目录
二 震害特点 2
三 混凝土中柱震害原因 3
2 剪切破坏 4
3 弯剪联合作用破坏 4
1 明挖区间隧道的震害 4
2 盾构区间隧道震害 5
隧道二班 谭坤（07011227）
1995年日本阪神大地震的震害显示强震也能给地下结构带来严重危害, 这次地震使得地铁区间隧道及地铁车站受到严重破坏, 甚至出现地铁车站完全倒塌的情况。 一 震害机理分析
地下铁道震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、衬砌的构造条件、隧道与围岩的相对刚度及施工方法、施工的难易程度等有密切关系。地震的主要或次要效应均可使地下铁道结构遭受破坏。对于地下结构, 抗震能力的重要问题在于地基的地震变形和结构对于这种变形的适应性。所以结构抗震设计不但要求结构在静载和地震荷载作用下具有足够的强度, 而且要求能最大程度地吸收地震产生的变形。
围岩失稳和地震惯性力作用是地铁震害的两种主要原因, 而往往第一种原因起控制作用。围岩失稳主要指围岩的变形、差异位移、震陷和液化。由于围岩变位, 在地铁结构中产生强制变形, 该类型的破坏多数发生在岩性变化而引起破坏较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结
构刚度远大于地层刚度的围岩之中。地震惯性力主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏, 该类型的破坏多数发生在浅埋或明挖的车站结构, 在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明显。调查还表明, 浅埋结构的地震破坏比深埋结构发生的频度和程度都要高许多, 因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。国内学者根据地铁车站及区间隧道等结构在阪神大地震中出现的严重破坏情况, 采用模型试验、理论分析和数值模拟等方法多种途径相结合,其研究结论可归纳为以下几点：
(1) 地震时相邻地层间的相对位移是影响地下结构破坏的主要指标, 研究结果显示相对位移较大处, 地下结构破坏严重；相对位移较小处,破坏较轻, 这与实际震害相符；
(2) 在水平地震动作用下, 地下结构产生平时使用状态下所没有的较大的水平剪力和弯矩,使中柱中的剪力超过其抗剪强度而产生剪切破坏；
(3) 竖向震动使中柱轴力大幅增加, 水平震动和竖向震动的共同作用加剧中柱的破坏。地震中竖向震动在地下结构中所起的作用不能忽视,特别是应考虑竖向震动与水平震动的协同作用,不应仅将结构中轴力弯矩等内力分别与各自作用进行校核；
(4) 地铁隧道的振动变形受周围介质的约束作用, 受震害程度较轻, 结构的动力反应一般不明显表现出自震特性, 特别是低阶模态的影响；
(5) 地震荷载的作用下, 地铁区间隧道和其周围介质一起产生运动, 当结构存在明显惯性或周围介质与结构间的刚度失配时, 结构会产生过度变形而破坏。
车站破坏主要发生在中柱，35根钢筋混凝土柱中有30根完全破坏，钢筋被压弯鼓外露，许多箍筋也完全破坏。中柱的破坏主要有两种类型，一是破坏在柱脚处；二是破坏在柱顶板连接处。其它柱子也发生破坏，混凝土剥落，钢筋外露。侧墙出现了水平裂缝和斜裂缝，这被认为是由于中柱破坏引起的次生破坏，破坏程度比中柱轻。在车站地表面100m长30m宽的范围内，路面发生下沉，最大沉陷量约为3m，沿地铁线路地表面的其它地方出现了连续几十米长的裂缝。
基于地震观测，众多研究者对地下结构的地震反应特性开展了广泛深入的研究习，文献对这些研究成果进行了总结：
(1) 地下结构的地震破坏程度一般比地上结构低；
(2) 深埋结构破坏程度一般比浅埋结构轻；
(3) 土中地下结构比岩石中结构更容易遭到破坏；
(4) 对于岩石中的地下隧道而言，采取措施提高衬砌和围岩的整体性可以有效提高隧道的抗震坏能力；
(5) 在对称动荷载作用下，隧道结构要更为稳定。如果只是加大衬砌的厚度和刚度，而不对周围软弱围岩进行加强，将会导致衬砌中过大的内力。
二 震害特点
在阪神地震中, 神户市地下铁道多数车站有震害现象发生, 尤其是大开站和止泽站, 破坏最为严重, 混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂等破坏现象随处可见。其它车站的中柱、顶板、楼板和侧墙部位亦有破坏现象, 但总体来说, 破坏较为轻微。在遭受震害的各结构构件中, 混凝土中柱破坏现象最为突出。地铁隧道结构断面变异处、各区间隧道连接处大多是破坏较严重的地方。日本尚木舜三、吉川惠等收集了多个隧道震害实例, 综合分析后指出： 地震所产生的震害, 主要有因施工缝相互撞击而使衬砌工程坍塌, 出现断裂缝,
防水层、喷涂的薄防水灰浆层剥落等情况。地铁区间隧道属于线性结构, 在地震荷载的作用下, 其震害主要表现为：
(1) 地铁区间隧道的震害多发生在地质条件有较大变化的区域, 如土质由硬质到软质的过渡带。相反, 如果地质条件均匀, 即便震级较大, 结构也较安全；
(2) 地铁区间隧道如果穿过地质不良地带, 如断层、砂土液化区等也易遭震害；
(3) 结构断面形状及刚度发生明显变化的部位, 如隧洞进出口, 隧洞转弯部位及两洞相交部位均为抗震的薄弱环节；
(4) 在地震强度和震中距均相同的条件下，地下结构的震害程度可能取决于峰值地面加速度和峰值地面速度的大小；
山东高速公路网(5) 强震持时是地下结构破坏程度的重要影响因素；
(6) 地震波高频分量可能会导致岩石和混凝土的剥裂，但这仅对震中距很小的地下结构有显著影响；
(7) 地下结构尺寸相对于波长较小时，其对周围地基地震动的影响一般很小，若地震波波长介于隧道口径的1-4倍，则地震动将会被明显放大；
(8) 地下隧道出入地面处可能会因边坡失稳而发生严重破坏。
地震对地下结构的影响可以分为两类:地基失效和地基震动。地基失效通常是指地质断层活动、地基液化、滑坡或地震诱发土体失稳引起的大变形。
总结各车站破坏现象, 有以下特点：
(1) 震害严重的地铁车站多建造于 20 世纪60 年代, 抗震设计方法有不完善之处；
(2) 混凝土中柱损坏严重, 很多中柱的混凝土保护层开裂脱落, 纵向钢筋弯曲外凸, 箍筋接头开脱, 造成中柱纵向长度缩短, 最为严重的是一些中柱完全丧失了承载能力, 导致其它构件承载能力不足而破坏, 如顶板折弯、坍塌；
(3) 与混凝土中柱损坏严重相比, 钢管混凝土中柱基本上没见到有震害现象；
(4) 箱形结构的中柱与顶板相接部位的刚性节点有较多震害现象, 可见贯穿顶板的垂直裂缝,
严重之处丹阳李茂川自首, 混凝土脱落, 钢筋外漏；教授女儿的婚事
(5) 侧墙混凝土表面有龟状裂缝, 严重部位, 表层混凝土脱落, 可见内部钢筋；
(6) 对于多层箱形结构, 顶层构件的震害数量比底层或下层要多, 且损坏程度也更为严重。
尤其引人注意的是, 在遭受震害的各结构构件中, 混凝土中柱破坏现象最为突出。虽然各车站震害程度不同, 但具体到某个车站来说, 混凝土中柱损坏程度比其它构件要为严重。因此, 有理由认为, 对于箱形地铁车站结构, 混凝土中柱结构是薄弱环节, 对其设计方法应高度重视。
三 混凝土中柱震害原因
下面根据混凝土中柱的震害表现形式, 对震害原因做简单讨论。
1 弯曲破坏
造成中柱弯曲破坏的一个主要原因是其弯曲延性不足。大开、止泽等地铁车站建设年代较早, 虽然设计抗弯强度安全系数很高, 但仍低于弹性设计理论中遭遇到预期地震烈度所需强
度, 延性的不足意味着混凝土中柱在反复循环载荷作用下, 经过几个周期变形后, 强度明显下降, 塑性铰区域内的混凝土压应力大于其无侧限抗压能力, 造成混凝土保护层剥落, 进而对搭接的箍筋失去约束作用, 无法控制核心混凝土的横向变形陆立军, 导致压碎区向核心区域扩展, 纵向钢筋屈曲, 强度迅速降低, 最后中柱因无法承载而破坏。
2 剪切破坏
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中柱剪切破坏受多种复杂因素影响, 混凝土的剪力传递、沿弯曲- 剪切斜裂缝处骨料的咬合程度、箍筋水平连接产生的桁架机制等都影响混凝土中柱截面的抗剪强度。如果产生桁架机制的箍筋发生屈服, 弯曲- 剪切裂缝宽度和数量将迅速扩展, 由骨料咬合作用产生的混凝土抗剪机理强度也随之折减, 造成混凝土剥落, 纵向钢筋受剪而变曲, 结果使中柱发生脆性剪切破坏。多数中柱出现剪切破坏的一个直接原因是: 在结构设计时, 中柱作为铰约束进行分析, 但实际上, 轴几钢筋深固于纵梁内部而形成刚性约束, 导致弯矩和剪切力大于设计值; 另外, 为承受较大轴力, 纵向钢筋配筋率较高, 使弯曲刚度增大, 而抗剪强度降低。
3 弯剪联合作用破坏
在强烈地震作用下, 由于中柱纵向钢筋过早被切断, 抗弯强度降低, 在离中柱固定端一定位置处形成塑性铰区域。在此区域内, 弯曲- 剪切裂缝宽度的增加使骨料间通过咬合所传递的抗剪能力丧失, 从而发生弯曲- 剪切破坏。
四 隧道的震害影响
1 明挖区间隧道的震害
神户地铁明挖区间隧道的典型结构形式为单层双跨箱形结构, 因而震害表现形式与地铁车站有很多相似之处, 如大量中柱弯曲、剪切破坏,但总体受灾程度比车站要轻微一些。同时, 在隧道区间段接缝部位震害严重, 造成这种破坏的原因可能是隧道纵向变形过大或由于场地土液化造成其在纵向上有不均匀沉降发生。此外, 在与震害严重的车站相接区段内的震害也比较严重。这种现象可推测为车站与隧道间的接头为应力迁移提供了通道, 造成相邻结构受到附加荷载而使其设计承载能力不足或加剧了其破坏程度。总结其震害, 有以下特点：
(1) 覆土较浅区段, 联合基因隧道震害较为严重, 如阪神地铁一段覆土较浅 2～ 3 m的区间, 约920 根中柱上下端部位处的混凝土保护层脱落, 在线路内可见由脱落混凝土堆成的土堆；
(2) 隧道中柱受灾程度比其它构件严重, 尤其是在与灾害严重车站相接区间隧道内, 如在高速长田站和大开站间靠近大开一侧, 约23 根的中柱出现剪切破坏, 破坏现象非常集中；
(3) 区间段接缝部位有明显垂直裂缝出现, 部分混凝土剥落, 可见内部钢筋, 漏水现象严重；
(4) 隧道侧壁中央和靠近上下两拐角部位, 有多条沿纵向延伸的明显裂缝, 最大延伸距离长达 100 m , 裂缝最大宽度为12～ 17 mm , 其出现在靠近大开站一侧, 另外在一些区段内还可见侧墙内鼓现象；
(5) 与受灾严重车站相连的区间隧道段内, 顶板与底板间的相对位移较大, 如在高速长田站和大开站间, 在靠近大开站一侧约140 m范围内, 顶底板间相对位移达6 cm以上, 最大可达20 cm , 而在高速长田站一侧, 相对位移不足2 cm 。
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