楊林德

(同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

很長時間以來，同地面建(構)筑物相比，地下空間結構的震害并未引起人們足夠的重視。究其原因，一方面是地下空間結構振動幅度相對較小，同時，受到周圍地層的約束，較難發(fā)生地震破壞;另一方面是地下結構工程的大規(guī)模建設歷史尚淺，且多建于大中型城市，而這期間在大都市沒有發(fā)生大的地震。因此，大多數地下結構并未受到強震的考驗，也常使人誤以為地下空間結構的抗震能力都很好。

這一觀念在1995年的阪神地震之后發(fā)生了改變。在阪神地震中，除了地下管道外，地下鐵道、地下停車場、地下商業(yè)街等大量地下結構也發(fā)生了破壞，有的甚至是嚴重破壞。在2008年汶川地震中，四川災區(qū)有多座公路隧道和地鐵隧道出現了不同程度的破損，進一步使人們認識到，地震對隧道與地下空間結構造成損害是客觀存在的，潛在地震災害對地下結構的安全使用有可能構成嚴重威脅。近年來，全球各地強震頻發(fā)，在這一背景下，地下結構的抗震研究工作也就顯得日益重要。

1 地下空間結構的震害形式

1.1 阪神地震前的震害形式

在阪神地震之前的歷次地震中，地下鐵道等建筑物的嚴重震害記錄較少，地下構筑物的嚴重震害多見于地下管道。例如，1906年美國舊金山地震、1923年日本關東地震和1933年長灘地震均曾有輸水管、煤氣管或煤氣裝置破壞的記錄［1］;1975年海城地震中，營口市(8度區(qū))150多km管道破壞372處，配水管網大量漏水［2］;1976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［3］;1985年墨西哥城地震導致不同材質的各種管道均發(fā)生破壞，其中煤氣干管斷裂導致了煤氣爆炸、火災等次生災害，加重了生命財產損失［4］。從管道系統(tǒng)的破壞情況來看，接頭部位是遭受地震影響的薄弱環(huán)節(jié)。

同管道系統(tǒng)相比，其他類型地下結構的震害程度則明顯輕微得多。同樣是在唐山地震中，剛建成的天津地鐵(地震烈度7～8度)并未出現明顯損壞，僅沉降縫部位施工面層局部出現脫落或裂縫［5］?？傞L17.7萬m的開灤煤礦井巷工程主體結構震害輕微，其中，斷面形狀尺寸或坡度發(fā)生變化部位、不同支護材料交界處、地質條件復雜段和采空區(qū)附近震害相對較重［6－7］。天津市部分人防工程位于8度或9度區(qū)的濱海相沉積層中，除表層土強度稍大外，均為淤泥質土或粉土，地震中人防地道出現環(huán)向裂縫，局部出現縱向裂縫，接頭轉角處發(fā)生了多處斷裂和錯動并導致漏水，個別未覆土的人防通道出現局部坍塌［8］。

1.2 阪神地震震害形式

1995年阪神地震中，除地下管道外，神戶市內采用明挖法建造、上覆土層較淺的地下鐵道、地下停車場和地下商業(yè)街等大量地下結構受到了不同程度的影響。其中，神戶高速鐵道的大開站破壞情況極為典型，受災程度也最為嚴重。除地鐵車站外，部分地下商業(yè)街出現水暖電系統(tǒng)的破壞和裝飾面層脫落破損(如神戶市內三宮地下街等)，部分地下停車場出現裂紋、斷裂、裝配件變形、混凝土剝落等問題(如三宮第2地下停車場)，部分公路、鐵路隧道出現裂紋和混凝土剝落等程度較輕的破壞現象(如鐵路山陽新干線六甲隧道、神戶電鐵東山隧道和北神特快隧道等)［9］。

以下敘述地鐵車站的典型震害。

1.2.1 大開車站

大開車站采用明挖法修建，長120 m，側式站臺。有2種斷面類型:標準段斷面和中央大廳段斷面。標準段斷面多為站臺部分，是1層2跨結構;中央大廳段斷面為2層4跨結構，地下一層是檢票大廳，地下2層為站臺。底板、側墻和中柱均為現澆鋼筋混凝土結構，中柱間距為3.5 m。覆土厚度標準段為4～5 m，中央大廳段為2 m。地震中站臺部分標準段斷面23根中柱幾乎完全倒塌，導致頂板坍塌和上覆土層大量沉降，最大沉降量約2.5 m。大開車站站臺部分斷面變形見圖1，震害情況見圖2。地下2層的6根中柱中，兩側3根中柱損壞，剩下3根輕微損壞。

除大開車站，另有部分地鐵車站的混凝土中柱損壞嚴重，典型的破壞形式為剪切破壞和斜向龜裂。

1.2.2 上澤站

市營地鐵上澤站全長400 m，月臺長125 m。橫截面在線路方向上分3層2跨和2層2跨2種形式。下層柱采用鋼構柱者未遭破壞，其他混凝土中柱均損壞嚴重，出現了典型的剪切破壞和斜向龜裂。

上澤車站C斷面破壞情況(西側面)見圖3，G2斷面破壞情況(西側面)見圖4，中柱毀壞情況見圖5。

圖1 大開車站斷面變形示意圖Fig.1 Cross-section deformation of Daikai Metro station

圖2 大開車站震害實景圖Fig.2 Seismic damage of Daikai Metro station

圖3 上澤車站C斷面破壞情況圖Fig.3 Damage of C cross-section of Kamisuwa station

圖4 上澤車站G2斷面破壞情況圖Fig.4 Damage of G2 cross-section of Kamisuwa station

圖5 上澤車站中柱毀壞情況Fig.5 Damage of intermediate column of Kamisuwa station

1.2.3 三宮車站

在市營地鐵三宮車站地震災害中，采用鋼構柱的結構中柱未遭破壞，而其他混凝土中柱損壞嚴重，其破壞情況見圖6。

1.3 汶川地震震害形式

2008年汶川地震造成了震區(qū)多座公路、鐵路隧道和地鐵隧道破損。其中僅四川災區(qū)就有56座公路隧道出現了不同程度的損壞，震害主要形式包括洞口滑坡、洞門端墻和翼墻開裂、初期支護變形、二次襯砌開裂、洞周圍巖坍塌、冒頂掉塊、涌水、底鼓或鋪砌開裂、隆起等［10－11］。典型破壞情況見圖7—9。其中洞門端墻和翼墻開裂多因構件間未采用鋼筋連接，初期支護變形、襯砌開裂、洞周圍巖坍塌等多由未對周圍松散地層進行有效加固引起，發(fā)生底鼓或鋪砌開裂、隆起等震害主要是未根據抗震設防要求并參照工程地質條件在底部設置仰拱。

圖6 市營地鐵三宮車站破壞情況圖Fig.6 Damage of intermediate column of Sannomiya station

圖7 洞門端墻開裂Fig.7 Cracking between lining and head wall

圖8 洞內坍塌Fig.8 Surrounding rock collapse

成都地鐵1號線在建盾構區(qū)間隧道在地震中出現了管片錯臺、個別接縫裂損等。管片錯臺情況見圖10。

圖9 襯砌開裂Fig.9 Multiple transverse cracking

圖10 管片錯臺Fig.10 Staggered joint displacement

2 地下綜合體及其抗震能力

進入21世紀后，地下空間作為不可再生的有限資源，其開發(fā)利用開始強調整體規(guī)劃，以提高利用率。地下空間的建設規(guī)模越來越大，結構型式也越來越豐富，其中，結合地鐵車站進行周邊地下空間的綜合開發(fā)已成為地下軌道交通發(fā)展的新趨勢。這種模式的投資風險較小，綜合效益高，可以有效地改善城市交通環(huán)境，對結構物的整體規(guī)劃布置也較有利。但按照這一模式進行建設，為了滿足交通要求，勢必要在車站結構的一側甚至兩側邊墻進行開孔，從而削弱車站結構側向抗震構件的抗震能力。同時，車站整體結構型式不規(guī)則，地震作用的傳遞體系比較復雜，也為這類結構的抗震設計工作增加了難度。

為了研究地下空間綜合開發(fā)形成的連體結構的抗震性能及其影響因素，以上海地鐵江灣體育中心站的原設計方案為基礎，借助對結構作局部調整以形成計算方案，通過計算結果的對比，分析側墻開孔率、沉降縫、結構型式、交界面構件剛度等因素對地下綜合體抗震性能的影響。車站結構設計方案見圖11。

2.1 計算方案

計算方案的形成原則為:以剖面1－1～剖面3－3為基礎形成計算方案，包括對剖面1－1的地鐵車站結構的側墻設置3種不同的開孔面積，對開發(fā)區(qū)釆用對稱結構或增加挖深至與車站底部齊平，及分析不設沉降縫及增大與中柱相連的地連墻厚度的影響等。

圖11 車站原設計方案Fig.11 Design of a Metro station

計算方案有12種:

1)方案1。按原設計1－1剖面的結構形式進行計算。即車站與開發(fā)部位連接處的側墻在縱向每4跨保留1跨側墻，3跨開孔。

2)方案2。將1－1剖面的車站與開發(fā)部位連接處的側墻結構，改為在縱向每4跨保留2跨側墻，2跨開孔后進行計算。

3)方案3。將1－1剖面的車站與開發(fā)部位連接處的側墻結構，改為在縱向每4跨保留3跨側墻，1跨開孔后進行計算。

4)方案4。將1－1剖面的車站與開發(fā)部位連接處的側墻結構，改為不開孔后進行計算。

5)方案5。按原設計2－2剖面的結構形式進行計算，連接處側墻結構的特點為在縱向每3跨保留1跨側墻，2跨開孔。

6)方案6。對3－3剖面按原設計結構形式進行計算，開孔形式為在縱向每3跨保留1跨側墻，2跨開孔。

7)方案7。對原設計1－1剖面的結構形式，按在地鐵車站與開發(fā)部位連接處不設沉降縫進行計算。

8)方案8。去除方案1中的開發(fā)部位，只保留對稱的車站結構，并按側墻無開孔進行計算。

9)方案9。將方案八中的地鐵車站，變成在車站兩側上部對稱開發(fā)的結構進行計算，側墻不開孔。

10)方案10。將方案九中的開發(fā)部位變成地下兩層后進行計算，底層邊墻、底板、立柱的尺寸及材料均與上層相同。

11)方案11。將方案1中的開發(fā)部位變?yōu)榈叵聝蓪舆M行計算，底層邊墻、底板、立柱的尺寸及材料均與上層相同。

12)方案12。將方案1中開發(fā)部位與車站間的地連墻厚度改為120 cm后進行計算，其余結構均與方案1相同。

在上述計算方案中，方案1，5，6用于評價原設計方案的抗震性能;方案1—4用于分析側墻開孔的影響;方案7用于研究不設沉降縫對原設計方案抗震性能的影響;方案8—11用于研究地鐵車站及開發(fā)部位的結構形式對其抗震性能的影響;方案12用于研究交界面構件剛度對結構抗震性能的影響。

2.2 計算結果分析

采用土層－結構時程分析法對上述12種計算方案分別進行了計算。地震動輸入按DG/T J08－2064—2009《地下鐵道建筑結構抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，采用未來50年超越概率為10%時，上海地區(qū)地表以下70 m深度處的人工水平地震加速度時程;結構尺寸及建筑材料特性參數按原設計方案確定或參照選用;土層材料的靜動力特性參數根據地質鉆孔資料按上述規(guī)范取值。

根據計算結果，針對地下連體結構的抗震性能與設計，可以得出如下結論:

1)應適當控制側墻開孔面積。本工程側墻開孔面積小于其總面積的50%時，地震作用下的結構內力響應與未開孔相比沒有出現明顯增加。因此，可將50%作為側墻開孔率的初步控制指標，當側墻開孔率超過50%，應對結構作抗震補強處理。

2)側墻開孔方式宜規(guī)則均勻。應采用等間距開孔的方式，如每隔1跨開1孔。

3)宜加強交界面構件的剛度。加強開發(fā)區(qū)與地鐵車站結構的交界面構件的剛度，如采取增厚隔墻或地下連續(xù)墻、增大立柱剛度或加固相鄰地基等措施，對于提高連體結構的抗震性能都具有積極意義，尤其是開孔面積較大時，可首先考慮采取這些措施。

4)交界面鄰側宜設置誘導縫或沉降縫。這一措施可大大改善結構抗震性能，但設縫容易發(fā)生滲漏水等問題;因此，應對抗震性能和功能要求作綜合考慮，進行專題研究。

5)體型簡單的結構抗震性能強。結構布置應力求簡單、規(guī)則、對稱、平順，并具有良好的整體性，結構形狀和構造不宜沿建筑縱向經常變化。

3 地下結構抗震設計的計算方法

20世紀五六十年代以后，隨著地下建筑建設的增多，地下結構的抗震設計開始進入人們的視野。起初對地震影響的考慮處于較為初級的階段，主要思路可分為2種:一種是從安全性角度進行考慮，即在設計中增大安全系數;另一種是借鑒采用地面結構的抗震計算方法，即等效側力法［13］。

隨著相關技術的進一步發(fā)展，一些新概念和更加符合地下結構動力響應實際的設計計算理論及方法被提了出來，部分方法已得到模型試驗的驗證。下面介紹幾種設計中常用的計算方法，其中土層－結構時程分析法對平面應變和空間結構的分析都適用，其余均為多適用于平面應變問題的簡化算法。

3.1 等效側力法

等效側力法又稱慣性力法、擬靜力法，其計算原理是將地下結構的地震反應簡化成作用在節(jié)點上的等效水平地震慣性力的作用效應，從而采用結構力學方法計算結構的動內力［14］。同地面結構不同的是，地下結構的抗震計算還需要考慮周圍地層的等效動土壓力。上海市DG/T J08－2064—2009《地下鐵道建筑結構抗震設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)推薦的軟土地鐵車站結構等效側力法的計算簡圖見圖12。

圖12 雙層三跨軟土地鐵車站結構等效側力法計算簡圖Fig.12 Calculation diagram of two-storey three-span Metro station by equivalent pseudo-static method

3.2 等效水平地震加速度法

等效水平地震加速度法的計算原理是采用靜力計算模型，將地下結構的地震反應簡化為沿垂直向線性分布的等效水平地震加速度的作用效應，從而將地下結構的動力響應計算轉化成靜力問題［15］?！兑?guī)范》推薦的雙層三跨軟土地鐵車站結構等效水平地震加速度分布見圖13。

圖13 雙層三跨軟土地鐵車站結構等效水平地震加速度分布圖Fig.13 Acceleration distribution of two-storey three-span Metro station calculated by equivalent horizontal earthquake acceleration method

3.3 反應位移法

反應位移法認為地震中地下結構跟隨周圍地層一起運動，當地層中地下結構存在的范圍內不同位置處產生相對位移時，地下結構會隨之產生變形，變形達到一定程度時即會造成地下結構物破壞。因此，地層中結構物的相對位移可用于體現主要的地震效應。根據這一原理，反應位移法首先計算出周圍地層的位移，然后將土層動力反應位移的最大值作為強制位移施加于結構上，并按靜力原理計算內力［12，16］。其中，土層動力反應位移最大值可通過輸入地震波的動力有限元法來計算確定。反應位移法等效荷載見圖14。

圖14 反應位移法等效荷載Fig.14 Equivalent load of displacement response method

3.4 土層－結構時程分析法

土層－結構時程分析法的原理是將結構和周圍地層視為共同受力的整體，通過直接輸入地震加速度記錄，分別計算結構物和巖土體在各時刻的位移、速度、加速度、應變和內力，進而驗算場地穩(wěn)定性及進行結構截面設計［12，17］。其計算結果通常是建立等效側力法、等效水平地震加速度法和反應位移法等近似計算方法的基礎［14，18］。從振動臺試驗的檢驗結果看，本方法能夠合理地模擬地下建筑結構的實際地震響應，但巖土材料的動力特性宜通過試驗測定。

4 地下結構抗震設防目標

地下空間通常是不可再生的資源，損壞后一般需要原地修復，技術難度和成本高，耗費工期較長，在設計時，應結合工程使用性能要求，充分考慮潛在地震災害影響，并制定合理的抗震設防目標，避免或減輕地震對重要地下建筑造成的破壞。

按照傳統(tǒng)的抗震設計理念，很多設計師認為地下結構的抗震設防要求應比地面結構低，因為根據GB 50011—2001《建筑抗震設計規(guī)范》，附建式大樓地下室的抗震設防目標低于相應的地面建筑。然而地下建筑種類較多，有的服務于人流、車流，有的服務于物資儲藏，有的用于其他目的，使用功能和重要性均有很大差異，對抗震安全性的要求不應相同，故對各類地下結構的抗震設防也應有不同的要求。這一點在現行GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》總則1.0.1條中已有體現。隨著城市建設的快速發(fā)展，單體地下建筑的規(guī)模日益增大，類型增多，有必要在工程設計中對其抗震設防目標逐一進行研究。

在各類地下結構中，對城市地鐵工程應提出較高的抗震設防要求。這是因為地鐵工程在維持城市正常運轉中的地位十分重要，而此類工程的局部嚴重破壞會導致整體系統(tǒng)運行中斷或失效，同時，持續(xù)滲水將導致結構承載力降低和設備受損，在地下水位較高的區(qū)域地鐵隧道不宜帶縫工作，且原地修復成本高、工期長、對城市居民日常生活影響大?；谝陨峡紤]，上海市《規(guī)范》規(guī)定:當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，主體結構不受損壞或不需進行修理可繼續(xù)使用;當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震影響時，結構的損壞經一般性修理仍可繼續(xù)使用。參照地面結構抗震設防“三個水準標準”的表述方法，可將之歸納為“中震不壞，大震可修”，比一般地面結構的抗震設防要求提高了一擋級，體現了地下建筑應根據其重要性確定抗震設防目標的理念?，F階段各行業(yè)正在陸續(xù)制訂各類地下建筑的抗震規(guī)范，這一理念很有必要得到充分體現，尤其是各類交通運輸隧道。

5 地下結構的抗震構造措施

在提高地下建筑結構抗震能力的措施中，加強抗震構造的作用往往大于抗震計算。滿足抗震構造要求的地下空間結構，一般容易滿足抗震設防要求。

由阪神地震中地鐵車站的震害形式看，中柱常是地下結構抗震能力的薄弱環(huán)節(jié)。大量中柱兩端發(fā)生了嚴重的剪切破壞，進而引起結構頂板大面積坍塌，說明地下工程抗震設計中不能忽視柱的剪切強度和延性設計，應仿照地面房屋建筑設計的要求，構建強柱弱梁的結構體系，并加強結構的抗側力構件。

地下結構剛度突變的部位，如接頭轉角或形狀、尺寸不同的斷面的交界處，地震作用時容易出現應力集中，因而更容易產生破壞。這一點在歷次地震中已多次得到驗證。為避免這一現象，地下結構應力求體型簡單、外形平順，側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。

現行 GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》［19］對地下結構的抗震構造措施提出了一系列的指導意見，其中指出，鋼筋混凝土地下建筑結構宜采用現澆結構。需要設置部分裝配式構件時，應使其與周圍構件可靠連結。鋼筋混凝土框架結構構件的最小尺寸，應至少符合同類地面建筑結構構件的規(guī)定，其中尤應注意構件跨度宜參照一般規(guī)律確定。地下建筑結構的樓板需要開孔時，孔洞寬度應不大于該層樓板寬度的30%。鋼筋混凝土框架柱箍筋宜根據抗震要求加密，中柱縱向鋼筋最小總配筋率、鋼筋錨固長度等，均宜采取與其抗震等級相同的地面結構的加強措施予以加強。

地下結構周圍地基存在液化土層時，應對地基采取注漿加固或換土等措施，消除或減小地下結構上浮的可能性。當未采取消除液化的措施時，則應考慮增設抗拔樁使其保持抗浮穩(wěn)定。當地下建筑結構與薄層液化土層相交時，可不做地基抗液化處理，但應通過計算適當加強結構，并在結構承載力及其抗浮穩(wěn)定性的驗算中考慮土層液化的影響。當施工中采用深度大于20 m的地下連續(xù)墻作為圍護結構的地下建筑結構遇到液化土層時，可不做地基抗液化處理，但其承載力及抗浮穩(wěn)定性的驗算應考慮外圍土層液化的影響。

6 結論與討論

歷史上地震對隧道與地下空間結構已造成震害是客觀存在的事實，潛在地震災害對城市地區(qū)的生命、財產安全以及地下結構的安全使用可能構成嚴重影響，必須予以重視。

在地下空間結構的設計中，應重視抗震設計研究，避免或減輕震害，包括注意積累抗震設計經驗，尤應注意結構型式與抗震構造的優(yōu)化。地下結構應力求體型簡單，并具有良好的整體性，縱向、橫向外形應平順，剖面形狀、構件組成和尺寸不沿縱向經常變化，使其抗震能力提高。

實踐證明，滿足抗震構造要求的地下空間結構，一般容易滿足抗震設防要求。因此，提高地下建筑結構的抗震能力應以加強抗震構造為主，重視抗震計算為輔。結構應采用強柱弱梁的構件體系，抗側力構件宜均勻布置，剛度宜均勻變化。

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