陳思敏

陜西地建土地綜合開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710075

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的日益膨脹，地上結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足人類(lèi)的日常需求，所以地下結(jié)構(gòu)在全球范圍內(nèi)如火如荼的發(fā)展[1]。近年來(lái)，各地開(kāi)始制定地方的地下結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)，如上海的《地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2064-2009）[2]彌補(bǔ)了地鐵抗震規(guī)范的空缺，鑒于對(duì)地下結(jié)構(gòu)的研究存在著不少亟待解決的問(wèn)題，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的現(xiàn)象、研究方法、抗震減震措施以及震后的修復(fù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和總結(jié)，以便更加清晰的了解地下結(jié)構(gòu)抗震的現(xiàn)狀和不足。

1 地下結(jié)構(gòu)的震害

目前有記錄中破壞最為嚴(yán)重和最具代表性的是遭受1995年日本阪神里氏7.3級(jí)地震的神戶市的大開(kāi)站和長(zhǎng)田站。大開(kāi)站雖然沒(méi)有考慮地震因素，但設(shè)計(jì)時(shí)非常保守，中柱安全系數(shù)達(dá)到了3。然而震后35根鋼筋混凝土中柱超過(guò)一半完全破壞，其中柱子的破壞形式主要在上下端或兩側(cè)，形狀像被壓碎的燈籠，軸向鋼筋壓曲；側(cè)壁內(nèi)側(cè)的受力鋼筋彎曲；路面產(chǎn)生沉降最大達(dá)到2.5m[3]。

在2008年的“5·12”汶川大地震中，成都市的地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)有4個(gè)車(chē)站發(fā)生了局部破壞。破壞的形式主要為施工縫和變形縫的破壞，同時(shí)止水帶隨變形縫一并破壞；梁、板、柱、墻均出現(xiàn)斜裂縫[4]。對(duì)于地鐵區(qū)間隧道和公路隧道，最明顯的破壞形式就是襯砌的錯(cuò)位和徑向、環(huán)向的裂縫及仰拱的破壞，在裂縫處均有滲水現(xiàn)象，洞口處尤為明顯。同時(shí)還伴隨工程底板的開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)及隆起和設(shè)備的脫落[5]。

2 研究方法

目前，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的地震研究方法[6]大概分為三種：地震觀測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析。

2.1 地震觀測(cè)

地震觀測(cè)是通過(guò)原位觀測(cè)震前、震中和震后地下結(jié)構(gòu)的位移、變形及內(nèi)力，來(lái)了解地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。日本作為一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，在全國(guó)范圍內(nèi)設(shè)置了各類(lèi)型傳感器用來(lái)對(duì)全國(guó)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入日本氣象廳（JMA）總部[7]。尤其在2011年?yáng)|日本大地震中，對(duì)震前、本震、余震、和誘發(fā)地震進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)測(cè)，得到了不同區(qū)域的震級(jí)、震源深度和最大加速度等一系列與地震相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制了加速度反應(yīng)譜[8]。

2.2 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)的方法主要為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[9]，目前國(guó)內(nèi)普通振動(dòng)臺(tái)的數(shù)量較多且可以對(duì)土進(jìn)行多向激震，同時(shí)對(duì)于本構(gòu)關(guān)系不與圍壓相關(guān)的土具有很好的模擬效果；土工離心振動(dòng)臺(tái)可以較好地模擬反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法以及土體的破壞機(jī)理[10]，故在試驗(yàn)中逐漸得到廣泛應(yīng)用。

鄭少河等[11]對(duì)日本地震大開(kāi)站進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了與陳國(guó)興類(lèi)似的的結(jié)論：①結(jié)構(gòu)所受的彎矩同樣是中柱最大，幾乎是結(jié)構(gòu)側(cè)壁的5～7倍，同樣失穩(wěn)破壞是由結(jié)構(gòu)的中柱破壞開(kāi)始。②水平地震力時(shí)，結(jié)構(gòu)主要承受剪切變形；但在上下地震時(shí)，地基與結(jié)構(gòu)一體不呈現(xiàn)剪切變形。

蔣樹(shù)屏等[12]在對(duì)西藏嘎隆拉隧道進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，首次提出了施加邊界條件的方法。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞淖笥疫吔缃唤缑尜N上光滑的聚氯乙烯泡沫，以減小邊界與模型巖土接觸面上的摩擦力；下邊界黏結(jié)一層碎石以防止巖土與箱體底部鋼板發(fā)生相對(duì)滑移。得出了如下結(jié)論：①峰值加速度沿邊坡坡腳至坡頂增大，加速度放大系數(shù)為3左右。②隨著加載次數(shù)的增加，土體的波阻抗不斷減小，主要由于土的剪切剛度不斷減小。

史曉軍等[13]通過(guò)非一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)進(jìn)行研究即數(shù)值模擬，得出了非一致地震激勵(lì)是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力響應(yīng)的根本原因。然而受于技術(shù)的限制，非一致地震激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)還暫未得到廣泛的應(yīng)用。

就目前開(kāi)展的模型試驗(yàn)仍然存在著以下不足：①如何選擇模型材料才能使更好地模擬土的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系和不良地質(zhì)條件，即兩種材料一致性的考慮。②需要考慮人工邊界條件，以便模擬現(xiàn)場(chǎng)受力情況。不過(guò)目前對(duì)于人工邊界的考慮也較少用于振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)中，對(duì)地下結(jié)構(gòu)受力和變形的精確性造成一定的影響。③對(duì)于地鐵車(chē)站來(lái)說(shuō)，目前的試驗(yàn)僅僅局限于對(duì)車(chē)站或隧道的單個(gè)研究，并沒(méi)有考慮兩個(gè)結(jié)構(gòu)共同的作用效應(yīng)。④由于振動(dòng)臺(tái)尺寸和承載力的受限，以及結(jié)構(gòu)制作的困難，無(wú)法對(duì)大型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行大尺寸試驗(yàn)。

2.3 理論分析

地震系數(shù)法[14]最早由日本大森房教授提出，該方法簡(jiǎn)單方便，且經(jīng)受過(guò)一般地震的考驗(yàn)，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間作為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)[15]。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃法，以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，求出了連續(xù)均勻介質(zhì)中的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，得出了地下結(jié)構(gòu)地震的精確解和近似解。由于計(jì)算的復(fù)雜性和參數(shù)選取的困難性，上文中的部分解析法已經(jīng)慢慢地轉(zhuǎn)化為為數(shù)值模擬提供計(jì)算依據(jù)和參數(shù)，將計(jì)算過(guò)程留給一些有限元分析軟件，即數(shù)值模擬法。

數(shù)值模擬作為一種較為簡(jiǎn)單，快捷的方法，已經(jīng)廣泛的用在了研究過(guò)程中。同樣對(duì)于數(shù)值模擬，仍需要采取人工邊界來(lái)模擬無(wú)限邊界。目前，主要使用的兩種人工邊界大概為黏性人工邊界和黏彈性人工邊界。

在前人的大量數(shù)值模擬中，可以得到如下結(jié)論：①地下結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下與地上結(jié)構(gòu)有著明顯的不同，內(nèi)力比地上結(jié)構(gòu)分布更加均勻。②地震波入射角度不同，隧道也會(huì)產(chǎn)生不同的動(dòng)力響應(yīng)，橫向入射地震波比縱向入射時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞更大，當(dāng)?shù)卣鸩ㄐ比肷鋾r(shí)，地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)與水平和垂直時(shí)差異較大，且大于地震波垂直入射的情況。③地震較小時(shí)（地震動(dòng)峰值加速度為0.05g），解析法中的擬靜力法如反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法與非線性時(shí)程法相差較小，大約為6%；對(duì)于中震（地震動(dòng)峰值加速度為0.1g）和大震（地震動(dòng)峰值加速度為0.2g）兩方法的結(jié)果相差分別為20%和50%，且都是擬靜力法的計(jì)算結(jié)果較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟(jì)的。

同時(shí)數(shù)值模擬中仍有許多不足之處需要解決：①和模型試驗(yàn)一樣，地鐵車(chē)站與區(qū)間隧道交界處的地震響應(yīng)仍值得我們?nèi)パ芯?。②由于斜入射與垂直、水平入射對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不同，故需要找到一個(gè)最不利角度，在該角度下，地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞最大，而設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)按該角度產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。③P波和SV波在在入射以后會(huì)在自由面上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換，P波入射以后，既有P波又有SV波，同樣SV波也是如此。故在數(shù)值模擬中，對(duì)自由面的設(shè)置也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。④地下結(jié)構(gòu)受不同施工工藝的影響或結(jié)構(gòu)在斷層發(fā)育、巖體破碎、料場(chǎng)地質(zhì)發(fā)生異變等區(qū)域，結(jié)構(gòu)的抗震性能會(huì)有很明顯的差異，同時(shí)對(duì)于土的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，故在模擬過(guò)程中很難與實(shí)際情況完全相同，故選擇材料參數(shù)時(shí)需要考慮怎樣才能使誤差達(dá)到最小。

3 抗震、減震措施

引起地下結(jié)構(gòu)破壞的主要是地基的變形或地基與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移。所以抗震、減震的措施都是用來(lái)減少地震下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?？拐穑吹挚沟卣鸬哪芰?，在地震來(lái)臨時(shí)可以通過(guò)自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)減小結(jié)構(gòu)的變形能力；減震，即通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，當(dāng)?shù)卣饋?lái)時(shí)使結(jié)構(gòu)與圍巖或土體一起變形，減小地震產(chǎn)生的相對(duì)位移，或通過(guò)隔震系統(tǒng)減小結(jié)構(gòu)的位移。

3.1 抗震措施

3.1.1 增加結(jié)構(gòu)的剛度。假設(shè)k1為圍巖剛度，k2為結(jié)構(gòu)剛度，當(dāng)k2>k1時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度大于圍巖或土體剛度，來(lái)阻止結(jié)構(gòu)的變形，起到了抗震的作用，通常稱(chēng)為抗震層。在1992年，徐文煥首次通過(guò)解析法提出了在洞室周邊通過(guò)增加剛性材料以減少結(jié)構(gòu)的變形，在近些年來(lái)的發(fā)展中，提出了在地鐵車(chē)站中使用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)增加結(jié)構(gòu)的剛度和完整性，或使用鋼纖維混凝土來(lái)提高結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度。

3.1.2 加固圍巖。當(dāng)圍巖的強(qiáng)度有所提高時(shí)，地震時(shí)圍巖的變形減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形也減小。加固圍巖的措施有：注漿加固、錨桿（錨索）、鋼筋網(wǎng)加固、噴射混凝土。注漿即通過(guò)混凝土或一些化學(xué)漿液使結(jié)構(gòu)或圍巖組成一個(gè)整體，提高了整體的剛度，也具有了較大的抵抗作用。在文獻(xiàn)中，分別對(duì)錨桿設(shè)置的間距進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得出了錨桿間距對(duì)隧道應(yīng)力、應(yīng)變、位移和加速度的影響。即錨桿的設(shè)置也并非越密越好，錨桿過(guò)密，會(huì)使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，對(duì)抗震反而產(chǎn)生不利影響。對(duì)于硬質(zhì)圍巖，錨桿的抗震作用遠(yuǎn)不如在軟弱圍巖，也間接地證明了錨桿的作用是提高了結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。

3.1.3 抗震縫的設(shè)置。將結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)建筑物，可以降低抗震設(shè)計(jì)的難度以及提高抗震設(shè)計(jì)的可靠度，使各個(gè)部分的變形減小對(duì)其他部分的影響?？拐鹂p的設(shè)置，對(duì)于結(jié)構(gòu)有明顯的減震效果。并且隨著兩條抗震縫間距的減小，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移均減小，但過(guò)小的間距也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部增大效應(yīng)。然而，抗震縫的設(shè)置對(duì)水平位移的峰值并沒(méi)有太大的削弱作用，僅僅可以阻斷水平位移的傳播，減小了結(jié)構(gòu)水平位移的傳遞范圍。

3.2 減震措施

3.2.1 通過(guò)減小結(jié)構(gòu)的剛度，增加結(jié)構(gòu)的柔性，來(lái)達(dá)到與圍巖或土體共同變形的效果。假設(shè)k1為圍巖剛度，k2為結(jié)構(gòu)剛度，當(dāng)k2

3.2.2 增加隔震系統(tǒng)。其中隔震器有：疊層橡膠支座、摩擦滑移支座。常用的阻尼器有：彈塑性阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼器、摩擦阻尼器。其中將隔震器與阻尼器適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，就組成了隔震系統(tǒng)。

3.2.3 鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延性，地震來(lái)臨時(shí)可以隨著圍巖或土體共同變形。然而目前的地下結(jié)構(gòu)較多的仍是混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等在地下工程的運(yùn)用可以作為今后的研究方向。

在目前的研究過(guò)程中，仍存在一些問(wèn)題有待解決：①減震層組合作用下，是否會(huì)比單個(gè)作用效果更好，還是多種方法之間存在削弱作用，以及抗、減震層與結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，都是需要我們進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。②在不考慮材料阻尼時(shí)，設(shè)置抗震、減震層對(duì)地震波的高頻部分沒(méi)有明顯的效果，對(duì)于高頻部分的抗震方法仍需要研究。③隧道的破壞最初是由仰拱的破壞開(kāi)始，而隧道失穩(wěn)絕大部分因素也是來(lái)自于仰拱的破壞。仰拱作為隧道的受力結(jié)構(gòu)，在地震中的峰值應(yīng)力得不到減弱，是急需解決的問(wèn)題。

4 震后的修復(fù)

4.1 地下結(jié)構(gòu)震后修復(fù)

由于國(guó)內(nèi)對(duì)震后加固的研究較少，故對(duì)日本阪神地震后，神戶市對(duì)車(chē)站的加固方法進(jìn)行研究。由于地震對(duì)混凝土中柱的破壞較為嚴(yán)重，故當(dāng)時(shí)采取的指導(dǎo)思想為：移去上部覆土，拆除頂板、中柱、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)未受損的結(jié)構(gòu)加固，已受損的結(jié)構(gòu)重建。根據(jù)中柱的破壞程度不同，采取了不同的修復(fù)方式：

4.1.1 對(duì)于輕微的破壞，注入環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行加固。

4.1.2 對(duì)于核心混凝土完好，外部保護(hù)層破壞的混凝土中柱，由于其縱筋、箍筋等強(qiáng)度并未喪失，所以先除去破壞的混凝土保護(hù)層，用鋼板圍護(hù)，在鋼板與混凝土之間留有12.5～25mm厚的空隙，向內(nèi)填充無(wú)收縮的水泥砂漿。

4.1.3 對(duì)于已經(jīng)完全失穩(wěn)的混凝土中柱，采用 H型鋼替換失穩(wěn)的鋼筋，同時(shí)將原先的鋼筋混凝土柱改為鋼管混凝土柱。

不過(guò)由于當(dāng)時(shí)震后加固工期較緊，故并沒(méi)有對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的地震相應(yīng)分析，只能通過(guò)增大安全系數(shù)的方法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

4.2 隧道震后修復(fù)

隧道的破壞主要是襯砌的脫落、開(kāi)裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，承載力不足。襯砌作為隧道的主要承重結(jié)構(gòu)，故在震后的加固中也是重點(diǎn)考慮的。同樣對(duì)于隧道不同的破壞程度，也有不同的加固方法。

4.2.1 對(duì)于施工縫開(kāi)裂或二次襯砌有少量離散裂縫，可以使用水泥漿嵌補(bǔ)、注人環(huán)氧樹(shù)脂或注化學(xué)藥劑進(jìn)行加固。

4.2.2 二次襯砌裂縫較多，甚至為貫通裂縫時(shí)，可以用素噴或網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行加固。

4.2.3 當(dāng)襯砌脫落較為嚴(yán)重，同時(shí)鋼筋外露的情況時(shí)，原則上需要拆除重建。對(duì)于震后的車(chē)站與隧道，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)太多的研究，較多參考日本阪神地震后的修復(fù)措施，同時(shí)規(guī)范也沒(méi)有一個(gè)明確的參考依據(jù)。所以震后的修復(fù)措施也可以作為今后研究的主要方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

地下結(jié)構(gòu)作為目前的發(fā)展方向，是城市規(guī)劃的重要內(nèi)容。同時(shí)地鐵等地下結(jié)構(gòu)建造周期長(zhǎng)，造價(jià)高，一旦發(fā)生破壞，修復(fù)困難。然而我們目前對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，故在對(duì)設(shè)計(jì)、施工階段還缺少一個(gè)共識(shí)。在今后的發(fā)展中，急需完善地鐵的抗震規(guī)范和構(gòu)造措施，建立一個(gè)良好的地下結(jié)構(gòu)抗震體系，對(duì)今后的發(fā)展也有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。