汶川地震區(qū)典型公路隧道襯砌震害類型統(tǒng)計(jì)分析

崔光耀，王明年，林國進(jìn)，王維嘉，張 丹

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川省交通廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041）

0 引言

5.12汶川特大地震重災(zāi)區(qū)范圍超過10×104km2，死亡和失蹤人數(shù)8萬余人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失8451×108元。地震造成了21條高速公路和16條國省干線公路的隧道、橋梁、路基、路面等結(jié)構(gòu)物不同程度受損，其中隧道受損比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了抗震救災(zāi)的進(jìn)行和災(zāi)后重建。本文主要對(duì)已經(jīng)收集的震區(qū)公路隧道震害資料進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和初步分析［1-10］，這對(duì)于進(jìn)一步研究汶川地震災(zāi)區(qū)公路隧道震害機(jī)理以及高烈度地震區(qū)抗減震技術(shù)都有著重要的意義。

1 汶川地震區(qū)公路隧道震害調(diào)查基本情況

到目前為止，已經(jīng)對(duì)14條線路（都映高速、綿廣高速、G108線廣元至棋盤關(guān)段、G213線都映段、G213線映汶段、G213線川主寺至汶川段、G317線汶馬段、S101線中閬段、S105線安昌至北川段、S105線北川至青川段、S303線映日段、S306線漢源至峨眉山段、劍閣至青川公路和都江堰至龍池公路）40座隧道進(jìn)行了震害資料收集，已經(jīng)進(jìn)行震害資料整理分析的有37座隧道（未進(jìn)行震害資料整理分析的為：酒家埡隧道、牛角埡隧道和龍池隧道）。

為了更好的對(duì)隧道洞身段震害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，將隧道洞身段分為隧道普通洞身段（不含斷層破碎帶的洞身段）和隧道斷層破碎帶洞身段。將隧道普通洞身段簡(jiǎn)稱為隧道洞身段，隧道斷層破碎帶洞身段簡(jiǎn)稱為隧道斷層破碎帶段，以下分析均采用簡(jiǎn)稱。

在已經(jīng)收集的14條線路中隧道洞身段發(fā)生震害的有5條線路（都映高速、G213線都映段、S105線北川至青川段、劍閣至青川公路和都江堰至龍池公路）。現(xiàn)以震害最為嚴(yán)重且震害資料已經(jīng)整理的都映高速和G213線都映段公路進(jìn)行說明，隧道位置見圖1。

1.1 都映高速公路隧道基本情況

都映高速公路共有4座隧道，即紫坪埔隧道（K13+385～K17+466）、龍洞子隧道（K19+682～K20+706）、龍溪隧道（K21+422～K25+113）和臥龍連接線燒火坪隧道（K0+156.5～K0+607），它們均位于11度地震烈度區(qū)，其中紫坪埔隧道、龍洞子隧道和龍溪隧道穿越斷層破碎帶。

1.2 G 213線都映段公路隧道基本情況

G213線都映段公路共有3座隧道，即馬鞍石隧道（K2+810～K3+290）、友誼隧道（K1028+330～K1029+280）、白云頂隧道（K1020+240～K1020+646），其中友誼隧道和白云頂隧道位于10度地震烈度區(qū)，馬鞍石隧道位于11度地震烈度區(qū)，其中友誼隧道穿越斷層破碎帶。

圖1 都映高速公路和G 213線都映公路隧道位置示意圖Fig.1 The position schematic diagram of Dujiangyan-Yingxiou expressway and G 213 Du jiangyan-Yingxiou highway

2 隧道拱部襯砌震害類型的統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 隧道拱部襯砌震害長度及比例

隧道拱部襯砌震害長度及比例見表1。

表1 隧道拱部襯砌震害長度及比例Table 1 The earthquake dam age length and the proportion of tunnel arch lining

由表1知，都映高速及G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段拱部襯砌震害長度所占總長比例均大于洞身段。

2.2 隧道洞身段拱部襯砌震害類型及比例

都映高速和G213線都映段公路隧道洞身段拱部襯砌震害類型及比例見表2。

表2 隧道洞身段拱部襯砌的震害類型及比例Table 2 The earthquake dam age type and the proportion of arch lining of tunnel hole body

由表2可知，都映高速公路隧道洞身段拱部襯砌的震害類型以襯砌開裂和襯砌垮塌為主，分別占總長的9.23％和5.16％；G213線都映段公路隧道洞身段拱部襯砌的震害類型以襯砌開裂和襯砌垮塌為主，分別占總長的3.81％和4.09％。

2.3 隧道斷層破碎帶段拱部襯砌震害類型及比例

都映高速和G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段拱部襯砌震害類型及比例見表3。

表3 隧道斷層破碎帶段拱部襯砌的震害類型及比例Table 3 The earthquake dam age type and the proportion of arch lining of tunnel fault fracture zone

由表3可知，都映高速公路隧道斷層破碎帶段拱部襯砌的震害類型以襯砌開裂為主，占總長的19.40％；G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段拱部襯砌的震害類型以襯砌垮塌為主，占總長的27.70％。

3 隧道邊墻襯砌震害類型的統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 隧道邊墻襯砌震害長度及比例

隧道左右邊墻襯砌震害長度及比例見表4。

由表4知，都映高速及G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段左右邊墻襯砌震害長度所占總長比例均大于洞身段。

表4 隧道邊墻襯砌震害長度及比例Table 4 The earthquake dam age length and the proportion of tunnel side wall lining

3.2 隧道洞身段邊墻襯砌震害類型及比例

都映高速和G213線都映段公路隧道洞身段左右邊墻襯砌震害類型及比例見表5。

表5 隧道洞身段邊墻襯砌的震害類型及比例Table 5 The earthquake dam age type and the proportion of side wall lining of tunnel hole body

由表5可知，都映高速公路隧道洞身段左右邊墻襯砌的震害類型均以襯砌開裂為主，分別占總長的4.57％和4.98％；G213線都映段公路隧道洞身段左右邊墻襯砌均以襯砌開裂為主，分別占總長的8.44％和8.22％。

3.3 隧道斷層破碎帶段邊墻襯砌震害類型及比例

都映高速和G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段左右邊墻襯砌震害類型及比例見表6。

表6 隧道斷層破碎帶段邊墻襯砌的震害類型及比例Table 6 The earthquake dam age type and the proportion of side wall lining of tunnel fault fracture zone

由表6可知，都映高速公路隧道斷層破碎帶段左右邊墻襯砌的震害類型均以襯砌開裂為主，分別占總長的9.92％和7.87％；G213線都映公路隧道斷層破碎帶段左右邊墻襯砌的震害類型均以襯砌垮塌為主，均占總長的27.70％。

4 隧道仰拱震害類型的統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 隧道仰拱震害長度及比例

隧道仰拱震害長度及比例見表7。

表7 隧道仰拱震害長度及比例Table 7 The earthquake dam age length and the proportion of tunnel inverted arch

由表7知，都映高速及G213線都映段公路隧道洞身段仰拱震害長度所占總長比例均大于斷層破碎帶段。

4.2 隧道洞身段仰拱震害類型及比例

都映高速和G213線都映段公路隧道洞身段仰拱震害類型及比例見表8。

表8 隧道洞身段仰拱的震害類型及比例Table 8 The earthquake dam age type and the proportion of inverted arch of tunnel hole body

由表8可知，都映高速公路隧道洞身段仰拱的震害類型以中央排水溝上覆仰拱填充、混凝土隆起和路面開裂為主，分別占總長的9.95％和8.78％；G213線都映公路隧道洞身段仰拱的震害類型以路面開裂為主，占總長的24.67％。

4.3 隧道斷層破碎帶段仰拱震害類型及比例

都映高速公路隧道斷層破碎帶段仰拱震害類型及比例見表9。G213線都映公路隧道斷層破碎帶段仰拱無破壞。

由表9可知，都映高速公路隧道斷層破碎帶段仰拱的震害類型以路面開裂為主，占總長的12.58％。

表9 都映高速公路隧道斷層破碎帶段仰拱的震害類型及比例Table 9 The earthquake dam age type and the proportion of inverted arch of tunnel fault fracture zone of Dujiangyan-Yingxiou expressway

5 隧道附屬結(jié)構(gòu)震害類型的統(tǒng)計(jì)與分析

5.1 隧道附屬結(jié)構(gòu)震害長度及比例

隧道附屬結(jié)構(gòu)震害長度及比例見表10。

表10 隧道附屬結(jié)構(gòu)震害長度及比例Table 10 The earthquake dam age length and the proportion of tunnel accessory structure

由表10知，都映高速公路隧道洞身段附屬結(jié)構(gòu)震害長度所占總長比例大于斷層破碎帶段；G213線都映段公路隧道洞身段附屬結(jié)構(gòu)震害長度所占總長比例小于斷層破碎帶段。

5.2 隧道洞身段附屬結(jié)構(gòu)震害類型及比例

都映高速公路隧道洞身段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽破壞，占總長的1.59％；G213線都映段公路隧道洞身段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽側(cè)墻向外傾倒、蓋板脫落，占總長的20.18％。

5.3 隧道斷層破碎帶段附屬結(jié)構(gòu)震害類型及比例

都映高速公路隧道斷層破碎帶段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽破壞，占總長的0.04％；G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽側(cè)墻向外傾倒、蓋板脫落，占總長的100％。

6 震害因素分析及抗震設(shè)防啟示

6.1 隧道震害因素分析

6.1.1 震中距

隧道震害不僅與震級(jí)有關(guān)還與震中距有關(guān)，7座隧道距離震中均不足60km，這是7座隧道在汶川地震中震害最為嚴(yán)重的一個(gè)原因。

6.1.2 地質(zhì)條件

G213線映汶段公路7座隧道（桃關(guān)隧道、草坡隧道等）位于震中映秀另一側(cè)，破壞較輕，調(diào)查發(fā)現(xiàn)其圍巖均為花崗巖等硬質(zhì)巖；而都映高速和G213線都映段公路7座隧道圍巖主要是砂、泥巖等軟弱破碎巖層。這說明圍巖為軟巖的隧道受地震破壞較重。

6.1.3 斷層

都映高速公路和G213線都映段公路7座隧道處在中央斷裂（映秀一北川斷裂）和龍門山前山斷裂之間，其中紫坪埔隧道、友誼隧道、龍洞子隧道和龍溪隧道穿越上述兩大地震斷層的次級(jí)斷層。龍溪隧道震害最為嚴(yán)重，原因就是其穿越的F8斷層上下盤出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)動(dòng)造成的，錯(cuò)動(dòng)還造成其洞口抬升近1m。震后F8斷層兩側(cè)各100m左右范圍出現(xiàn)塌方、襯砌坍塌、襯砌開裂及錯(cuò)臺(tái)、仰拱隆起等嚴(yán)重破壞。

6.1.4 豎向地震作用

以往地下結(jié)構(gòu)抗震均以水平地震為研究重點(diǎn)，現(xiàn)行規(guī)范也只考慮了水平地震作用。此次地震中都映高速公路和G213線都映段公路7座隧道拱部襯砌和仰拱出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞，如友誼隧道仰拱隆起嚴(yán)重、拱頂大面積壓潰，這都具有明顯豎向地震作用的特征。

6.1.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)

此次地震中二次襯砌為鋼筋砼結(jié)構(gòu)的震害明顯輕于素砼結(jié)構(gòu)，穿越斷層段最為明顯。龍溪隧道穿越斷層段襯砌結(jié)構(gòu)為素砼，穿越斷層段震害非常嚴(yán)重（塌方及襯砌大面積跨塌等等），而相鄰的紫坪鋪隧道和龍洞子隧道穿越斷層段結(jié)構(gòu)采用的是鋼筋砼，其震害就相對(duì)較輕（襯砌開裂、剝落以及掉塊等等）。

6.1.6 施工因素

友誼隧道在建設(shè)期間多次發(fā)生坍方及由于沉降變形造成的侵限，震后友誼隧道施工中出現(xiàn)事故的地段均出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，這說明施工質(zhì)量也是造成隧道震害的一個(gè)重要原因。

6.2 隧道抗震設(shè)防啟示

（1）高烈度地震區(qū)的隧道修建，隧道的選址十分重要。首先要避免直接穿越活動(dòng)斷裂帶，當(dāng)穿越次級(jí)斷層時(shí)，在斷層兩側(cè)應(yīng)采取一定的抗震措施，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)選用鋼筋砼；其次，隧址最好為硬質(zhì)圍巖。

（2）充分認(rèn)識(shí)豎向地震的作用，加強(qiáng)對(duì)豎向地震隧道震害機(jī)理以及抗震措施的研究。如合理的設(shè)置仰拱是一種減輕豎向地震作用的有效措施。

（3）采用鋼筋砼的支護(hù)結(jié)構(gòu)可以避免脆性破壞且震后易于搶通與修復(fù)。

（4）充分重視隧道的施工質(zhì)量。

7 結(jié)論

（1）都映高速公路隧道洞身段震害發(fā)生在拱部和仰拱較多，斷層破碎帶段震害以發(fā)生在拱部為主；G213線都映段公路隧道洞身段震害發(fā)生在仰拱和附屬結(jié)構(gòu)較多，斷層破碎帶段震害以發(fā)生在附屬結(jié)構(gòu)為主，仰拱處未發(fā)生震害。

（2）都映高速公路隧道斷層破碎帶段拱部、左右邊墻襯砌及G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段拱部、左右邊墻襯砌和附屬結(jié)構(gòu)震害長度所占總長比例均大于洞身段；都映高速公路隧道斷層破碎帶段仰拱、附屬結(jié)構(gòu)及G213線都映段公路隧道斷層破碎帶段仰拱震害長度所占總長比例均小于洞身段。

（3）隧道襯砌各部位震害的統(tǒng)計(jì)分析

①都映高速和G213線都映段公路隧道洞身段拱部襯砌的震害類型均以襯砌開裂和襯砌垮塌為主；斷層破碎帶段拱部襯砌的震害類型分別以襯砌開裂和襯砌垮塌為主。

②都映高速公路隧道洞身段及斷層破碎帶段左右邊墻襯砌的震害類型均以襯砌開裂為主；G213線都映段公路隧道洞身段左右邊墻襯砌均以襯砌開裂為主，斷層破碎帶段以襯砌垮塌為主。

③都映高速公路隧道洞身段仰拱的震害類型以中央排水溝上覆仰拱填充、混凝土隆起和路面開裂為主，斷層破碎帶段以路面開裂為主；G213線都映段公路隧道洞身段仰拱的震害類型以路面開裂為主，斷層破碎帶段仰拱無破壞。

④都映高速公路隧道洞身段及斷層破碎帶段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽破壞；G213線都映段公路隧道洞身段及斷層破碎帶段附屬結(jié)構(gòu)的震害類型均為溝槽側(cè)墻向外傾倒、蓋板脫落。

（4）對(duì)影響隧道震害的六個(gè)因素（震中距、地質(zhì)條件、斷層、豎向地震、支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工質(zhì)量）進(jìn)行了分析，并得出了一些抗震設(shè)防啟示及建議：避免直接穿越活動(dòng)斷裂帶，穿越次級(jí)斷層時(shí)，兩側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼；加強(qiáng)對(duì)豎向地震隧道震害機(jī)理以及抗震措施的研究；充分重視隧道的施工質(zhì)量等。

致謝：本文是在四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、中鐵西南科學(xué)研究院有限公司、安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中心等單位現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及檢測(cè)資料基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析，在此一并致謝!

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