地铁区间抗震设计方法浅析

摘要 ：随着我国经济社会的不断发展，我国城市化的脚步在加快。需要在城市建设的每个环节都做好优化。依据住房和城乡建设部下发的《城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）》的对工程设防要求的规定，部分区间隧道需要进行抗震专项设计。本文从抗震设防要求出发，结合相关地震参数的选取方法，通过地震系数法、反映位移法、时程分析法对区间隧道的地震特征进行研究，进而给出区间隧道的抗震结构构造措施。

关键词：地铁区间；抗震设计

中图分类号： U412文献标识码： A

前言： 地铁工程是生命线工程的重要组成部分,其抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。美国、日本等国家都曾经对地铁等地下结构的抗震设计理论进行了研究,提出了一些实用的抗震设计方法。但我国在这一领域的研究相对滞后。迄今为止,我国还没有独立的地下结构抗震设计规范,其原因主要是研究工作开展不够,对地下结构抗震设计方法缺乏系统研究。长期以来,地铁结构的抗震设计基本是参照GBJ111—87《铁路工程抗震设计规范》中有关隧道部分的条文和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》,采用地震系数法进行的。地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷,出现这一局面的原因与人们对地下结构震害的认识不无关系。高烈度地震区内的城市地铁大规模建设是在近20多年才出现的,大多数还没有经过大地震的检验,因此灾难性的震害记录不多,于是人们普遍认为地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地上结构轻。在地层可能发生较大变形和位移的部位,地铁等地下结构可能会出现严重的震害,因此对其抗震问题应给予高度重视。

1. 抗震设计的基本要求

1.1 抗震设防类别的划分

根据铁路工程抗震设计规范，铁路工程应根据铁路等级及其在路网中的重要性和修复（抢修）的难易程度，分为A、B、C、D类四个抗震设防类别。根据铁路工程抗震设计规范中表3.0.1A的规定。

1.2 抗震设防标准

（1）地震作用重要性系数Ci

根据铁路工程抗震设计规范,各类工程的地震作用重要性系数Ci应按表1.2.1确定。

表1.2.1各类工程的重要性系数Ci

（2）抗震设防措施

根据铁路工程抗震设计规范,各类工程的抗震设防措施，应按表3.2.2确定。

表1.2.2各类工程的抗震设防措施等级

1.2 抗震强度和稳定性验算

根据铁路工程抗震设计规范，隧道抗震强度和稳定性验算范围应符合表3. 5的规定。

表1.2隧道的抗震验算范围

2.地铁区间应用的抗震计算方法

2.1地震系数法

地震系数法是地震时地面最大加速度与重力加速度的比值，以K表示，是确定地震烈度的一个定量指标。可以用于抗震强度验算、抗震试验和工程设计等。当地震时，假设建筑物为刚性体，并承受一个均匀不变化水平加速度，此时的地震力在物理意义上是建筑物自身的惯性力。《建筑抗震设计规范》第5.1.4条采用加速度反应谱计算地震作用。取加速度反应绝对最大值计算惯性力作为等效地震荷载F，F=αG，α为地震影响系数，G为质点的重量。规范中用曲线形式给出了α的确定方法，α曲线又称为地震影响系数曲线。地震系数法是引用地面结构的一些计算方法，根据地震峰值加速度确定水平地震系数进行计算，地震力主要由衬砌自重的水平地震力、洞顶土柱水平地震力以及侧向土压力增量构成。将地震荷载与常时荷载下的断面内力叠加可看出，地震系数法较反应位移法的计算结果趋于保守，这不利于在保证安全和质量的前提下优化结构和节约成本。

2.2 反应位移法

反应位移法是基于地下结构的地震反应对地层位移具有追随性并受地层位移控制这一特性，其原理是把地震荷载分成两部分：一是盾构隧道周边天然地层的剪切力；二是盾构隧道两侧受到的强制位移。由于惯性荷载对地下结构的影响很小，可忽略。反应位移法最初用于线状地下结构纵向的抗震设计,由于其分析方法明确、简便易行,近来越来越多地应用于大断面隧道的横断面抗震设计中。由于地下结构对周围地层的震动具有追随性,有着不同于地面结构的抗震性能和破坏特征。进行抗震计算时,地层的位移分布和周面剪切力是起决定作用的因素,而惯性力的影响一般比较小,这是与地面结构抗震设计的本质区别。在采用反应位移法对隧道进行地震响应分析时,通常将地层沿隧道轴向的变形模式简化为按正弦波分布,这与实际地层的地震响应相比可能存在较大误差。

2.3 时程分析法

时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，进而计算构件内力和变形的时程变化。时程分析法在数学上称步步积分法,抗震设计中也称为“动态设计”。由结构基本运动方程输入地面加速度记录进行积分求解，以求得整个时间历程的地震反应的方法。此法输入与结构所在场地相应的地震波作为地震作用,由初始状态开始, 一步一步地逐步积分,直至地震作用终了。是对工程的基本运动方程，输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。

3.地铁地下结构抗震性能的评估方法

借鉴目前建筑结构的抗震设计方法，发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算，对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说，大震作用下的弹塑性变形验算无疑也是必要的。目前常用的弹塑性分析方法包括静力增量分析法、动力时程分析法和静力弹塑性分析方法。到目前为止，适用于建筑结构抗震分析的Push-over方法还无法应用于地铁结构的抗震设计。另外，由于受到周围地基约束，地下结构的变形形式不同于地上结构。相对地上结构来说，地下结构在整体发生较小变形时局部的内力可能会很大，因此也不能简单地套用地上结构变形的极限值推算地下结构在中震或大震作用下的极限状态，必须进行深入的理论分析和试验研究，了解地铁车站等地下结构的内力-变形规律及破坏模式，并在此基础上提出地铁地下结构抗震性能定量化评价指标体系。

4.地铁区间隧道抗震构造措施

4.1、明挖隧道结构和矿山法隧道结构采用现浇整体钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C40；明挖隧道结构宜采用墙－板结构，设置立柱时，宜采用延性良好的劲性钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱，当采用钢筋混凝土柱时，应限定轴压比并加密配筋，轴压比和箍筋的配置应符合《建筑抗震设计规范》等现行规范要求；矿山法隧道采用复合式衬砌结构并采用带仰供的曲墙式衬砌断面。

4.2、一般情况下不设变形缝，但在特殊地段（地层、荷载、结构等显著变化处）应设置变形缝。对地震时可能产生砂土液化的地段，在设计、施工中应采取技术措施。

4.3、盾构衬砌管片采用错缝拼装，接头采用螺栓等抗拉构造作拉力联系，保持结构连续性，纵向产生的拉应力按由纵向螺栓承担进行设计；在环向和纵向接头处设弹性密封垫，在地层、地基、荷载、结构等显著变化地段配置较大膨胀倍率的密封垫，以适应地震中地层施加的一定的变形。

4.4、对盾构法和矿山法施工的隧道结构，应及时向衬砌背后压注结硬性浆液，保证周围围岩和隧道结构的共同作用。

结语：

地铁最为我国关乎民生的重要工程，受到市政府和百姓的关注,然而到目前为止还没有独立的地下结构抗震设计规范。近几年，把地铁的抗震设计一直进行科学化的分析，希望能够找出促进我国地铁事业发展的方法，本研究简单介绍了几种设计方法，希望能有一些作用。