第二章 地下结构震害

第二章地下结构震害第一节引言1995年阪神地震中，神户市部分地铁车站和区间隧道受到了不同程度的破坏。其中大开站最为严重，一半以上的中柱完全倒塌．导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量达2.5m之多。破坏主要发生于7度烈度区域内。然而和地面结构相比较，地铁隧道的破坏仍属轻微，尤其是盾构隧道，破坏非常轻微。地下管道在现代化工业生产和人民生活中占有重要的地位，并在输水、油、气(汽)、煤、排水以及通信、供电、交通运输等方面得到了广泛的应用。地下管道发生震害时，将给国计民生带来重大损失和人员伤亡。1906年美国旧金山地震时，三条主要输水管道遭到破坏，城市配水管网发生上千处破裂，导致消防水源断绝，以致由地震引起的火灾无法及时扑灭，大火燃烧了三天二夜，造成800人死广，财产损失4亿美元。1923年日本关东地震时，东京市40％的损失系由地震引起的火灾造成。1933年长滩地震时，3月19日晚的19处大火中有7处被认为是由管道或煤气装置破坏引起。1971年2月美国圣非尔南多市在发生的6.6级地震中，煤气管、水管等受到严重破坏；以该地震为契机，许多国家相继成立“生命线地震工程’’研究机构，在此以后召开的世界性或地区性的地震会议上，有关生命线地震工程的论文如雨后春笋勃然兴起。1975年海城地震(ML7.3)中，营口市(8度区)150多公里管道破坏达372处，配水管网大量漏水，正常供水量和水压均不能保证，有的甚至中断供水，平均震害率为2.4处／km，经一个多月抢修才恢复正常；盘锦地区(7度区)直埋大口径钢管66.5km，焊口断裂21处，破坏率达0.31处／km，丝扣连接的小口径管道破坏率为16处／km；铸铁管道为0.8处／km。1976年唐山地震(ML7.8)中，唐山市给水系统全部瘫痪，经—个月抢修才基本恢复供水；秦京输油管道发生5处破坏。1985年墨西哥地震(ML8.1)中，不同材质的各种管道均有破坏(包括钢管道)，其中煤气干管断裂引起煤气爆炸，市政管网煤气管道断裂引起火灾，且因供水管网损坏，救火很困难。1995年日本阪神地震(ML7.2)中，神户市及阪神地区几座城市的供水系统和污水排放系统受到严重破坏，其中神户市供水系统完全破坏，并丧失基本功能。可见，地震对地下管道系统的破坏，不仅在高烈度区可对国计民生造成灾难性危害，在低烈度区也可对国民经济带来重大损失。震害调查的目的，是为了归纳地下结构的震害的类型和影响因素，据以分析结构发生破坏的机理，为建立合理的分析模型和建议设计方法提供启示。地下结构的地震震害有两种类型:(1)由地震波传播引起(地震波引起的地下结构的轴向和弯曲变形);(2)地震造成的地基变形(断层错动、滑坡、液化)所引起。后一种震害应在地下结构选线布置时设法避免或对地基采取加固措施。地下结构的抗震设计主要考虑前一种震害DowdingC.H.统计了美国加州、阿拉斯加州以及日本等71座岩石地基上由于地震波动产生的隧洞震害事例。洞径大部分D＝3~6m；地震震级M=5.8~8.3。阪神地震中高速地铁车站震害唐山地震中地下巷道震害第二节地下铁道的震害一、地铁车站的震害神户高速铁路的六个地铁车站中，大开站和长田站受灾较严重，其他车站受灾较轻，仅混凝土结构出现裂缝。根据破坏情况可将车站分成三个区域：区域A、区域B和区域C。A区域为长田站一侧的一层标准结构，破坏最为严重，大部分中柱几乎全被压坏。其中顶板中央稍微偏西的位置塌陷量最大，整体断面形状变成了M形。顶板的塌陷导致上方与其平行的一条地表主干道在长90m的范围内发生塌陷，最大值达2．5m。柱子在上端、下端或两端附近发生破坏后，形状都像被压碎的灯笼。B区域为二层构造(图2.5(b))，破坏最轻。C区域的结构形式与A区域相似，但破坏程度轻于A区域。在C区域，中柱下部发生剪切破坏，轴向钢筋被压曲(图2.5(c))，使上顶板下沉了5cm左右。在这一区域内，侧壁未见有裂缝或混凝土脱落。二、地铁区间隧道的震害侧壁与上楼板交汇部位的混凝土剥落，露出钢筋。中柱上下端部位的混凝土保护层剥离脱落。损伤主要形式有：弯曲破坏，柱子上下端水泥保护层被压坏和脱落；轴向钢筋弯曲；因剪切作用而出现斜向龟裂和破坏等。对明挖地铁区间隧道受损情况作归纳，有以下共同点：(1)离地表都较近，覆土厚度不到10m；(2)位于烈度为7的区域；(3)处于绳文期低湿地带，表层地基比较柔软；(4)除特殊地点外，建造时没有对区间隧道的抗震性作详细考虑；(5)都是RC箱形构造，多数没有中柱；(6)RC中柱抗剪强度和抗变形能力低。三、地下铁道震害的原因在阪神地震中，地下铁道车站和区间隧道的震害主要形式可归纳为：中柱开裂、坍塌，顶板开裂、坍塌，以及侧墙开裂等。震害影响因素主要有：(1)地质状况；(2)海岸低地带的地层层序；(3)垂直及水平振动的影响；(4)结构和建材的影响；(5)覆土层厚度的影响；(6)地基的影响；(7)结构形式。第三节地下管道震害一、地下供水管线的震害根据1995年兵库县南部地震中阪神地区供水管线破坏的情况．可知其破坏特点可归纳为：(1)直径相对小的管道多数容易发生破坏；(2)石棉水泥管和聚乙烯管的破损率很高；(3)接头脱位现象十分严重，其中铸铁管接头脱位通常在陈旧的铅制机械接头处发生；(4)地层液化可导致管道严重破坏，然而带有抗震接头的延性铸铁管道即使在液化区也末遭到破坏，这类接头的抗震可靠性得到了验证；(5)诸如阀门、消防栓等管道附件的破坏情况十分严重，可见应进一步提高管道附件的强度。二、地下排水管道的震害不同材质的管线的损坏情况为：(1)粘土陶管：管体塌落；(2)混凝土管：接头破裂，管体沿周向出现破裂和断裂，或沿轴线走向出现破裂；(3)PVC管(聚氯乙烯管)：管体坍塌，管体沿周向和纵向出现破裂，管体接头突出或脱落，侧向排水管伸入管路；(4)FRPM管(纤维增强塑性胶砂管)：管体塌落或在管体上出现螺旋形的破裂。检查井被毁坏，主要特点为发生水平移动，砖砌体破裂或坍塌，混凝土底座塌陷，管道进入检查井，井壁被剪裂，钢制井盖发生水平移动等。位于液化区的检查井未见因地层液化而有大的水平移动，但因周围土壤液化沉降，检查井高出了地面。与以往地震破坏报道相比较，此次地震中地下排水管线破坏情况有如下新特点：(1)许多干线被毁坏，导致排水中断；(2)无论管径多大和埋置深度为多少，混凝土管和PVC管都有纵向破裂现象；(3)盾构隧道的混凝土内衬和用顶管法安置的混凝土管路都有破裂现象；(4)几乎所有穿过水道的吸虹管都发生了坍塌；(5)检查井的砖砌体、管道和井盖各自发生移动，造成相互错位；(6)用PVC和FRPM制成的柔性塑料管的毁坏程度与混凝土管的毁坏程度相当。三、地下输油、输气管道的震害焊接钢管管线的震害有如下特点：(1)老式氧炔焊接钢管易受地震破坏，尤其在有液化、断层错动和滑坡现象的地区，破坏率非常高。根据现场调查，发现地震造成的地表移动和永久变形对氧炔焊接钢管的破坏的影响也很大。(2)非保护电弧焊钢管管线受震害破坏较小，即使在地表出现永久变形的地区，其破坏率也较低。(3)保护电弧焊钢管管线受震害破坏最小，仅在地表出现非常大的变形的区域，才可见其有破坏现象出现。(4)破坏多数发生在焊接部位，钢管管段本身受震害破坏较小。四、排水盾构隧道的震害鸣尾御影污水盾构干线隧道震害的特点可归纳为：(1)基本上震害很轻；(2)二次衬砌喷混凝土沿管轴方向在上下、左右和斜向部位出现宽0.2-1.0mm的裂缝，裂缝主要始于扇形管片的接头部位；(3)二次衬砌喷混凝土上可见沿周向宽0.2-0.3mm的环形裂缝，裂缝主要出现在扇形管片的接头部位和混凝土施工缝的所在位置；(4)钢制扇形管片未见有变形，但能看到地震时其曾出现轻微错位的痕迹，地震后恢复；(5)地震时扇形管片接头部位出现了弹性错位，由此引起刚性二次衬砌喷混凝土出现裂缝；(6)与东西方向管道相比，南北方向的管道裂缝较多；(7)置于平缓的冲积砂土及冲积粘土中的隧道发生了最大值约10cm的不等量下沉，原因似与地层液化有关；(8)曲线部分变形很大，且整个盾构隧道在水平方向上被弯曲。五、地下管道震害的原因地下管道通常由管段和管道附件(弯头、三通和阀门等)组成，地震时一般有三种基本破坏类型：管道接口破坏；管段破坏；管道附件以及管道与其他地下结构连接的破坏。其中以管道接口(或接头)破坏居多。接口是抗震能力的薄弱环节。管道接口通常可分刚性接口和柔性接口两类。其中刚性接口有焊接、丝扣连接和用青铅、普通水泥、石棉水泥等作为填料的连接形式等。采用橡胶圈的承插式接口和法兰连接接口属于柔性接口。震害调查表明柔性接口的震害率明显低于刚性接口，原因是前者允许产生较大的变形，具有良好的延性。接口破坏形式有接头拉开(或拔脱)、松动、剪裂、倒塌和承口拼裂等；管段破坏形式则有管段开裂(纵向裂缝、环向裂缝和剪切裂缝等)、折断、拉断、弯曲、爆裂、管体结构崩塌、管道侧壁内缩和管壁起皱等。根据以往的经验，除管体自身性质外，地震引起地下管道破坏的原因可分为两类：由场地破坏造成的破坏及由强烈的地震波的传播造成的破坏。场地破坏导致破坏的直观原因有：大地的构造性运动，如断层滑动、地壳构造性上升或沉陷等；砂土液化、土的侧向移位、土体震密及土层震裂等。(一)地震烈度在相同场地土条件下，平均震害率随地震烈度的增加而增加。一般情况下，地震烈度达到7度以上可对管道造成明显的破坏。(二)地震波动效应平行于地震波传播方向的地下管道比垂直于地震波传播方向的地下管道损坏严重。地下管道在地震波作用下损坏的原因，主要是管段两点之间的运动不同。导致管道两点间运动不同的原因，首先是沿管道土性不同和衰减作用等造成地震波形的改变；其次是地震波到达的时刻不同，两点的运动相位也不同。垂直于地震波传播方向的管道因相位基本相同，故震害较轻。平行于地震波传播方向的地下管道因有相位差，震害通常相对严重。(三)埋深多数情况下，地下管道的破坏随埋深的增加而减小。(四)场地土特性及地貌特征填土层中的管道破坏最多，冲积层次之。软土地层中管道破坏现象广泛存在，由土质液化引起的破坏性也很大基岩层中的管道的破坏比预想的要大。1．断层滑移与震害由于断层滑动、滑坡和液化使地下管道损坏严重。2．砂土液化与震害一些液化试验表明地下管道具有下列性能：在不完全液化土中的地下管道的加速度和弯曲应变值大于在完全液化土中的数值。久保等人对1982年日本海中部地震时管道的震害得出结论：永久性位移对管线的损坏比土体由波动产生的相对位移(由地震波和沿管线长度方向土壤特性的不均匀引起)是更加直接的原因。3．不均匀沉降与震害地震中经常可见因震密产生的和回填土固结压密引起的不均匀沉降导致地下管线受损的实例。这种灾害大部分都集中在管与人孔或其他构筑物的连接处、地基产生差异沉降处和接头部位。(五)管材、口径和管道构造特点钢管道破坏率最低，石棉水泥管道次之。大量震害资料表明，随着地震烈度的增加，不同材质的管道的损坏率将接近。如在地震烈度为10-11度时，铸铁管道和钢筋混凝土管道的破坏率和钢管的破坏率基本相等。地下管道的抗震性在很大程度上取决于管道的口径，现有震害记录中80％以上的损坏或破坏发生在口径小于200mm的地下管道中。其原因，主要是小口径管道在土中受到约束作用比口径300mm以上的管道高得多。资料表明，在考虑地下管线抗震方面，应充分注意调查地质情况，包括分析地基稳定性、地基液化、存在断层与否等。应尽可能避开在地基不稳定之处设置管道。无选择余地时，应采取措施加固地基，或注意提高地下管线自身的抗震性。第四节其他地下结构的震害一、地下街的震害主要是与电气、空凋、给排水和防灾的设备有关的破坏，而主体构造没有受到破坏。二、地下停车场的震害破坏集中于停车场主体与吸排气塔、楼梯间的接合部位附近。这是由于刚度的差异造成不同的动态反应，从而在二者的接合部位发生相对位移。三、铁路、公路隧道的震害根据吉川日本铁路隧道震害情况研究认为：若隧道经历强烈地震；隧道坐落在地震断裂带；并且该隧道有特殊的地质或构造条件，那么隧道仍将可能被破坏。后者泛指隧道周围场地土有软弱层或隧道