向地震作用不可忽視。

3.1.2地下結(jié)構(gòu)地震作用確定應(yīng)考慮震級、震中距、震源深度、地震持續(xù)時間、地形、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)

類型等。

地震發(fā)生時，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速的破裂和運動，這種震動構(gòu)成一個波源。由于地球介質(zhì)的連續(xù)

性，這種波動就向地球內(nèi)部及表層各處傳播開去，形成了連續(xù)介質(zhì)中的彈性波，即地震波。由地震波的

傳播產(chǎn)生的地震作用一般受到以下因素的影響：震級、震中距、震源深度、地震持續(xù)時間、地形、地質(zhì)

條件、結(jié)構(gòu)類型等。

震級是指地震釋放能量的大小，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，一次地震只有一個震級。震源是指地震發(fā)源

的位置，即巖石急速破裂和運動的位置。震中是指震源在地面上的垂直投影，是地面上距離震源最近的

點。震中距是指震中到地面上任一點的距離。震中距在100公里以內(nèi)的稱為地方震，在1000公里以內(nèi)稱

為近震，大于1000公里稱為遠震。震源深度是指震源至震中的距離。地震可按照震源深度分為淺源地

震、中源地震和深源地震。淺源地震大多發(fā)生在地表以下30公里深度以內(nèi)的范圍內(nèi)；60～300公里為

中源地震；300公里以上為深源地震。其中，淺源地震的發(fā)震頻率高，占地震總數(shù)的70%以上，所釋放

的地震能量占總釋放能量的85%，是地震災(zāi)害的主要制造者，對人類影響最大。

地震持續(xù)時間的影響主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)反應(yīng)進入非線性化之后，持時的增加可能產(chǎn)生較大永久變形，

持時愈長，則反應(yīng)愈大，產(chǎn)生震害的積累效應(yīng)。

有些地形會對地震波產(chǎn)生放大效應(yīng)，比如盆地，從而導(dǎo)致這些地方的地震破壞比其周圍地區(qū)更嚴

重。而且，地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)類型也會對地震作用產(chǎn)生影響。1985年9月19日墨西哥西南岸外太平洋底

發(fā)生8.1級地震，遠離震中400公里的墨西哥城遭受的損失，遠遠嚴重于墨西哥西部距震中較近的沿海

四個州遭受的損失，這是因為墨西哥城建造于湖泊沉積而成的封閉式盆地，盆地周圍是巖石，盆地內(nèi)是

軟弱沉積土，地震波在盆地內(nèi)多次反射和折射，并與盆地內(nèi)的超松軟沉積層發(fā)生共振。震害經(jīng)驗表明：

小震、近震、堅硬場地上的地震動容易使剛性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震害，而大震、遠震軟厚場地上的地震動容易使

高柔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震害，這是因為前一種地震動的高頻成分比較豐富，而后一種低頻成分較強。因此，由于

共振效應(yīng)，前者易使高頻結(jié)構(gòu)受到破壞，后者易使低頻結(jié)構(gòu)受損。

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3.1.3地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，一般宜假定地震中土體不喪失完整性。

發(fā)震時，土層地震反應(yīng)可分成兩類由：（1）土層震動，并發(fā)生一定的變形；（2）土層破壞，喪失完整性。

土層震動與變形是非常復(fù)雜的，其地震波與表層土體的相互作用及面波產(chǎn)生?，F(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)抗震

設(shè)計方法中，一般假定地震中土體不喪失完整性，只考慮地基振動引起土層和結(jié)構(gòu)的變形反應(yīng)。

土層破壞并喪失完整性包括地層液化、邊坡失穩(wěn)和斷層位移等，位于土層破壞范圍內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)將會

遭受較大的破壞，需要進行特殊的抗震設(shè)計并采取相應(yīng)的工程措施，具體詳見本指南第10.1和10.2節(jié)。

3.1.4地下結(jié)構(gòu)在水平地震作用下產(chǎn)生的變形應(yīng)分為三種：縱向拉壓、縱向彎曲和橫向剪切變形。

為了工程設(shè)計，將地下結(jié)構(gòu)在水平地震作用下產(chǎn)生的變形主要分為三種：（1）縱向拉壓，如圖3.1.4-1

所示；（2）縱向彎曲，如圖3.1.4-2所示；（3）橫向剪切變形，如圓形斷面變?yōu)闄E圓形，如圖3.1.4-3a)所

示；矩形斷面變?yōu)榱庑危鐖D3.1.4-3b)所示。

圖3.1.4-1縱向拉壓變形圖3.1.4-2縱向彎曲變形

a)橢圓形變形b)橫向菱形變形

圖3.1.4-3橫向剪切變形

3.2地下結(jié)構(gòu)類型及常見地震破壞形式

3.2.1城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)分為主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)；主體結(jié)構(gòu)主要分為地鐵車站和區(qū)間隧道。體量

和結(jié)構(gòu)形式不同的地下結(jié)構(gòu)，地震時的破壞程度和破壞形式也不盡相同。

按照其使用功能，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)可分為主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)；主體結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)軌道交通

車輛運行功能；附屬結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)出入主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備放置等功能。主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)的體量和結(jié)構(gòu)

形式不同，地震時的破壞程度和破壞形式也不同。

根據(jù)地下結(jié)構(gòu)形式，可分為線形地下結(jié)構(gòu)與非線形地下結(jié)構(gòu)。線形地下結(jié)構(gòu)的橫斷面尺寸大大小

于縱向長度，比如軌道交通地下車站和區(qū)間隧道等；非線形地下結(jié)構(gòu)的寬度與長度相差較小，比如換乘

大廳、風(fēng)井等。根據(jù)橫斷面結(jié)構(gòu)形式，地下結(jié)構(gòu)可分為圓形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)、拱頂直墻、拱頂曲墻、馬

蹄形等。按照施工方法，可分為明挖法地下結(jié)構(gòu)、蓋挖法地下結(jié)構(gòu)、礦山法地下結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)

等。不同結(jié)構(gòu)形式的地下結(jié)構(gòu)地震破壞形式和地震反應(yīng)也有較大不同。

3.2.2地下車站結(jié)構(gòu)的地震破壞形式為中柱+頂板破壞，中柱開裂和端部橫墻破壞。隧道結(jié)構(gòu)的常見破

壞形式為剪切錯動，襯砌開裂和邊墻變形。

由于地下結(jié)構(gòu)埋置于巖層或土層中，受到周圍巖土體介質(zhì)的約束，地震動作用以地層變形傳遞給地

下結(jié)構(gòu)為主。因此，地下結(jié)構(gòu)在地震中的破壞形式與受慣性力作用的地面結(jié)構(gòu)明顯不同。

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1.地下車站結(jié)構(gòu)的破壞形式：中柱+頂板破壞，中柱開裂和端部橫墻破壞。

車站結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)的區(qū)別除斷面尺寸外，主要是車站結(jié)構(gòu)有中柱和端部橫墻。中柱由于承載了較

大的豎向壓力且結(jié)構(gòu)橫截面較小，延性相對較差。端部橫墻由于側(cè)向剛度較大，地震發(fā)生時會產(chǎn)生較大

的內(nèi)力。因此，地震時車站結(jié)構(gòu)的破壞形式主要有：（1）中柱+頂板破壞，如圖3.2.2-1所示；（2）中

柱開裂，如圖3.2.2-13；（3）端部橫墻破壞。

圖3.2.2-1地鐵車站中柱+頂板破壞形式

2.隧道結(jié)構(gòu)的常見破壞形式：剪切錯動，襯砌開裂和邊墻變形。

（1）隧道的剪切錯動，如圖3.2.2-2所示。當(dāng)隧道建在斷層破壞帶時，可能會發(fā)生此類破壞。

（2）襯砌開裂。在地震中，襯砌開裂是最常發(fā)生的破壞形式。襯砌開裂可分為縱向裂損（圖3.2.2-

3）、橫向裂損（圖3.2.2-4）、斜向裂損（圖3.2.2-5），以及由斜向裂損發(fā)展成的環(huán)向裂損（圖3.2.2-6）、

底板裂損（圖3.2.2-7）、襯砌開洞處裂損（圖3.2.2-8）等。

圖3.2.2-2隧道的剪切錯動圖3.2.2-3隧道的縱向裂損

圖3.2.2-4襯砌橫向裂損圖3.2.2-5襯砌斜向裂損

圖3.2.2-6襯砌環(huán)向裂損圖3.2.2-7襯砌底板裂損

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圖3.2.2-8襯砌開洞處裂損

（3）邊墻或底板變形。邊墻或底板較大的向內(nèi)變形也可造成隧道結(jié)構(gòu)破壞，如圖3.2.9所示。

圖3.2.2-9邊墻或底板變形

3.日本阪神地震中地下結(jié)構(gòu)的破壞

在過去，地下結(jié)構(gòu)的抗震問題并沒有引起人們足夠的重視。然而，近十?dāng)?shù)年來，已有多座地下結(jié)構(gòu)

在多次地震中遭到破壞，漸漸引起了人們對地下結(jié)構(gòu)抗震問題的重視。其中，城市地下結(jié)構(gòu)最嚴重的地

震破壞發(fā)生在日本阪神地震中。1995年1月17日阪神大地震發(fā)生，6.9級的地震襲擊了日本西南部的大

阪和神戶，地鐵地下結(jié)構(gòu)歷史上第一次發(fā)生大規(guī)模的倒塌，其中大開車站破壞最嚴重，神澤站、三宮站

等也發(fā)生了嚴重破壞。

（1）大開車站的地震破壞

大開車站采用明挖法修建于1962—1964年間，距離震中15km。在地震中，超過30根中柱破壞，約

110m長的車站斷面發(fā)生倒塌，致使車站頂板發(fā)生塌落，如圖3.2.2-10所示。

大開車站有三種斷面形式，各斷面的縱向長度如圖3.2.2-11所示。斷面1如圖3.2.2-11a）所示，

埋深為4.8m，矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；寬為17m，高為7.17m；橫斷面為單根中柱，高約為5m，斷面尺

寸為0.1m×0.4m，縱向間距為3.5m。斷面2如圖3.2.2-11b）所示，矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；寬為9m，

高為6.36m；橫斷面為單根中柱，斷面尺寸為0.4m×0.6m，縱向間距為2.5m。斷面3如圖3.2.2-11

c）所示，兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高為10.12m，寬為26m，中柱與斷面1相同；在兩側(cè)站臺上各有1根

柱子。

根據(jù)破壞程度，大開車站可以分成3個部分：1）斷面1發(fā)生了嚴重倒塌，圖3.2.2-1即為該斷面的

破壞形式，是車站的主要破壞部分；2）斷面2沒有發(fā)生破壞；3）地下兩層的斷面3在與斷面1臨近部

分發(fā)生較大變形，但沒有倒塌；與斷面2臨近部分變形很小。而且，由于斷面1的破壞，導(dǎo)致車站之上

的公路路面發(fā)生2.5m沉降，如圖3.2.2-12所示。

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圖3.2.2-10大開車站破壞縱斷面圖

a）斷面1（倒塌斷面）b）斷面2

c）斷面3

圖3.2.2-11大開車站橫斷面

a）中柱和頂板破壞b）地面塌陷

圖3.2.2-12大開站地震破壞

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（2）神澤車站的地震破壞

在地震中，神澤站也發(fā)生了嚴重破壞，其中西部破壞嚴重，東部較輕。該車站位于大開車站以北

400m，東西向長400m，有兩種橫斷面形式：兩層兩跨和三層兩跨，為非對稱矩形結(jié)構(gòu)。特別是在破壞

嚴重的西部，中柱偏于一側(cè)，頂板兩跨的跨度比約為2:1。

在車站西部，有10根中柱發(fā)生嚴重破壞；約73%的中柱都有程度不等的破壞，頂?shù)装搴蛡?cè)墻也產(chǎn)

生了縱向裂縫。其中，破壞最嚴重的兩個斷面如圖3.2.2-13所示。斷面1如圖3.2.2-13a）所示，共8跨，

頂層中有6根中柱破壞非常嚴重，混凝土開裂剝落，鋼筋屈曲；底層破壞較輕。斷面2如圖3.2.2-13b）

所示，頂層和中間層的鋼筋混凝土柱有4根破壞非常嚴重；底層為鋼管柱，未發(fā)生破壞。

a）斷面1

b）斷面2

圖3.2.2-13神澤車站破壞斷面

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（3）地下車站地震破壞特征

通過阪神地震中大開站和神澤站的地震破壞案例，可以發(fā)現(xiàn)如下的破壞特征：

1）非對稱結(jié)構(gòu)比對稱結(jié)構(gòu)破壞嚴重；

2）車站結(jié)構(gòu)的中柱破壞嚴重；

3）單柱雙跨結(jié)構(gòu)破壞嚴重；

4）地鐵車站頂層破壞嚴重，底層破壞相對較輕。

4.汶川地震中地下結(jié)構(gòu)的破壞

2008年的“5·12”汶川大地震，震級為8級，震源深度約為14公里，其主要能量來自青藏高原

和華南地塊之間相對運動在斷裂帶上產(chǎn)生的能量積累和釋放。在地震后，地殼深部巖石中形成一條長約

300公里、深達30公里的大斷裂，其中的200余公里出露地表，形成沿映秀—北川斷裂分布的地表破裂

帶，最大垂直錯距和水平錯距分別達到5米和4.8米，沿整個破裂帶的平均錯距可達2米左右。另外，

龍門山與成都平原交界的都江堰—江油斷裂也發(fā)生了60多公里的破裂。在此次地震中，成都的地震烈

度在6-7度左右，總體來說沒有明顯震害發(fā)生。

（1）地下車站的地震損傷

從成都地鐵的情況看，地下車站僅局部出現(xiàn)輕微裂縫，天府廣場站車站與區(qū)間接口情況良好（圖

3.2.2-14），小天竺站與盾構(gòu)區(qū)間接口受損程度較重（圖3.2.2-15）。

圖3.2.2-14天府廣場站與盾構(gòu)區(qū)間接口圖3.2.2-15小天竺車站與盾構(gòu)接口

（2）盾構(gòu)隧道的地震損傷

盾構(gòu)隧道采用預(yù)制管片拼裝，厚度較薄，螺栓柔性連接，隧道柔度大，盾構(gòu)隧道襯砌與地層的震后

變形基本同步，產(chǎn)生橫向剪切變形與縱向撓曲變形，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道產(chǎn)生管片錯臺（圖3.2.2-16）、局部破

損（圖3.2.2-17）、螺栓拉壞（圖3.2.2-18）和滲水（圖3.2.2-19）等地震損傷現(xiàn)象：

1）隧道沿縱向產(chǎn)生正弦曲線振動變形，頂部發(fā)現(xiàn)有規(guī)律的管片破損和螺栓破壞，產(chǎn)生縱向錯臺和

管片局部破環(huán)；

2）隧道產(chǎn)生橫向剪切變形，盾構(gòu)橫斷面部分部位有管片錯臺或局部破壞現(xiàn)象。

圖3.2.2-16管片錯臺

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圖3.2.2-17管片擠壓破損

圖3.2.2-18連接螺栓松動滑落

圖3.2.2-19管片滲水

（3）淺埋暗挖的區(qū)間隧道地震響應(yīng)

孵化園站～會展中心站區(qū)間B標(biāo)段下穿成都外環(huán)高速路段采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞淺埋暗挖施工，橢圓形斷

面加型鋼格柵。地震時已完成初支，采用大管棚加小導(dǎo)管注漿加固，中隔壁墻基本完成，整體性較好，

如圖3.2.2-20～21所示。

在地震之前，該隧道圍巖變形及地表沉降已基本趨于穩(wěn)定。在強烈的地震作用下，地表產(chǎn)生了2mm

的沉降，后又趨于穩(wěn)定，說明地震作用較大；礦山法隧道主體結(jié)構(gòu)和初次支護形成后，剛度大，能夠抵

抗來自地震的作用；隧道結(jié)構(gòu)與地層接觸緊密，基本同步運動，無明顯的震害發(fā)生。

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圖3.2.2-20下穿外環(huán)高速的淺埋暗挖隧道圖3.2.2-21隧道已完成初支和中隔墻施工

3.3抗震概念設(shè)計

3.3.1軌道交通地下結(jié)構(gòu)應(yīng)進行抗震概念設(shè)計。地下結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗

等形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，進行地下結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造的過程。它是人們對地震災(zāi)

害的經(jīng)驗總結(jié)，為抗震設(shè)計的完成提供正確的概念和思路。

應(yīng)該認識到，任何結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計之初，結(jié)構(gòu)方案或者概念不正確的話，無論采取任何計算或措施

均不能夠使其在地震下表現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。

由于地震作用的不確定性及復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)計算假定及目前計算手段的局限性，對照規(guī)范進行

“簡單”的抗震計算得出的“單一”抗震設(shè)計，無法保證其結(jié)構(gòu)在地震力作用下的安全。1985年墨西哥

震害、1988年美國震害、1992年土耳其震害及1994年洛杉磯震害證實，即使是經(jīng)過抗震計算的結(jié)構(gòu)，

在地震力作用下也會大量破壞及坍塌。震后的結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，抗震破壞很大程度上源于設(shè)計人員錯

誤的的抗震方案設(shè)計。松散土層上不對應(yīng)基礎(chǔ)形式的選擇，錯誤的平面及剖面布置放大了地震動作用，

不均勻的剛度布置帶來了應(yīng)力的集中，與主體結(jié)構(gòu)變形不一致的次要建筑構(gòu)件布置降低了整體結(jié)構(gòu)的抗

震性能等。

國內(nèi)外的抗震防護，通常以抗震設(shè)計規(guī)范為出發(fā)點和依據(jù)。規(guī)范所尋求的抗震保護水平是由公共

權(quán)力機構(gòu)確定的，是防護措施所需的費用和各國綜合國力相互“妥協(xié)”的結(jié)果。震害結(jié)果表明，震中地

區(qū)，尤其是在大地震的情況下，建筑承受的地震作用往往比抗震規(guī)范確定的荷載大得多。如中國2008

年汶川地震，實際烈度基本在7.5~10度，部分重災(zāi)區(qū)如映秀、北川等烈度甚至達到了11度。按照當(dāng)時

的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）的規(guī)定：德陽、綿陽、廣元的設(shè)防烈度為6度，汶川、青川、

北川等重災(zāi)區(qū)的設(shè)防裂度僅為7度。震害調(diào)查的經(jīng)驗證明，建筑物只要經(jīng)過正確的抗震概念設(shè)計且結(jié)構(gòu)

方案合理，是可以承受得住大地震的考驗的。

3.3.2地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計包括三個方面的內(nèi)容：概念設(shè)計、抗震計算和構(gòu)造措施?！案拍钤O(shè)計”應(yīng)為地

下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首步工作。強調(diào)根據(jù)抗震設(shè)計的基本原則，在工程建設(shè)場地選擇、建筑結(jié)構(gòu)平面及剖

面布置、結(jié)構(gòu)體系選擇、剛度分布、抗震措施等方面的綜合考慮。在此基礎(chǔ)上通過計算分析定量的進行

抗震設(shè)計，再輔以相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，使得設(shè)計出來的地下結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

震害研究同樣表明，在項目的前期及實施過程中采用了正確的抗震設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)，能夠抵抗強地震

動的作用。實際上結(jié)構(gòu)會不同程度的響應(yīng)土體傳來的震動，這種響應(yīng)可能是放大、持平或縮小。一道墻、

一個柱子、一定的板厚變化、一個開洞或變形縫位置的調(diào)整，都會影響結(jié)構(gòu)在地震動作用下的反應(yīng)。

3.3.3抗震概念設(shè)計應(yīng)貫穿于整個地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的全過程。

抗震概念設(shè)計應(yīng)貫穿于整個地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程，伴隨各階段的結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整及抗震計算結(jié)果

給予針對性分析，確保結(jié)構(gòu)抗震方案的合理性。

11

這里要特別強調(diào)，抗震概念設(shè)計并不是簡單、機械的套用抗震設(shè)計概念或原則，從而使地下建筑設(shè)

計缺乏創(chuàng)造性和藝術(shù)性。大量富有想象力、具有創(chuàng)造性的地下建筑在進行了抗震概念設(shè)計后，在地震作

用中同樣可以有良好的表現(xiàn)。

3.4建筑結(jié)構(gòu)平面及剖面布置

3.4.1為使地下結(jié)構(gòu)在地震中的變形與地層的變形相協(xié)調(diào)，平面及剖面的剛度控制尤為重要。可以通過

調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度及不同剛度構(gòu)件的平面及剖面布置，使結(jié)構(gòu)的變形與地層的變形相適應(yīng)?；驹瓌t

如下：

1應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)平面及剖面布置，使各構(gòu)件間的受力及變形相協(xié)調(diào)，從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件具備足

夠的延性。

2當(dāng)通過合理的結(jié)構(gòu)平面及剖面布置，局部構(gòu)件可以達到與地層及其他構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)，但延性

難以保證時，應(yīng)考慮改變局部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料，如采用鋼管混凝土柱子代替混凝土柱子。

3應(yīng)優(yōu)先通過變形縫對不同的剛度單元進行有效的劃分，從而避免變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生過大的應(yīng)力集

中。同時使結(jié)構(gòu)變?yōu)楸阌谟嬎惴治龅膯误w，使復(fù)雜不宜掌控的地下結(jié)構(gòu)計算更具針對性。

4當(dāng)平面或剖面形狀差異較大，但又難以設(shè)置變形縫將其分割時，應(yīng)結(jié)合建筑功能調(diào)整主體結(jié)構(gòu)

及其內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度及不同剛度構(gòu)件的分布，使形狀差異較大的結(jié)構(gòu)剛度分布趨于均勻且

與地層的變形相協(xié)調(diào)。

隨著我國軌道交通大規(guī)模的建設(shè)，城市線網(wǎng)不斷加密，換乘站日益增多，軌道交通地下結(jié)構(gòu)與周邊

工程一體化的案例日益增多，綜合管廊隨軌建設(shè)的大力推進，地下結(jié)構(gòu)的布置形態(tài)不再是呈單一的“長

條形”，呈現(xiàn)出多元化的趨勢。地下結(jié)構(gòu)的平面及剖面布置，對于其抗震性能有著重要的影響。但因地

下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計起步較晚，震害案例也有限，本文的論述在結(jié)合地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)抗震特點及不同的

基礎(chǔ)上，較多的借鑒了地面結(jié)構(gòu)的震害案例分析成果及經(jīng)驗。

地下結(jié)構(gòu)的震動變形受周圍土體的約束作用顯著，結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出自振動特性的

影響。地面結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)則明顯的表現(xiàn)出自振動特性。因此，對于地面結(jié)構(gòu)的研究，多圍繞自振動特

性展開，結(jié)構(gòu)的形狀、質(zhì)量、剛度的變化，對地面結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)影響很大。而對于地下結(jié)構(gòu)來說，結(jié)

構(gòu)隨地層地震動變形占比較大。因此能否在地層的約束下，發(fā)生與地層相協(xié)調(diào)的變形，避免協(xié)調(diào)變形中

過大的應(yīng)力集中，并在此變形下保持結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的延性，是地下結(jié)構(gòu)平面及剖面布置的重點。

3.4.2地震區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)單體，平面宜以剛度均勻的正方形、矩形、圓形為好，正多邊形、橢圓形也

是相對較好的平面形狀。

圖3.4.2有利于結(jié)構(gòu)單體的平面布置形式

應(yīng)注意并不是結(jié)構(gòu)采用了上述的平面形狀，地下建筑結(jié)構(gòu)就會具有良好的抗震性能。上述平面形狀

為平面雙軸或多軸結(jié)構(gòu)，可以減小結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)。但如果其內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻的話，依然

會在地震力作用下出現(xiàn)破壞。

3.4.3在實際的地下結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，由于城市規(guī)劃，建筑用地，使用功能及藝術(shù)效果的需求，地下結(jié)

構(gòu)不可避免的將出現(xiàn)L型、T型、H型、十字型等各種復(fù)雜的平面結(jié)構(gòu)。在此種情況下可以通過變形縫

12

對剛度不同的結(jié)構(gòu)進行有效的分割使地下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為抗震性能較為優(yōu)良且便于計算分析的單體結(jié)構(gòu)。也

可通過對形狀進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其趨于抗震有利的平面布置形式。

圖3.4.3不利平面體形的改進方法

在日本神戶市停車場的震害資料研究中發(fā)現(xiàn)，停車場主體結(jié)構(gòu)在地震中的損害較為輕微，但在主體

結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的結(jié)合部分仍出現(xiàn)了混凝土脫落和漏筋的現(xiàn)象。說明合理的斷面分割，有利于結(jié)構(gòu)的抗

震性能。

3.4.4地震區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)單體，剖面宜以剛度均勻的正方形、矩形、圓形為好，馬蹄形、直墻拱形也

是相對較好的平面形狀。

圖3.4.4有利于結(jié)構(gòu)單體的剖面布置形式

3.4.5在實際的地下結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，由于城市規(guī)劃，建筑用地，使用功能及藝術(shù)效果的需求，地下

結(jié)構(gòu)不可避免的將出現(xiàn)各種復(fù)雜的剖面結(jié)構(gòu)。在此種情況下可以通過變形縫對剛度不同的結(jié)構(gòu)進行有效

的分割使地下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為抗震性能較為優(yōu)良且便于計算分析的單體結(jié)構(gòu)。也可通過對形狀進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)

整，使其趨于抗震有利的平面布置形式。其分割及調(diào)整原則同平面。

3.4.6抗震結(jié)構(gòu)體系是抗震設(shè)計需要考慮的重要問題，結(jié)構(gòu)方案的選取是否合理，對安全性及經(jīng)濟性起

到至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑的平剖面布置、場地條

件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比選確定。

3.4.7在選擇建筑抗震結(jié)構(gòu)體系時，應(yīng)符合下列的相關(guān)要求：

1應(yīng)具備明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

2宜有多道抗震防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力。

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3應(yīng)具備必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

4宜具有合理的剛度布置，避免因局部削弱或變形形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變

形集中；對可能出現(xiàn)的薄弱部位應(yīng)采取措施提高抗震能力。

3.4.8結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)符合下列的要求：

1混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)合理的選擇尺寸、配置縱向受力鋼筋和箍筋，避免剪切破壞先于彎曲破壞、

混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固黏結(jié)破壞先于構(gòu)件破壞。

2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)合理的選擇尺寸，避免構(gòu)件整體或局部失穩(wěn)。

3砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)該按照規(guī)定設(shè)置混凝土圈梁、構(gòu)造柱或采用配筋砌體等。

3.4.9結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間應(yīng)可靠連接，保證結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)符合下列要求：

1構(gòu)件節(jié)點的破壞不應(yīng)先于連接的構(gòu)件。

2預(yù)埋件的錨固破壞不應(yīng)先于連接的構(gòu)件。

3裝配式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件連接應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)的整體性。

4各抗震支撐系統(tǒng)應(yīng)能保證地震時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.4.10除了強度及剛度的要求外，在地震區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的抵抗塑性變形的能力，即延性要求。

這樣通過結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收和消耗地震輸入的能量，有利于抵抗倒塌破壞，提高抗震潛力。

14

4地下結(jié)構(gòu)抗震基本要求

4.1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準

4.1.1城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)工程抗震應(yīng)按常遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震三個設(shè)防水準進行設(shè)防。

表4.1.1設(shè)防水準與地震重現(xiàn)期的關(guān)系

設(shè)防水準常遇地震（E1）設(shè)計地震（E2）罕遇地震（E3）

地震重現(xiàn)期(年)1004752475

50年超越概率—10%2%

4.1.2設(shè)計地震動參數(shù)可按國家標(biāo)準《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306規(guī)定的地震動參數(shù)執(zhí)行。對進

行過專門地震研究的地區(qū)，可按批準的抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)進行設(shè)防。

軌道交通地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為100年，應(yīng)按100年地震超越概率分別為63%、10%和2~3%

來對應(yīng)確定常遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震三個設(shè)防水準。但由于目前地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作尚不夠深

入，且《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011等規(guī)范中也未明確與100年

地震超越概率相對應(yīng)的設(shè)計地震動參數(shù)，為利用目前抗震規(guī)范體系規(guī)定的抗震設(shè)防烈度及設(shè)計地震動參

數(shù)進行地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，并與現(xiàn)行國家標(biāo)準《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》GB50909-2014保

持一致，本指南暫按與50年地震超越概率相對應(yīng)的設(shè)計地震動參數(shù)進行抗震設(shè)計。

將來根據(jù)進一步的地下結(jié)構(gòu)抗震研究成果再行確定與100年地震超越概率相對應(yīng)的設(shè)計地震動參數(shù)，

或借鑒《工程結(jié)構(gòu)可靠性統(tǒng)一標(biāo)準》GB50153-2008中引入可變荷載設(shè)計使用年限調(diào)整系數(shù)的作法，研

究確定設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)按50年地震超越概率的設(shè)計地震動參數(shù)進行設(shè)計時的地震作用調(diào)

整系數(shù)。當(dāng)缺乏當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)資料且確需對地震作用進行調(diào)整時，可參考《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試

用)》CECS160:2004的附錄A，調(diào)整系數(shù)可取1.3~1.4。

4.2地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類

4.2.1城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)工程應(yīng)根據(jù)其在城市交通和抗震救災(zāi)中的作用以及重要性分為甲類、乙

類、丙類三個抗震設(shè)防類別。

城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震分類參照了現(xiàn)行國家標(biāo)準《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準》GB50223，但考慮

到城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的特點，取消了丁類（適度設(shè)防類）。城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)包括地下車站和

換乘樞紐、地下指揮中心、區(qū)間隧道、風(fēng)道和出入口等建（構(gòu)）筑物，重要性的劃分應(yīng)適當(dāng)考慮規(guī)劃交

通量的大小和大型地下空間的利用。

城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)作為地下軌道交通空間的圍蔽和承載結(jié)構(gòu)，一旦在地震作用下遭到損壞會

影響地下軌道交通工程的使用功能甚至安全，是城市軌道交通工程抗震設(shè)計的關(guān)鍵。由于地下結(jié)構(gòu)的

建造難度大、造價高昂、受損后修復(fù)難度大，因此對其抗震性能的要求與地面結(jié)構(gòu)應(yīng)有所區(qū)別，并宜

適當(dāng)提高。

4.2.2抗震設(shè)防類別的劃分應(yīng)符合下列規(guī)定：

1特殊設(shè)防類（甲類）：指涉及國家公共安全和地震時可能發(fā)生嚴重次生災(zāi)害等特別重大災(zāi)害后果，

需要進行特殊設(shè)防的地下工程，包括在城市地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)中占關(guān)鍵地位、承擔(dān)客流量大的大型換乘

車站和樞紐車站，以及與特殊設(shè)防類地面結(jié)構(gòu)合建的地下結(jié)構(gòu)工程等。

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城市軌道交通在我國各大城市迅速發(fā)展，其樞紐建筑具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員集中的特點，受

損后影響面大且修復(fù)困難。大型換乘車站和大型綜合樞紐車站主要指不少于3條線路（包括與鐵路、公

路等其它交通系統(tǒng)）相互換乘、車站主體結(jié)構(gòu)合建且設(shè)計預(yù)測日平均客流量超過50萬人的地下車站。

這樣規(guī)模的地下車站若在地震遭到破壞將導(dǎo)致多線軌道交通線路中斷或交通樞紐癱瘓，社會影響巨大，

需要進行特殊設(shè)防。

2重點設(shè)防類（乙類）：指地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的生命線相關(guān)工程，以及地震時

可能導(dǎo)致大量人員傷亡等重大災(zāi)害后果，需要提高設(shè)防標(biāo)準的地下工程，包括除特殊設(shè)防類以外的地下

工程主體結(jié)構(gòu)，如地下車站主體結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道、地下主變電站、地下控制中心等工程。

3標(biāo)準設(shè)防類（丙類）：除上述兩類以外按標(biāo)準要求進行設(shè)防的工程，包括地下車站附屬結(jié)構(gòu)（風(fēng)

道、出入口通道、緊急疏散通道）、區(qū)間風(fēng)道和聯(lián)絡(luò)通道等工程。當(dāng)?shù)叵鹿こ谈綄俳Y(jié)構(gòu)體量與主體結(jié)構(gòu)

體量相當(dāng)時應(yīng)按重點設(shè)防類設(shè)防。

4.3地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準

4.3.1城市軌道交通各抗震設(shè)防類別工程的抗震設(shè)防標(biāo)準，應(yīng)符合下列要求：

1特殊設(shè)防類（甲類）：應(yīng)按批準的地震安全性評價的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求確定

其地震作用。

2重點設(shè)防類（乙類）：應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。地基的抗震措施應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。

3標(biāo)準設(shè)防類（丙類）：應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。

4.3.2各抗震設(shè)防類別工程的抗震構(gòu)造措施應(yīng)符合本指南第9章的規(guī)定。

本指南第9章中明確給出了各抗震設(shè)防類別工程的抗震等級和相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，便于設(shè)計時直接應(yīng)用。

4.4地下結(jié)構(gòu)抗震性能要求

4.4.1根據(jù)本指南設(shè)計的軌道交通地下結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下抗震性能要求：

1性能要求Ⅰ：地震后不損壞或輕微損壞（含輕微滲漏水并且可快速修復(fù)），保持正常使用功能；

結(jié)構(gòu)處于線彈性工作階段；

2性能要求Ⅱ：地震后可能損壞，維修后能短期內(nèi)恢復(fù)正常使用功能；結(jié)構(gòu)整體可處于非線性彈

性工作階段；

3性能要求Ⅲ：地震后可能產(chǎn)生較大破壞，無局部或整體倒塌，搶修后可恢復(fù)使用；結(jié)構(gòu)處于彈

塑性工作階段。

4.4.2各類結(jié)構(gòu)在不同地震動水準下的抗震性能要求應(yīng)符合表4.4.2的規(guī)定：

表4.4.2城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)抗震性能要求

設(shè)防水準

抗震設(shè)防

分類常遇地震（E1）設(shè)計地震（E2）罕遇地震（E3）

甲類III

乙類IIII

丙類IIIIII

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部部令《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項論證技術(shù)要點（地下工程篇）》

（建質(zhì)[2011]13號）提出了明確的地下結(jié)構(gòu)設(shè)防要求：

（1）當(dāng)遭受低于本工程抗震設(shè)防烈度的多遇地震E1影響時，地下結(jié)構(gòu)不損壞，對周圍環(huán)境和軌道

交通運營無影響；

（2）當(dāng)遭受相當(dāng)于本工程抗震設(shè)防烈度的設(shè)計地震E2影響時，地下結(jié)構(gòu)不損壞或僅需對非重要結(jié)

16

構(gòu)部位進行一般修理，對周圍環(huán)境影響輕微，不影響正常運營；

（3）當(dāng)遭受高于本工程抗震設(shè)防烈度的罕遇地震E3（高于設(shè)防烈度1度）影響時，地下結(jié)構(gòu)主要

結(jié)構(gòu)體系不發(fā)生嚴重破壞且便于修復(fù)，無重大人員傷亡，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生嚴重影響，修復(fù)后可正常

運營。

本指南對軌道交通地下結(jié)構(gòu)的抗震性能要求與部令的設(shè)防目標(biāo)協(xié)調(diào)一致。

17

5地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法

5.1一般規(guī)定

5.1.1城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法選擇時，應(yīng)充分考慮地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點。

地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)不同于地面結(jié)構(gòu)，主要因為：

（1）地下結(jié)構(gòu)完全被土或巖石覆蓋；

（2）某些地下結(jié)構(gòu)的長度很大，比如隧道。

因此，地下結(jié)構(gòu)的抗震分析有些方面與地面結(jié)構(gòu)的抗震分析有很大區(qū)別。

地下結(jié)構(gòu)的抗震分析在幾個方面有其自身的特點：

（1）對于大多數(shù)地下結(jié)構(gòu)，相對于結(jié)構(gòu)的慣性，周圍土的慣性更大。地下結(jié)構(gòu)抗震分析的重點是

地層的自由場變形及其與結(jié)構(gòu)的相互作用，而地面結(jié)構(gòu)抗震分析關(guān)注的重點是結(jié)構(gòu)本身的慣性效應(yīng)。因

此，地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法都考慮了地層的地震變形。

（2）隧道結(jié)構(gòu)進行縱向抗震分析時，可近似為承受周圍土層變形的彈性地基梁。

在20世紀六七十年代以前，地下結(jié)構(gòu)的抗震分析基本沿用地面結(jié)構(gòu)的抗震分析方法。只是在70年

代后，地下結(jié)構(gòu)的抗震分析才逐步形成自身的體系。

目前，比較常用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要有慣性力法、反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法、整體反應(yīng)

位移法和時程分析法等。以上方法中，除時程分析法外，其它方法均為擬靜力法。

5.1.2進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，宜根據(jù)地質(zhì)條件和地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，選擇分析方法。對于甲類地下

結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇兩種以上的方法進行計算，對比分析計算結(jié)果。

5.1.3地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法的計算模型應(yīng)為連續(xù)介質(zhì)模型。

5.1.4土體和地下結(jié)構(gòu)的動力計算參數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗或可靠經(jīng)驗選取。如果有條件，土體的動剪切模量和

動彈性模量、泊松比應(yīng)通過試驗確定。

土層動剪切模量與其剪應(yīng)變相關(guān)。在E2和E3地震作用下，土層的剪應(yīng)變較大，致使土層的動剪切

模量大幅度減小。因此，在進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，應(yīng)對土體的動剪切模量進行折減，而不應(yīng)采用土

體的初始動剪切模量。

5.1.5在進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，應(yīng)選擇合適的地震動基準面。

在理想的情況下，此基準面應(yīng)選取基巖頂面。在實際應(yīng)用時，宜取在地下結(jié)構(gòu)以下剪切波速

vs≥500m/s的巖土層頂面，作為震動基準面。對覆蓋層厚度小于70m的場地，地震動基準面到結(jié)構(gòu)的

距離不宜小于結(jié)構(gòu)有效高度的2倍；對覆蓋層厚度大于70m的場地，宜取在場地覆蓋層70m深度的土

層位置。

5.1.6采用擬靜力法進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，一般可忽略由于地下結(jié)構(gòu)的存在而對自由場地地震動參

數(shù)的影響；本章所述的計算模型和計算荷載（作用）適用于地震工況，常載下的靜力計算模型和荷載應(yīng)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定。

5.2慣性力法

5.2.1在慣性力法中，假定地下結(jié)構(gòu)為剛體，地震時結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)一起運動，其間無相對位移。地下

結(jié)構(gòu)物每一部分都具有與圍巖介質(zhì)相同的加速度，取其最大值用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

慣性力法，也叫地震系數(shù)法，以日本學(xué)者大森房吉提出的靜力方法為基礎(chǔ)來計算地下結(jié)構(gòu)的地震

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力。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地下結(jié)構(gòu)及圍巖均受到慣性力的作用，這種由地震引起的慣性力為主進行抗震分析

的方法，稱為地震系數(shù)法。

5.2.2應(yīng)用慣性力法進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，一般可只計算水平地震力的作用。其地震力應(yīng)按如下要

求進行計算：上覆土柱的慣性力作用于土柱的質(zhì)心，簡化為作用于頂板的均布力，其值不超過土層與頂

板的摩擦力；地下結(jié)構(gòu)的慣性力，作用于結(jié)構(gòu)的質(zhì)心處；地震主動土壓力增量，作用于地下結(jié)構(gòu)一側(cè)，

另一側(cè)設(shè)置受壓彈簧模擬地層的約束作用。其計算簡圖見圖5.2.2所示。

市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)

圖5.2.2慣性力法計算簡圖

5.2.3應(yīng)用慣性力法進行地下結(jié)構(gòu)抗震分析時，地震主動土壓力增量宜根據(jù)庫倫土壓力公式計算。

慣性力法的地震荷載應(yīng)按如下要求進行計算：

（1）地震主動土壓力增量

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50111）、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003）和《鐵路工程設(shè)計

技術(shù)手冊—隧道》規(guī)定，地震主動土壓力增量可按下列公式計算：

（5.2.3-1）

（5.2.3-2）

規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委（5.2.3-3）

（5.2.3-4）

（5.2.3-5）

式中：

λ——靜力側(cè)壓力系數(shù)；

λ'——地震側(cè)壓力系數(shù)；

β——靜力下產(chǎn)生最大推力時土的破裂角（°）；

β'——地震下產(chǎn)生最大推力時土的破裂角（°）；

hi——地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)任一點至地面的距離（m）；

γ——土體的容重（kN/m3）；

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θ1——靜力下頂板土柱兩側(cè)的摩擦角（°）

θ1'——地震下頂板土柱兩側(cè)的摩擦角（°），θ1'=θ1—θ；

φg——靜力下土的內(nèi)摩擦角（°）；

φg'——地震下土的內(nèi)摩擦角（°），φg'=φg—θ；

θ——地震角（°），應(yīng)按表5.2.3取值。

表5.2.3地震角和水平地震系數(shù)

設(shè)計烈度/度789

水平地震系數(shù)Kh0.10.150.20.30.4

地震角/(°)1°30'3°4°30'6°

（2）上覆土柱的慣性力

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊—隧道》，上覆土柱慣性力可按下列公式計算：

'（5.2.3-6）

市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)（5.2.3-7）

式中：

P——上覆土柱的垂直土壓力（kN/m）；

F2——頂板上覆土的地震力（kN/m）；

η——水平地震作用修正系數(shù)，巖石地基取值0.20，非巖石地基取值0.25；

Kh——水平地震系數(shù)，按表5.2.3選取，Kh=Ag/g；其中Ag為水平地震動峰值加速度；

h——地下結(jié)構(gòu)頂部距地面的距離（m）；

B——地下結(jié)構(gòu)的寬度（m）。

（3）地下結(jié)構(gòu)的慣性力

FihE=ηAgmi（5.2.3-8）

式中：

FihE——計算質(zhì)點的水平地震力（kN）；

3

mi——計算構(gòu)件的質(zhì)量（10kg）。

5.2.4慣性力法宜適用于地下結(jié)構(gòu)剛度大、土體變形小，結(jié)構(gòu)慣性力起主要作用的情況。

慣性力法計算方便，原理簡單明了，易于應(yīng)用。在我國鐵路隧道抗震設(shè)計中，采用了該方法。該方

規(guī)劃自然資源委法適用于結(jié)構(gòu)剛度大、土體變形小，結(jié)構(gòu)慣性力起主要作用的情況。但是，在該方法中，地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委

慣性力采用庫倫土壓力公式計算，無法反映地震時地下結(jié)構(gòu)所受的真實的動土壓力；僅考慮了地震慣性

力，忽略了地震產(chǎn)生的地層變形和摩擦產(chǎn)生的作用力。因此，該方法計算出的地下結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力偏小。

所以，慣性力法一般適用于巖層中的淺埋區(qū)間隧道。

5.3反應(yīng)位移法

5.3.1反應(yīng)位移法假定地震時地下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點為其加速度、速度與位移等與周圍地層基本上保持同

步。反應(yīng)位移法分為橫向反應(yīng)位移法和縱向反應(yīng)位移法。

反應(yīng)位移法是由日本研究人員通過理論分析以及大量地震資料提出，其基本思想是將結(jié)構(gòu)四周的土

體用彈簧來替代，將結(jié)構(gòu)所在埋深處的自由場的相對變形以彈簧節(jié)點力的形式加到結(jié)構(gòu)上，然后再加上

慣性力、剪切力等，來進行地下結(jié)構(gòu)抗震計算。根據(jù)計算斷面的不同，反應(yīng)位移法可分為橫向反應(yīng)位移

法和縱向反應(yīng)位移法。

5.3.2橫向反應(yīng)位移法假定地下結(jié)構(gòu)橫截面方向在地震中承受周圍地層在不同深度產(chǎn)生的響應(yīng)位移差，

該位移差以強制位移形式施加在支撐于彈性地基的地下結(jié)構(gòu)上。

20

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5.3.3在橫向反應(yīng)位移法中，地震作用應(yīng)包括地震反應(yīng)位移，地下結(jié)構(gòu)與地層的動剪切力，地下結(jié)構(gòu)的

慣性力，如圖5.3.3所示。

市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)

圖5.3.3矩形隧道橫斷面計算模型圖

5.3.4在橫向反應(yīng)位移法中，可根據(jù)地勘報告或采用有限元法確定地基基床系數(shù)，然后代入下列公式計

算地層動彈簧系數(shù)：

kn=KnLd(5.3.4-1)

ks=KsLd(5.3.4-2)

式中：

kn——法向地層動彈簧系數(shù)（kN/m）；

ks——切向地層動彈簧系數(shù)（kN/m）；

3

Kn——法向基床系數(shù)（kN/m）；

3

Ks——切向基床系數(shù)（kN/m）；

L——垂直于結(jié)構(gòu)橫向的計算長度（m）；

d——土層沿隧道與地下車站縱向的計算長度（m）。

地勘報告中一般會給出地基的水平基床系數(shù)和豎向基床系數(shù)。因此，在非矩形斷面地下結(jié)構(gòu)中，需

要由水平基床系數(shù)和豎向基床系數(shù)計算出法向基床系數(shù)Kn和切向基床系數(shù)Ks：

22

Kn=Kvcosα+Khsinα（5.3.4-3）

1

規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委K—K市規(guī)劃自然資源委

s=3n（5.3.4-4）

式中：

3

Kh——水平基床系數(shù)（kN/m）；

3

Kv——豎向基床系數(shù)（kN/m）；

α——結(jié)構(gòu)節(jié)點處的切向與水平向的夾角（°）。

地基基床系數(shù)還可以采用靜力有限元法進行計算，其模型如圖5.3.4-1～2所示。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)為矩

形時，取一定寬度和深度的土層，建立有限元模型，除去地下結(jié)構(gòu)位置處網(wǎng)格，模型側(cè)面和底面邊界固

定，如圖5.3.4-1a）所示；對應(yīng)于不同地震動水平，土體的彈性系數(shù)應(yīng)通過一維土層反應(yīng)分析或試驗得

到。如圖5.3.4-1b）～d）所示，在孔洞處施加均布荷載q，分別計算各方向荷載作用下土體變形δ。

出于簡化考慮，假設(shè)結(jié)構(gòu)同一個面上的彈簧剛度一致。因此，在均布荷載q作用下，某一面的變形

δ應(yīng)為該面各節(jié)點變形的平均值。因此，該荷載作用下土層的基床系數(shù)為

K=qδ/(5.3.4-5)

其中，對于矩形結(jié)構(gòu)而言，頂?shù)装逦恢锰幓蚕禂?shù)不同，應(yīng)分別進行計算。采用靜力有限元法計算

地基基床系數(shù)時，也可以在計算模型圖5.3.4-1和5.3.4-2的結(jié)構(gòu)處施加單位強制位移δ，得到地基反力，

21

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代入公式5.3.4-4，求出基床系數(shù)。

最后，將求出的各方向的基床系數(shù)代入公式5.3.4-1和5.3.4-2，計算出地下結(jié)構(gòu)周圍土層的動彈簧

系數(shù)。

市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)

圖5.3.4-1矩形斷面地下結(jié)構(gòu)的地基基床系數(shù)計算模型

規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委市規(guī)劃自然資源委

圖5.3.4-2圓形斷面地下結(jié)構(gòu)的地基基床系數(shù)計算模型

22

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5.3.5在橫向反應(yīng)位移法中，計算地層反應(yīng)位移可根據(jù)地震安全性評價報告數(shù)據(jù)、一維地層地震反應(yīng)分

析法或規(guī)范法等計算。

計算地層反應(yīng)位移的方法主要有：

（1）已進行地震安全性評價的工程場地，可采用安評報告中提供的地層位移隨埋深的變化關(guān)系。

（2）采用一維地層地震反應(yīng)分析法計算，如軟件EERA、SHAKE91等，也可以用有限元、有限差分

等方法進行計算。由于考慮了地層的剛度差異，計算結(jié)果較為可靠。在使用該方法計算位移時，不必對

地層均一化處理。

使用EERA計算時，應(yīng)確定基巖面位置、基巖處輸入的地震波、地層剪切模量比和阻尼比與應(yīng)變的

關(guān)系曲線。進行計算后，可得到土體動剪切模量、剪切力、位移、加速度隨埋深的變化曲線，以及不同

埋深處土體的加速度時程曲線。

（3）根據(jù)本指南6.3節(jié)，確定地表峰值位移，代入下式計算某一深度處的地層反應(yīng)位移：

1πz

u(z)=—ucos—(5.3.5)

2max