隧道与地下空间抗震防灾的若干思考

杨林德

(同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

很长时间以来，同地面建(构)筑物相比，地下空间结构的震害并未引起人们足够的重视。究其原因，一方面是地下空间结构振动幅度相对较小，同时，受到周围地层的约束，较难发生地震破坏;另一方面是地下结构工程的大规模建设历史尚浅，且多建于大中型城市，而这期间在大都市没有发生大的地震。因此，大多数地下结构并未受到强震的考验，也常使人误以为地下空间结构的抗震能力都很好。

这一观念在1995年的阪神地震之后发生了改变。在阪神地震中，除了地下管道外，地下铁道、地下停车场、地下商业街等大量地下结构也发生了破坏，有的甚至是严重破坏。在2008年汶川地震中，四川灾区有多座公路隧道和地铁隧道出现了不同程度的破损，进一步使人们认识到，地震对隧道与地下空间结构造成损害是客观存在的，潜在地震灾害对地下结构的安全使用有可能构成严重威胁。近年来，全球各地强震频发，在这一背景下，地下结构的抗震研究工作也就显得日益重要。

1 地下空间结构的震害形式

1.1 阪神地震前的震害形式

在阪神地震之前的历次地震中，地下铁道等建筑物的严重震害记录较少，地下构筑物的严重震害多见于地下管道。例如，1906年美国旧金山地震、1923年日本关东地震和1933年长滩地震均曾有输水管、煤气管或煤气装置破坏的记录［1］;1975年海城地震中，营口市(8度区)150多km管道破坏372处，配水管网大量漏水［2］;1976年唐山地震中，唐山市给水系统全部瘫痪，秦京输油管道发生5处破坏［3］;1985年墨西哥城地震导致不同材质的各种管道均发生破坏，其中煤气干管断裂导致了煤气爆炸、火灾等次生灾害，加重了生命财产损失［4］。从管道系统的破坏情况来看，接头部位是遭受地震影响的薄弱环节。

同管道系统相比，其他类型地下结构的震害程度则明显轻微得多。同样是在唐山地震中，刚建成的天津地铁(地震烈度7～8度)并未出现明显损坏，仅沉降缝部位施工面层局部出现脱落或裂缝［5］。总长17.7万m的开滦煤矿井巷工程主体结构震害轻微，其中，断面形状尺寸或坡度发生变化部位、不同支护材料交界处、地质条件复杂段和采空区附近震害相对较重［6－7］。天津市部分人防工程位于8度或9度区的滨海相沉积层中，除表层土强度稍大外，均为淤泥质土或粉土，地震中人防地道出现环向裂缝，局部出现纵向裂缝，接头转角处发生了多处断裂和错动并导致漏水，个别未覆土的人防通道出现局部坍塌［8］。

1.2 阪神地震震害形式

1995年阪神地震中，除地下管道外，神户市内采用明挖法建造、上覆土层较浅的地下铁道、地下停车场和地下商业街等大量地下结构受到了不同程度的影响。其中，神户高速铁道的大开站破坏情况极为典型，受灾程度也最为严重。除地铁车站外，部分地下商业街出现水暖电系统的破坏和装饰面层脱落破损(如神户市内三宫地下街等)，部分地下停车场出现裂纹、断裂、装配件变形、混凝土剥落等问题(如三宫第2地下停车场)，部分公路、铁路隧道出现裂纹和混凝土剥落等程度较轻的破坏现象(如铁路山阳新干线六甲隧道、神户电铁东山隧道和北神特快隧道等)［9］。

以下叙述地铁车站的典型震害。

1.2.1 大开车站

大开车站采用明挖法修建，长120 m，侧式站台。有2种断面类型:标准段断面和中央大厅段断面。标准段断面多为站台部分，是1层2跨结构;中央大厅段断面为2层4跨结构，地下一层是检票大厅，地下2层为站台。底板、侧墙和中柱均为现浇钢筋混凝土结构，中柱间距为3.5 m。覆土厚度标准段为4～5 m，中央大厅段为2 m。地震中站台部分标准段断面23根中柱几乎完全倒塌，导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量约2.5 m。大开车站站台部分断面变形见图1，震害情况见图2。地下2层的6根中柱中，两侧3根中柱损坏，剩下3根轻微损坏。

除大开车站，另有部分地铁车站的混凝土中柱损坏严重，典型的破坏形式为剪切破坏和斜向龟裂。

1.2.2 上泽站

市营地铁上泽站全长400 m，月台长125 m。横截面在线路方向上分3层2跨和2层2跨2种形式。下层柱采用钢构柱者未遭破坏，其他混凝土中柱均损坏严重，出现了典型的剪切破坏和斜向龟裂。

上泽车站C断面破坏情况(西侧面)见图3，G2断面破坏情况(西侧面)见图4，中柱毁坏情况见图5。

图1 大开车站断面变形示意图Fig.1 Cross-section deformation of Daikai Metro station

图2 大开车站震害实景图Fig.2 Seismic damage of Daikai Metro station

图3 上泽车站C断面破坏情况图Fig.3 Damage of C cross-section of Kamisuwa station

图4 上泽车站G2断面破坏情况图Fig.4 Damage of G2 cross-section of Kamisuwa station

图5 上泽车站中柱毁坏情况Fig.5 Damage of intermediate column of Kamisuwa station

1.2.3 三宫车站

在市营地铁三宫车站地震灾害中，采用钢构柱的结构中柱未遭破坏，而其他混凝土中柱损坏严重，其破坏情况见图6。

1.3 汶川地震震害形式

2008年汶川地震造成了震区多座公路、铁路隧道和地铁隧道破损。其中仅四川灾区就有56座公路隧道出现了不同程度的损坏，震害主要形式包括洞口滑坡、洞门端墙和翼墙开裂、初期支护变形、二次衬砌开裂、洞周围岩坍塌、冒顶掉块、涌水、底鼓或铺砌开裂、隆起等［10－11］。典型破坏情况见图7—9。其中洞门端墙和翼墙开裂多因构件间未采用钢筋连接，初期支护变形、衬砌开裂、洞周围岩坍塌等多由未对周围松散地层进行有效加固引起，发生底鼓或铺砌开裂、隆起等震害主要是未根据抗震设防要求并参照工程地质条件在底部设置仰拱。

图6 市营地铁三宫车站破坏情况图Fig.6 Damage of intermediate column of Sannomiya station

图7 洞门端墙开裂Fig.7 Cracking between lining and head wall

图8 洞内坍塌Fig.8 Surrounding rock collapse

成都地铁1号线在建盾构区间隧道在地震中出现了管片错台、个别接缝裂损等。管片错台情况见图10。

图9 衬砌开裂Fig.9 Multiple transverse cracking

图10 管片错台Fig.10 Staggered joint displacement

2 地下综合体及其抗震能力

进入21世纪后，地下空间作为不可再生的有限资源，其开发利用开始强调整体规划，以提高利用率。地下空间的建设规模越来越大，结构型式也越来越丰富，其中，结合地铁车站进行周边地下空间的综合开发已成为地下轨道交通发展的新趋势。这种模式的投资风险较小，综合效益高，可以有效地改善城市交通环境，对结构物的整体规划布置也较有利。但按照这一模式进行建设，为了满足交通要求，势必要在车站结构的一侧甚至两侧边墙进行开孔，从而削弱车站结构侧向抗震构件的抗震能力。同时，车站整体结构型式不规则，地震作用的传递体系比较复杂，也为这类结构的抗震设计工作增加了难度。

为了研究地下空间综合开发形成的连体结构的抗震性能及其影响因素，以上海地铁江湾体育中心站的原设计方案为基础，借助对结构作局部调整以形成计算方案，通过计算结果的对比，分析侧墙开孔率、沉降缝、结构型式、交界面构件刚度等因素对地下综合体抗震性能的影响。车站结构设计方案见图11。

2.1 计算方案

计算方案的形成原则为:以剖面1－1～剖面3－3为基础形成计算方案，包括对剖面1－1的地铁车站结构的侧墙设置3种不同的开孔面积，对开发区釆用对称结构或增加挖深至与车站底部齐平，及分析不设沉降缝及增大与中柱相连的地连墙厚度的影响等。

图11 车站原设计方案Fig.11 Design of a Metro station

计算方案有12种:

1)方案1。按原设计1－1剖面的结构形式进行计算。即车站与开发部位连接处的侧墙在纵向每4跨保留1跨侧墙，3跨开孔。

2)方案2。将1－1剖面的车站与开发部位连接处的侧墙结构，改为在纵向每4跨保留2跨侧墙，2跨开孔后进行计算。

3)方案3。将1－1剖面的车站与开发部位连接处的侧墙结构，改为在纵向每4跨保留3跨侧墙，1跨开孔后进行计算。

4)方案4。将1－1剖面的车站与开发部位连接处的侧墙结构，改为不开孔后进行计算。

5)方案5。按原设计2－2剖面的结构形式进行计算，连接处侧墙结构的特点为在纵向每3跨保留1跨侧墙，2跨开孔。

6)方案6。对3－3剖面按原设计结构形式进行计算，开孔形式为在纵向每3跨保留1跨侧墙，2跨开孔。

7)方案7。对原设计1－1剖面的结构形式，按在地铁车站与开发部位连接处不设沉降缝进行计算。

8)方案8。去除方案1中的开发部位，只保留对称的车站结构，并按侧墙无开孔进行计算。

9)方案9。将方案八中的地铁车站，变成在车站两侧上部对称开发的结构进行计算，侧墙不开孔。

10)方案10。将方案九中的开发部位变成地下两层后进行计算，底层边墙、底板、立柱的尺寸及材料均与上层相同。

11)方案11。将方案1中的开发部位变为地下两层进行计算，底层边墙、底板、立柱的尺寸及材料均与上层相同。

12)方案12。将方案1中开发部位与车站间的地连墙厚度改为120 cm后进行计算，其余结构均与方案1相同。

在上述计算方案中，方案1，5，6用于评价原设计方案的抗震性能;方案1—4用于分析侧墙开孔的影响;方案7用于研究不设沉降缝对原设计方案抗震性能的影响;方案8—11用于研究地铁车站及开发部位的结构形式对其抗震性能的影响;方案12用于研究交界面构件刚度对结构抗震性能的影响。

2.2 计算结果分析

采用土层－结构时程分析法对上述12种计算方案分别进行了计算。地震动输入按DG/T J08－2064—2009《地下铁道建筑结构抗震设计规范》的规定，采用未来50年超越概率为10%时，上海地区地表以下70 m深度处的人工水平地震加速度时程;结构尺寸及建筑材料特性参数按原设计方案确定或参照选用;土层材料的静动力特性参数根据地质钻孔资料按上述规范取值。

根据计算结果，针对地下连体结构的抗震性能与设计，可以得出如下结论:

1)应适当控制侧墙开孔面积。本工程侧墙开孔面积小于其总面积的50%时，地震作用下的结构内力响应与未开孔相比没有出现明显增加。因此，可将50%作为侧墙开孔率的初步控制指标，当侧墙开孔率超过50%，应对结构作抗震补强处理。

2)侧墙开孔方式宜规则均匀。应采用等间距开孔的方式，如每隔1跨开1孔。

3)宜加强交界面构件的刚度。加强开发区与地铁车站结构的交界面构件的刚度，如采取增厚隔墙或地下连续墙、增大立柱刚度或加固相邻地基等措施，对于提高连体结构的抗震性能都具有积极意义，尤其是开孔面积较大时，可首先考虑采取这些措施。

4)交界面邻侧宜设置诱导缝或沉降缝。这一措施可大大改善结构抗震性能，但设缝容易发生渗漏水等问题;因此，应对抗震性能和功能要求作综合考虑，进行专题研究。

5)体型简单的结构抗震性能強。结构布置应力求简单、规则、对称、平顺，并具有良好的整体性，结构形状和构造不宜沿建筑纵向经常变化。

3 地下结构抗震设计的计算方法

20世纪五六十年代以后，随着地下建筑建设的增多，地下结构的抗震设计开始进入人们的视野。起初对地震影响的考虑处于较为初级的阶段，主要思路可分为2种:一种是从安全性角度进行考虑，即在设计中增大安全系数;另一种是借鉴采用地面结构的抗震计算方法，即等效侧力法［13］。

随着相关技术的进一步发展，一些新概念和更加符合地下结构动力响应实际的设计计算理论及方法被提了出来，部分方法已得到模型试验的验证。下面介绍几种设计中常用的计算方法，其中土层－结构时程分析法对平面应变和空间结构的分析都适用，其余均为多适用于平面应变问题的简化算法。

3.1 等效侧力法

等效侧力法又称惯性力法、拟静力法，其计算原理是将地下结构的地震反应简化成作用在节点上的等效水平地震惯性力的作用效应，从而采用结构力学方法计算结构的动内力［14］。同地面结构不同的是，地下结构的抗震计算还需要考虑周围地层的等效动土压力。上海市DG/T J08－2064—2009《地下铁道建筑结构抗震设计规范》(以下简称《规范》)推荐的软土地铁车站结构等效侧力法的计算简图见图12。

图12 双层三跨软土地铁车站结构等效侧力法计算简图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计算原理是采用静力计算模型，将地下结构的地震反应简化为沿垂直向线性分布的等效水平地震加速度的作用效应，从而将地下结构的动力响应计算转化成静力问题［15］。《规范》推荐的双层三跨软土地铁车站结构等效水平地震加速度分布见图13。

图13 双层三跨软土地铁车站结构等效水平地震加速度分布图Fig.13 Acceleration distribution of two-storey three-span Metro station calculated by equivalent horizontal earthquake acceleration method

3.3 反应位移法

反应位移法认为地震中地下结构跟随周围地层一起运动，当地层中地下结构存在的范围内不同位置处产生相对位移时，地下结构会随之产生变形，变形达到一定程度时即会造成地下结构物破坏。因此，地层中结构物的相对位移可用于体现主要的地震效应。根据这一原理，反应位移法首先计算出周围地层的位移，然后将土层动力反应位移的最大值作为强制位移施加于结构上，并按静力原理计算内力［12，16］。其中，土层动力反应位移最大值可通过输入地震波的动力有限元法来计算确定。反应位移法等效荷载见图14。

图14 反应位移法等效荷载Fig.14 Equivalent load of displacement response method

3.4 土层－结构时程分析法

土层－结构时程分析法的原理是将结构和周围地层视为共同受力的整体，通过直接输入地震加速度记录，分别计算结构物和岩土体在各时刻的位移、速度、加速度、应变和内力，进而验算场地稳定性及进行结构截面设计［12，17］。其计算结果通常是建立等效侧力法、等效水平地震加速度法和反应位移法等近似计算方法的基础［14，18］。从振动台试验的检验结果看，本方法能够合理地模拟地下建筑结构的实际地震响应，但岩土材料的动力特性宜通过试验测定。

4 地下结构抗震设防目标

地下空间通常是不可再生的资源，损坏后一般需要原地修复，技术难度和成本高，耗费工期较长，在设计时，应结合工程使用性能要求，充分考虑潜在地震灾害影响，并制定合理的抗震设防目标，避免或减轻地震对重要地下建筑造成的破坏。

按照传统的抗震设计理念，很多设计师认为地下结构的抗震设防要求应比地面结构低，因为根据GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》，附建式大楼地下室的抗震设防目标低于相应的地面建筑。然而地下建筑种类较多，有的服务于人流、车流，有的服务于物资储藏，有的用于其他目的，使用功能和重要性均有很大差异，对抗震安全性的要求不应相同，故对各类地下结构的抗震设防也应有不同的要求。这一点在现行GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》总则1.0.1条中已有体现。随着城市建设的快速发展，单体地下建筑的规模日益增大，类型增多，有必要在工程设计中对其抗震设防目标逐一进行研究。

在各类地下结构中，对城市地铁工程应提出较高的抗震设防要求。这是因为地铁工程在维持城市正常运转中的地位十分重要，而此类工程的局部严重破坏会导致整体系统运行中断或失效，同时，持续渗水将导致结构承载力降低和设备受损，在地下水位较高的区域地铁隧道不宜带缝工作，且原地修复成本高、工期长、对城市居民日常生活影响大。基于以上考虑，上海市《规范》规定:当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，主体结构不受损坏或不需进行修理可继续使用;当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，结构的损坏经一般性修理仍可继续使用。参照地面结构抗震设防“三个水准标准”的表述方法，可将之归纳为“中震不坏，大震可修”，比一般地面结构的抗震设防要求提高了一挡级，体现了地下建筑应根据其重要性确定抗震设防目标的理念。现阶段各行业正在陆续制订各类地下建筑的抗震规范，这一理念很有必要得到充分体现，尤其是各类交通运输隧道。

5 地下结构的抗震构造措施

在提高地下建筑结构抗震能力的措施中，加强抗震构造的作用往往大于抗震计算。满足抗震构造要求的地下空间结构，一般容易满足抗震设防要求。

由阪神地震中地铁车站的震害形式看，中柱常是地下结构抗震能力的薄弱环节。大量中柱两端发生了严重的剪切破坏，进而引起结构顶板大面积坍塌，说明地下工程抗震设计中不能忽视柱的剪切强度和延性设计，应仿照地面房屋建筑设计的要求，构建强柱弱梁的结构体系，并加强结构的抗侧力构件。

地下结构刚度突变的部位，如接头转角或形状、尺寸不同的断面的交界处，地震作用时容易出现应力集中，因而更容易产生破坏。这一点在历次地震中已多次得到验证。为避免这一现象，地下结构应力求体型简单、外形平顺，侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

现行 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［19］对地下结构的抗震构造措施提出了一系列的指导意见，其中指出，钢筋混凝土地下建筑结构宜采用现浇结构。需要设置部分装配式构件时，应使其与周围构件可靠连结。钢筋混凝土框架结构构件的最小尺寸，应至少符合同类地面建筑结构构件的规定，其中尤应注意构件跨度宜参照一般规律确定。地下建筑结构的楼板需要开孔时，孔洞宽度应不大于该层楼板宽度的30%。钢筋混凝土框架柱箍筋宜根据抗震要求加密，中柱纵向钢筋最小总配筋率、钢筋锚固长度等，均宜采取与其抗震等级相同的地面结构的加强措施予以加强。

地下结构周围地基存在液化土层时，应对地基采取注浆加固或换土等措施，消除或减小地下结构上浮的可能性。当未采取消除液化的措施时，则应考虑增设抗拔桩使其保持抗浮稳定。当地下建筑结构与薄层液化土层相交时，可不做地基抗液化处理，但应通过计算适当加强结构，并在结构承载力及其抗浮稳定性的验算中考虑土层液化的影响。当施工中采用深度大于20 m的地下连续墙作为围护结构的地下建筑结构遇到液化土层时，可不做地基抗液化处理，但其承载力及抗浮稳定性的验算应考虑外围土层液化的影响。

6 结论与讨论

历史上地震对隧道与地下空间结构已造成震害是客观存在的事实，潜在地震灾害对城市地区的生命、财产安全以及地下结构的安全使用可能构成严重影响，必须予以重视。

在地下空间结构的设计中，应重视抗震设计研究，避免或减轻震害，包括注意积累抗震设计经验，尤应注意结构型式与抗震构造的优化。地下结构应力求体型简单，并具有良好的整体性，纵向、横向外形应平顺，剖面形状、构件组成和尺寸不沿纵向经常变化，使其抗震能力提高。

实践证明，满足抗震构造要求的地下空间结构，一般容易满足抗震设防要求。因此，提高地下建筑结构的抗震能力应以加强抗震构造为主，重视抗震计算为辅。结构应采用强柱弱梁的构件体系，抗侧力构件宜均匀布置，刚度宜均匀变化。

［1］ 北京市建筑工程学校.煤气及热力管道工程抗震构造措施［J］.建筑技术，1977(Z4):135－138.

［2］ 苏幼坡，马亚杰，刘瑞兴.城市生命线地震震害相互影响［J］.河北理工学院学报，2001，23(2):84－89.(SU Youpo，MA Yajie，LIU Ruixing.The study of the mutual effects on earthquake disaster between urban lifelines［J］.Journal of Hebei Institute of Technology，2001，23(2):84－89.(in Chinese))

［3］ 杨文忠.在唐山地震中生命线系统的破坏及其恢复［J］.地震工程与工程振动，2006(3):188－189.(YANG Wenzhong.Destruction to lifeline system in Tangshan Earthquake and its recovery［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2006(3):188－189.(in Chinese))

［4］ William Stockton.墨西哥地震与城市建筑［J］.范文献，译.世界科学，1986(9):26 －27.

［5］ 秦东平，韩纪强.地铁隧道抗震分析［C］//天津市土木工程学会第七届年会优秀论文集.天津:天津市市政工程设计研究院，2005.

［6］ 开滦煤矿井巷支护震后状况调查报告［J］.煤炭科学技术，1977(8):19－23.

［7］ Coal Mines Planning and Design Institute，Ministry of Coal Industry.唐山地震开滦煤矿井巷工程的震害［J］.地震工程与工程振动，1982(1):67－76，87.(Coal Mines Planning and Design Institute，Ministry of Coal Industry.Damage to structures and installations in the underground excavation of the Kailuan colligery during the Tangshan Earthquake［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1982(1):67－43.87.(in Chinese))

［8］ 中国科学技术协会.土木工程学科发展报告［M］.北京:中国科学技术出版社，2009.

［9］ 于翔.地铁建设中应充分考虑抗地震作用:阪神地震破坏的启示［J］.铁道建筑技术，2000(6):37 －40，5.(YU Xiang.Earthquake resistant behavior should be stressed in subway construction:Inspiration from Osaka-Kobe earthquake［J］.Railway Construction Technology，2000(6):37 －40，5.(in Chinese))

［10］ 王明年，崔光耀，林国进.汶川地震灾区公路隧道震害调查及初步分析［J］.西南公路，2009(4):45－50.

［11］ 高波，王峥峥，袁松，等.汶川地震公路隧道震害启示［J］.西南交通大学学报，2009(3):42 －47，80.(GAO Bo，WANG Zhengzheng，YUAN Song，et al.Lessons learnt from damage of highway tunnel in Wenchuan earthquake［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2009(3):42－47，80.(in Chinese))

［12］ DG/T J08－2064—2009地下铁道建筑结构抗震设计规范［S］.上海:上海市城乡建设和交通委员会，2009.

［13］ 郑永来，杨林德，李文艺，等.地下结构抗震［M］.上海:同济大学出版社，2005.

［14］ 郑永来，杨林德，李文艺，等.地下结构抗震［M］.2版.上海:同济大学出版社，2011.

［15］ 商金华，杨林德.软土场地地铁车站抗震计算的等代地震加速度法［J］.华南地震，2010，30(1):6 －15.(SHANG Jinhua，YANG Linde.Equivalent static method of seismic calculation for substation in soft site［J］.South China Journal of Seismology，2010，30(1):6－15.(in Chinese))

［16］ 禹海涛，袁勇，张中杰，等.反应位移法在复杂地下结构抗震中的应用［J］.地下空间与工程学报，2011，7(5):857 －862.(YU Haitao，YUAN Yong，ZHANG Zhongjie，et al.Application of response displacement method on seismic design of a complex underground structure［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(5):857－562.(in Chinese))

［17］ 李建亮，赵晶，李福海，等.结构抗震设计时程分析法的分析研究［J］.四川地震，2011(4):25－28.(LI Jianliang，ZHAO Jing，LI Fuhai，et al.Analysis of Time-History analysis method on the seismic design［J］.Earthquake Research in Sichuan，2011(4):25－28.(in Chiense))

［18］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.