基于性能的地铁盾构隧道抗震设计

摘要：随着国家经济建设的持续发展，城市地铁建设在不断涌现。工程的存在必然要考虑结构的安全性及耐久性，尤其是突发的地震对结构的破坏作用。现在抗震设计理念不再局限于结构具有多强的承载能力，而要考虑多种因素，因此，基于性能的抗震设计方法越来越受到关注。本文剖析了我国公路隧道、铁路隧道、城市区间隧道相关规范和研究的现状，针对地铁建设常采用的盾构隧道的抗震性能进行弹塑性分析，以及今后基于性能的隧道抗震设计方法需要解决的问题。

关键词：盾构隧道;弹塑性分析;性能抗震设计

1引言

近些年我国的经济和基础建设越来越完善，地震的发生造成了人们的财产损失以及生命安全。随着城市规模变大，地上发展空间不断变小，基础建设不断向地下空间发展，尤其是地铁建设，其中盾构隧道在地铁建设中受到了广泛的应用。地下结构不断发展，地震所造成的损害不容忽视。就工程结构震害而言，地下结构尤其是隧道，其本身发展晚，所以它的抗震设计比地上结构的关注度低。寻找实测的有关震害的资料相当困难，再者由于隧道的建设处于岩土介质中，发生地震时往往受到岩土介质的约束，自振特性并不明显[1]。所以在进行地铁盾构隧道建设时，还要做好抗震减灾的相关研究。

2研究现状

2..1公路隧道

我国公路隧道抗震设计在抗震设防分类、目标、结构抗震设计计算验算方面还比较落后[2]。实际上隧道抗震设防应该采用《中国地震动参数区划图》推荐的小、中、大地震动。其有两个优点：1）适用于行业内普遍采用的方法;2）当地震动水平确定之后，设防目标就只与抗震设防分类有关，不会出现地震动与设防目标同时变化的情况。在进行抗震计算和验算时，13版规范沿用了89版规范的静力法[3]，只验算隧道的强度与稳定性，抗震设计方法的实质仍主要是采用基于强度的设计方法，它没有进行隧道结构进入弹塑性工作阶段的变形验算。

2.2铁路隧道

铁路隧道抗震设计规范虽然提出来抗震性能要求的概念，但是实际上，其结构抗震设计计算验算仍是基于小震下的一阶段弹性抗震设计。隧道的性能要求是“隧道在地震动影响下满足性能要求2”，性能要求2是指在受到地震作用时可能发生破坏，但经过修补后，在较短时间内恢复到正常使用状态，发挥正常使用功能，结构整体处于非弹性工作阶段，因此将其按一阶段进行弹性抗震设计。

2.3城市地铁区间隧道

现阶段我国的《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909—2014）[3]采用了三水平设防，三阶段设计，它的先进之处在于：考虑了结构进入弹塑性阶段的验算方法。但还存在一些缺陷：首先在进行抗震设防分类时考虑的分类依据较少;其次它的抗震性能目标多是定性目标，缺乏定量目标，其所描述的力学状况，没有明确的力学指标。

目前，国内外同行均没有建立一套完整的基于性能的隧道抗震设防理论。国外隧道抗震设计的问题：1）各自沿用原有的方法进行研究，造成了研究结果比较混乱的现状。2）选取的计算方法不同，造成了抗震验算指标的不同。国内隧道抗震设防还存在一些缺陷，主要表现在：1）所考虑的隧道抗震设防分类依据较少;2）设防目标和定量化的性能要求还未确定;3）在性能要求下的隧道抗震计算方法及控制指标过于单一。

3盾构隧道性能抗震设计

3.1性能抗震设计定义

传统设计方法以结构自身的承载能力计算为主，结构正常性能下以变形大小作为验算指标，考虑的内容存在缺陷不具有全面性。相比较而言，基于性能抗震设计理念所考虑的内容更加全面。性能设计理念是指在进行结构抗震设计时不单单要考虑结构抗震能力的大小，同时还要考虑工程符合各种要求，例如经济以及各方面的要求。

3.3盾构隧道抗震弹塑性分析

（1）推覆的位移增大，隧道内力响应也变得越来越大。动力响应最明显的位置出现在结构横断面45°附近，同时此位置也是最早进入塑性区的[4]。

（2）在控制位移相同的情况下，内力响应随着混凝土等级的增大而增大[5]，而变形却逐渐减小。由此可以看出混凝土等级越高，在一定程度上对盾构隧道的抗震是有利的，但管片的刚度增大对结构的变形性能起到限制作用，这并不利于盾构隧道的抗震。

（3）在目标位移相同的情况下，结构变形及内力响应都会随着隧道外径的增大而增大[5]，由此可以说明盾构隧道外径的增大也是结构抗震设计需要考虑的一部分，现在盾构隧道的建设逐渐向大外径方向发展，对盾构隧道抗震设计增加了新的研究。

4结论

公路隧道基于性能的抗震设计所存在的不足是考虑的抗震设防分类依据不全面，设防目标的不确定性。铁路隧道基于性能的抗震设计仍是基于小震的一阶段弹性验算，而隧道结构局部进入塑形工作阶段和弹塑性工作阶段的性能参数及其指标取定是抗震设计的难点[4]。区间隧道的最大不足在于：地下结构抗震性能目标多是定性目标，没有明确的性能参数及其限定指标。

要將基于性能的抗震设计运用到实践中是一个复杂漫长的过程，在这期间有很多技术和管理方面的不足需要弥补。通过分析可以得出，运用基于性能的隧道抗震设计方法需要解决以下三个主要问题：（1）将基于性能的抗震设防进行明确分类;（2）地震动水平的定量与定性改变时对应的隧道结构的抗震性能要求;（3）性能要求改变时对应的隧道结构抗震计算方法和验算指标及极限值。

参考文献

[1]小泉淳.盾构隧道的抗震研究及算例[M].北京：中国建筑工业出版社， 2009.

[2]李勤熙，蒋树屏.基于性能的隧道抗震设计研究现状[J].公路隧道，2016 （1）.

[3]中华人民共和国住房和建设部.城市轨道交通结构抗震设计规范[S][D].中国计划出版社，2014.

[4]王继栋.基于pushover法地铁盾构隧道抗震弹塑性分析及性能指标研究[D].西南交通大学，2016.

[5]常永立.隧道结构抗震薄弱部位的动力响应研究[D.]北京交通大学，2010.

作者简介

邢帅（1998—），性别男，籍贯山东济南，民族汉，学历硕士，单位聊城大学，单位邮编252000，研究方向岩土工程。