地下结构震害类型及机理研究
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另一种是结构在地震惯性力作用下而产生的破坏。 其中，第一种类型的破坏多数发生在岩性变化较大、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 中；第二种类型的破坏多数发生在洞口附近，这时地震惯性 力的作用表现的比较明显。 有时，在地下结构的洞口附近和浅埋地段可能还会受到 上述双重类型的破坏作用。前述神户大开车站的破坏即属 此种，由于竖向地震作用比较大，车站中部呈 " 字形向上顶 起，随之的反作用力将车站顶板向下压，形成 # 形沉陷，结 果中柱承受不了由此而产生的荷载，同时又由于地震时地层 产生水平振动，地铁车站随之振动，而车站顶、底板处的地层 水平位移不一致，在车站的顶、底板处产生相对位移，使中柱 在剪切力和弯矩的作用下剪切破坏，两方面的综合作用使得 柱子丧失承载力，导致顶板塌陷。
在阪神大地震中，山岭隧道也遭到了严重的破坏。主要 场地土壤条件有关。
是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂。许多建于 %"世纪&"年代的隧道，由于设计时未考虑浅埋地层变形的影 响，隧道结构的变形性能不能承受这次大地震，拱顶部分发生 较严重的剪切裂纹及剥落，隧道横断面方向发生混凝土片的
%+%+% 隧道的破坏形式 （’）衬砌的剪切移位。当隧道建在断层破碎带上时，常
【关键词】 地下结构 震害类型 震害机理
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*+!级地 震，那 次 大 地 震 造 成%!*(人 死 亡，’""""多人 受 伤，!""""多座建筑物倒塌。地震发生后，通过对台中地区 (*座山岭隧道进行调查，发现除了,座隧道未受损坏外，其 余-)座都有不同程度的损坏，而且表现出不同形式的损坏， 如衬砌开裂、衬砌剥落、洞门破坏、地下水涌入、钢筋鼓出及
水隧道在进水口下游’,"#处发生了剪切滑移，如图%所示， 隧道在竖直方向分开-#，在水平方向分开!#，整个隧道发 生严重破坏。
弯曲、衬砌移位、底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌。
地下管线的震害也是一个不可忽视的问题，例如：
’)*(年 海 城 地 震 中，营 口 市’("多 公 里 供 水 管 道 破 坏 !*%处，平均震害率为%-处／公里，经一个多月抢修才恢复正 常供水。
（$）围岩 失 稳，主 要 指 围 岩 的 变 形、差 异 位 移、震 害 和 液化；
（%）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。
因此，围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两 种主要原因。
对于同一程度的大地摇动而言，如果仅论及结构的惯性 力，地下结构要比地面结构安全的多。这是因为地下结构处 于周围地层的约束之中，并与地层一起运动。因而，地下结 构在地震运动过程中，仅仅按照其相对于地层的质量密度和 刚度分担一部分地震变形和荷载，而不像地面结构那样，承 担全部的惯性力。
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%引 言
地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为 具有良好的抗Hale Waihona Puke Baidu性能（相对于地面结构而言），因而在很长时 期之内，对地下结构的震害问题远不如地面结构那样受到重 视。但是随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁 出现，地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的 高度重视，特别是GHHI年日本阪神大地震后，由于神户市地 铁结构发生严重破坏，引起众多地震学者的关注，使地下结 构震害研究出现了前所未有的热潮。
就地下结构的横截面而言，在岩石地层中，由于地下结 构的质量密度和岩石相比并没有显著差异，所以，地下结构 洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低，而处于地层约束 较弱的洞口及浅埋地段，破坏发生的概率一般较高。洞身结 构之所以有惯性力破坏的现象发生，主要是由于地下结构与 地层之间出现了较大的空隙而消弱了地层的约束作用，因而
形造成的隧道破坏。这种变形可以造成边墙衬砌的大量开
裂，甚至导致边沟的倒塌。
图! 衬砌横向裂损图 图" 衬砌斜向裂损图
(!) 地下结构震害的主要类型
通过对地下结构震害表现形式及具体发生条件的研究， 人们将因地震造成的地下结构破坏分为两种类型：
一种是由于围岩变位而在地下结构中产生强制变形所 引起的破坏，如衬砌的剪切移位；
’)*&年唐山地震中，唐山市给水系统全部瘫痪，秦京输 油管道发生(处破坏。
’),(年 墨 西 哥 地 震 中，地 震 引 起 不 同 质 材 的 各 种 管 道 均遭到破坏（其中包括钢管道），其中煤气干管断裂引起煤气
图! 衬砌剪切移位图 （%）边坡破坏造成的隧道坍塌，如图!所示。
爆炸，市政管网煤气管道断裂引起火灾，且因供水管网损坏，
图% 神户高速铁道大开站的震害情况
中国安全科学学报
第’!卷
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%""!年
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约!"根完全破坏，顶板下沉约!#，隧道断面变成 $ 形。隧 道的中柱上端或下端混凝土剥落，钢筋弯曲。在线路方向及
组成，地震时一般有!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处破坏。 其中以管道接口（或接头）破坏居多。与管段本身强度相
比，接口是抗震薄弱环节。管道接口通常分刚性接口和柔性
接口两种。其中刚性接口有焊接、丝扣连接等，采用橡胶圈的
承插式接口和法兰连接接口属于柔性接口。震害表明，柔性
图# 衬砌环向裂损图 图$ 底板裂损图
图% 孔口附近衬砌裂损图
万方数据 图&’ 边墙变形
) 地下结构震害的机理分析
现场调查表明，地下结构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 条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以 及施工过程中是否出现坍方等有密切关系。根据以往地下 结构在地震中所表现的行为可知，地震的主要或次要效应均 可使隧道结构遭受破坏。这些效应包括两个方面：
脱）、松动、剪裂、坍塌等。管段的破坏形式有管段开裂（纵向 裂缝、环向裂缝和剪切裂缝等）、折断、拉断、弯曲、爆裂，管体
垂直方向上，轴向钢筋鼓出，箍筋也有许多破坏的，在侧壁的 结构坍塌，管道侧壁内缩，管壁起皱等。管道破坏率及破坏形
隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏。
式因管道材料、接头形式等管道本身特点而有差异，并与周围
中国安全科学学报
第!#卷
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"$$#年
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（北京交通大学土木建筑工程学院）
学科分类与代码：!"#$%#&#
【摘 要】 地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为具有良好的抗震性能。但是，随着地下
结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视，笔 者通过对大量地下结构震害的分析研究，对地下结构震害进行了分类，并研究了震害的影响因素及机理，以期为地 下结构的抗震设计提供科学依据和有益的参考。
接口的震害率明显低于刚性接口，其原因是前者可以产生较
大的变形，具万有方良数好据的延性。接口破坏形式有接头拉开（或拔
图# 衬砌纵向裂损图 （-）边墙变形。如图’"所示为由于显著的边墙向内变
第十一期
王 秀 英 等 ：地 下 结 构 震 害 类 型 及 机 理 研 究
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成祸患。
GHHI年 在 日 本 阪 神 大 地 震 中，地 铁 结 构 发 生 了 很 大 破 坏，车站结构破坏尤为明显。
图G所示为神户高速铁道大开车站的震害情况，该车站 用明挖法于GHLP年建成，中间柱（<PKKQ5GKKK33，OBI3）
" 地下结构震害的主要类型
"B% 概 述 JK世纪万LK方年数代据以来，从我国地震历史的震害资料可知，
救火很困难。
’))(年 日 本 阪 神 地 震 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其基本功能。
!+! 地下结构震害的主要表现形式
通过对地下结构的震害进行调查分析，归纳出地下结构 震害的主要表现形式有地下管道的破坏和隧道的破坏。 %+%+’ 地下管道的破坏形式
常会发生这种形式的破坏。在“)·%’”地震中，位于断层带上 的一座输水隧道就发生了这种破坏。由于断层的移位，该输
剥落。如山阳新干线的六甲隧道，长’&%!(#，横切六甲断层 系，地震后隧道的水泥内壁有众多裂缝，裂缝长达数十米的地
方有!处，隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝。 ’)))年)月 %’ 日，我国 台 湾 省 台 中 地 区 发 生 了 里 氏
笔者通过对大量地下结构震害的分析研究，对地下结构 震害进行了分类，并研究了震害的影响因素及机理，以期为 地下结构的抗震设计提供参考。
我国约有GIMJ@3的铁路曾经受了N!GG度地震的考验，当 地震烈度为N度时，就有隧道发生轻微破坏的先例，而且洞 身破坏极难修复，中断行车，造成巨大经济损失。
GHMO年I月GH日，震 中 距 上 海 市GIK@3以 外 的 洋 面 上 发生里氏L级地震时，上海市打浦路管片隧道出现了I条可 见裂缝，泥水挤入隧道与竖井的结合部，经及时堵塞，才未造
地下管道主要由管段和管道附件（弯头、三通和闸门等）
图" 边坡破坏造成的隧道坍塌
（!）衬 砌 开 裂。 在 地 震 中，衬 砌 开 裂 是 最 常 发 生 的 现 象。这种形式的衬砌破坏又可分为纵向裂损（见图-）、横向 裂损（见图(）、斜向裂损（见图&）、斜向裂损进一步发展所致 的环向裂损（见图*）、底板裂损（见图,）以及沿着孔口如电 缆槽、避车洞或避人洞发生的裂损（见图)）。
第GO卷 第GG期
中国安全科学学报
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地下结构震害类型及机理研究
王秀英 刘维宁 张 弥
在阪神大地震中，山岭隧道也遭到了严重的破坏。主要 场地土壤条件有关。
是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂。许多建于 %"世纪&"年代的隧道，由于设计时未考虑浅埋地层变形的影 响，隧道结构的变形性能不能承受这次大地震，拱顶部分发生 较严重的剪切裂纹及剥落，隧道横断面方向发生混凝土片的
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【关键词】 地下结构 震害类型 震害机理
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水隧道在进水口下游’,"#处发生了剪切滑移，如图%所示， 隧道在竖直方向分开-#，在水平方向分开!#，整个隧道发 生严重破坏。
弯曲、衬砌移位、底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌。
地下管线的震害也是一个不可忽视的问题，例如：
’)*(年 海 城 地 震 中，营 口 市’("多 公 里 供 水 管 道 破 坏 !*%处，平均震害率为%-处／公里，经一个多月抢修才恢复正 常供水。
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（%）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。
因此，围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两 种主要原因。
对于同一程度的大地摇动而言，如果仅论及结构的惯性 力，地下结构要比地面结构安全的多。这是因为地下结构处 于周围地层的约束之中，并与地层一起运动。因而，地下结 构在地震运动过程中，仅仅按照其相对于地层的质量密度和 刚度分担一部分地震变形和荷载，而不像地面结构那样，承 担全部的惯性力。
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地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为 具有良好的抗Hale Waihona Puke Baidu性能（相对于地面结构而言），因而在很长时 期之内，对地下结构的震害问题远不如地面结构那样受到重 视。但是随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁 出现，地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的 高度重视，特别是GHHI年日本阪神大地震后，由于神户市地 铁结构发生严重破坏，引起众多地震学者的关注，使地下结 构震害研究出现了前所未有的热潮。
就地下结构的横截面而言，在岩石地层中，由于地下结 构的质量密度和岩石相比并没有显著差异，所以，地下结构 洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低，而处于地层约束 较弱的洞口及浅埋地段，破坏发生的概率一般较高。洞身结 构之所以有惯性力破坏的现象发生，主要是由于地下结构与 地层之间出现了较大的空隙而消弱了地层的约束作用，因而
形造成的隧道破坏。这种变形可以造成边墙衬砌的大量开
裂，甚至导致边沟的倒塌。
图! 衬砌横向裂损图 图" 衬砌斜向裂损图
(!) 地下结构震害的主要类型
通过对地下结构震害表现形式及具体发生条件的研究， 人们将因地震造成的地下结构破坏分为两种类型：
一种是由于围岩变位而在地下结构中产生强制变形所 引起的破坏，如衬砌的剪切移位；
’)*&年唐山地震中，唐山市给水系统全部瘫痪，秦京输 油管道发生(处破坏。
’),(年 墨 西 哥 地 震 中，地 震 引 起 不 同 质 材 的 各 种 管 道 均遭到破坏（其中包括钢管道），其中煤气干管断裂引起煤气
图! 衬砌剪切移位图 （%）边坡破坏造成的隧道坍塌，如图!所示。
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图% 神户高速铁道大开站的震害情况
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接口两种。其中刚性接口有焊接、丝扣连接等，采用橡胶圈的
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图# 衬砌环向裂损图 图$ 底板裂损图
图% 孔口附近衬砌裂损图
万方数据 图&’ 边墙变形
) 地下结构震害的机理分析
现场调查表明，地下结构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 条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以 及施工过程中是否出现坍方等有密切关系。根据以往地下 结构在地震中所表现的行为可知，地震的主要或次要效应均 可使隧道结构遭受破坏。这些效应包括两个方面：
脱）、松动、剪裂、坍塌等。管段的破坏形式有管段开裂（纵向 裂缝、环向裂缝和剪切裂缝等）、折断、拉断、弯曲、爆裂，管体
垂直方向上，轴向钢筋鼓出，箍筋也有许多破坏的，在侧壁的 结构坍塌，管道侧壁内缩，管壁起皱等。管道破坏率及破坏形
隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏。
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接口的震害率明显低于刚性接口，其原因是前者可以产生较
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GHHI年 在 日 本 阪 神 大 地 震 中，地 铁 结 构 发 生 了 很 大 破 坏，车站结构破坏尤为明显。
图G所示为神户高速铁道大开车站的震害情况，该车站 用明挖法于GHLP年建成，中间柱（<PKKQ5GKKK33，OBI3）
" 地下结构震害的主要类型
"B% 概 述 JK世纪万LK方年数代据以来，从我国地震历史的震害资料可知，
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系统完全破坏并丧失其基本功能。
!+! 地下结构震害的主要表现形式
通过对地下结构的震害进行调查分析，归纳出地下结构 震害的主要表现形式有地下管道的破坏和隧道的破坏。 %+%+’ 地下管道的破坏形式
常会发生这种形式的破坏。在“)·%’”地震中，位于断层带上 的一座输水隧道就发生了这种破坏。由于断层的移位，该输
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方有!处，隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝。 ’)))年)月 %’ 日，我国 台 湾 省 台 中 地 区 发 生 了 里 氏
笔者通过对大量地下结构震害的分析研究，对地下结构 震害进行了分类，并研究了震害的影响因素及机理，以期为 地下结构的抗震设计提供参考。
我国约有GIMJ@3的铁路曾经受了N!GG度地震的考验，当 地震烈度为N度时，就有隧道发生轻微破坏的先例，而且洞 身破坏极难修复，中断行车，造成巨大经济损失。
GHMO年I月GH日，震 中 距 上 海 市GIK@3以 外 的 洋 面 上 发生里氏L级地震时，上海市打浦路管片隧道出现了I条可 见裂缝，泥水挤入隧道与竖井的结合部，经及时堵塞，才未造
地下管道主要由管段和管道附件（弯头、三通和闸门等）
图" 边坡破坏造成的隧道坍塌
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