基于性能的地鐵盾構(gòu)隧道抗震設(shè)計(jì)

摘要：隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，城市地鐵建設(shè)在不斷涌現(xiàn)。工程的存在必然要考慮結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性，尤其是突發(fā)的地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用?，F(xiàn)在抗震設(shè)計(jì)理念不再局限于結(jié)構(gòu)具有多強(qiáng)的承載能力，而要考慮多種因素，因此，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法越來(lái)越受到關(guān)注。本文剖析了我國(guó)公路隧道、鐵路隧道、城市區(qū)間隧道相關(guān)規(guī)范和研究的現(xiàn)狀，針對(duì)地鐵建設(shè)常采用的盾構(gòu)隧道的抗震性能進(jìn)行彈塑性分析，以及今后基于性能的隧道抗震設(shè)計(jì)方法需要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;彈塑性分析;性能抗震設(shè)計(jì)

1引言

近些年我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)越來(lái)越完善，地震的發(fā)生造成了人們的財(cái)產(chǎn)損失以及生命安全。隨著城市規(guī)模變大，地上發(fā)展空間不斷變小，基礎(chǔ)建設(shè)不斷向地下空間發(fā)展，尤其是地鐵建設(shè)，其中盾構(gòu)隧道在地鐵建設(shè)中受到了廣泛的應(yīng)用。地下結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，地震所造成的損害不容忽視。就工程結(jié)構(gòu)震害而言，地下結(jié)構(gòu)尤其是隧道，其本身發(fā)展晚，所以它的抗震設(shè)計(jì)比地上結(jié)構(gòu)的關(guān)注度低。尋找實(shí)測(cè)的有關(guān)震害的資料相當(dāng)困難，再者由于隧道的建設(shè)處于巖土介質(zhì)中，發(fā)生地震時(shí)往往受到巖土介質(zhì)的約束，自振特性并不明顯[1]。所以在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)時(shí)，還要做好抗震減災(zāi)的相關(guān)研究。

2研究現(xiàn)狀

2..1公路隧道

我國(guó)公路隧道抗震設(shè)計(jì)在抗震設(shè)防分類、目標(biāo)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)算方面還比較落后[2]。實(shí)際上隧道抗震設(shè)防應(yīng)該采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》推薦的小、中、大地震動(dòng)。其有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）適用于行業(yè)內(nèi)普遍采用的方法;2）當(dāng)?shù)卣饎?dòng)水平確定之后，設(shè)防目標(biāo)就只與抗震設(shè)防分類有關(guān)，不會(huì)出現(xiàn)地震動(dòng)與設(shè)防目標(biāo)同時(shí)變化的情況。在進(jìn)行抗震計(jì)算和驗(yàn)算時(shí)，13版規(guī)范沿用了89版規(guī)范的靜力法[3]，只驗(yàn)算隧道的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，抗震設(shè)計(jì)方法的實(shí)質(zhì)仍主要是采用基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，它沒(méi)有進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作階段的變形驗(yàn)算。

2.2鐵路隧道

鐵路隧道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范雖然提出來(lái)抗震性能要求的概念，但是實(shí)際上，其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)算仍是基于小震下的一階段彈性抗震設(shè)計(jì)。隧道的性能要求是“隧道在地震動(dòng)影響下滿足性能要求2”，性能要求2是指在受到地震作用時(shí)可能發(fā)生破壞，但經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后，在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常使用狀態(tài)，發(fā)揮正常使用功能，結(jié)構(gòu)整體處于非彈性工作階段，因此將其按一階段進(jìn)行彈性抗震設(shè)計(jì)。

2.3城市地鐵區(qū)間隧道

現(xiàn)階段我國(guó)的《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50909—2014）[3]采用了三水平設(shè)防，三階段設(shè)計(jì)，它的先進(jìn)之處在于：考慮了結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段的驗(yàn)算方法。但還存在一些缺陷：首先在進(jìn)行抗震設(shè)防分類時(shí)考慮的分類依據(jù)較少;其次它的抗震性能目標(biāo)多是定性目標(biāo)，缺乏定量目標(biāo)，其所描述的力學(xué)狀況，沒(méi)有明確的力學(xué)指標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)外同行均沒(méi)有建立一套完整的基于性能的隧道抗震設(shè)防理論。國(guó)外隧道抗震設(shè)計(jì)的問(wèn)題：1）各自沿用原有的方法進(jìn)行研究，造成了研究結(jié)果比較混亂的現(xiàn)狀。2）選取的計(jì)算方法不同，造成了抗震驗(yàn)算指標(biāo)的不同。國(guó)內(nèi)隧道抗震設(shè)防還存在一些缺陷，主要表現(xiàn)在：1）所考慮的隧道抗震設(shè)防分類依據(jù)較少;2）設(shè)防目標(biāo)和定量化的性能要求還未確定;3）在性能要求下的隧道抗震計(jì)算方法及控制指標(biāo)過(guò)于單一。

3盾構(gòu)隧道性能抗震設(shè)計(jì)

3.1性能抗震設(shè)計(jì)定義

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以結(jié)構(gòu)自身的承載能力計(jì)算為主，結(jié)構(gòu)正常性能下以變形大小作為驗(yàn)算指標(biāo)，考慮的內(nèi)容存在缺陷不具有全面性。相比較而言，基于性能抗震設(shè)計(jì)理念所考慮的內(nèi)容更加全面。性能設(shè)計(jì)理念是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)不單單要考慮結(jié)構(gòu)抗震能力的大小，同時(shí)還要考慮工程符合各種要求，例如經(jīng)濟(jì)以及各方面的要求。

3.3盾構(gòu)隧道抗震彈塑性分析

（1）推覆的位移增大，隧道內(nèi)力響應(yīng)也變得越來(lái)越大。動(dòng)力響應(yīng)最明顯的位置出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)橫斷面45°附近，同時(shí)此位置也是最早進(jìn)入塑性區(qū)的[4]。

（2）在控制位移相同的情況下，內(nèi)力響應(yīng)隨著混凝土等級(jí)的增大而增大[5]，而變形卻逐漸減小。由此可以看出混凝土等級(jí)越高，在一定程度上對(duì)盾構(gòu)隧道的抗震是有利的，但管片的剛度增大對(duì)結(jié)構(gòu)的變形性能起到限制作用，這并不利于盾構(gòu)隧道的抗震。

（3）在目標(biāo)位移相同的情況下，結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力響應(yīng)都會(huì)隨著隧道外徑的增大而增大[5]，由此可以說(shuō)明盾構(gòu)隧道外徑的增大也是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需要考慮的一部分，現(xiàn)在盾構(gòu)隧道的建設(shè)逐漸向大外徑方向發(fā)展，對(duì)盾構(gòu)隧道抗震設(shè)計(jì)增加了新的研究。

4結(jié)論

公路隧道基于性能的抗震設(shè)計(jì)所存在的不足是考慮的抗震設(shè)防分類依據(jù)不全面，設(shè)防目標(biāo)的不確定性。鐵路隧道基于性能的抗震設(shè)計(jì)仍是基于小震的一階段彈性驗(yàn)算，而隧道結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入塑形工作階段和彈塑性工作階段的性能參數(shù)及其指標(biāo)取定是抗震設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[4]。區(qū)間隧道的最大不足在于：地下結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)多是定性目標(biāo)，沒(méi)有明確的性能參數(shù)及其限定指標(biāo)。

要將基于性能的抗震設(shè)計(jì)運(yùn)用到實(shí)踐中是一個(gè)復(fù)雜漫長(zhǎng)的過(guò)程，在這期間有很多技術(shù)和管理方面的不足需要彌補(bǔ)。通過(guò)分析可以得出，運(yùn)用基于性能的隧道抗震設(shè)計(jì)方法需要解決以下三個(gè)主要問(wèn)題：（1）將基于性能的抗震設(shè)防進(jìn)行明確分類;（2）地震動(dòng)水平的定量與定性改變時(shí)對(duì)應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能要求;（3）性能要求改變時(shí)對(duì)應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法和驗(yàn)算指標(biāo)及極限值。

參考文獻(xiàn)

[1]小泉淳.盾構(gòu)隧道的抗震研究及算例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2009.

[2]李勤熙，蔣樹(shù)屏.基于性能的隧道抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].公路隧道，2016 （1）.

[3]中華人民共和國(guó)住房和建設(shè)部.城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S][D].中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[4]王繼棟.基于pushover法地鐵盾構(gòu)隧道抗震彈塑性分析及性能指標(biāo)研究[D].西南交通大學(xué)，2016.

[5]常永立.隧道結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位的動(dòng)力響應(yīng)研究[D.]北京交通大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介

邢帥（1998—），性別男，籍貫山東濟(jì)南，民族漢，學(xué)歷碩士，單位聊城大學(xué)，單位郵編252000，研究方向巖土工程。