山嶺隧道地震震害原因及抗減震工程措施淺析

李過

摘要：在“5?12”汶川大地震中，很多高烈度地區(qū)的鐵路隧道及公路隧道都遭受了嚴重的損壞，對震害實例進行收集并歸納分析得到了隧道震害的原因。同時以某單線鐵路隧道為例，通過地震系數(shù)法計算得到了隧道在地震作用下的破壞特點，分析其結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，對隧道抗減震工程措施進行了總結(jié)。

以前工程界一直認為隧道及地下結(jié)構(gòu)是抗震性能比較優(yōu)越的工程建筑。然而近幾十年隧道及地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害實例不斷增多。尤其西部山嶺隧道洞口段因其地質(zhì)條件差、覆蓋層薄以及存在邊坡滑坡、崩塌和泥石流等邊坡地質(zhì)災(zāi)害而更加容易受損，是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。如在“5?12汶川大地震”中，隧道的震害現(xiàn)象尤為明顯。寶成線、廣岳線等鐵路隧道及都汶公路、劍閣至青川公路的龍溪隧道、龍洞子隧道、酒家埡隧道等大量公路隧道由于處于高烈度地震區(qū)（烈度約Ⅶ-Ⅺ度），都遭受了嚴重損壞。

1 隧道震害原因分析

“5?12汶川大地震”中，隧道洞口區(qū)域震害主要為：洞口邊仰坡垮塌、掩埋洞口；邊仰坡防護、截排水溝開裂變形；洞口落石、局部邊仰坡地面開裂變形；洞門墻及洞口附近襯砌開裂等，見圖1和圖2。

對“5.12汶川地震”影響范圍內(nèi)的大量鐵路、公路隧道震害進行收集并歸類分析，認為其震害原因如下：（1）隧道洞口及洞口段是隧道工程的薄弱部位，由于地質(zhì)條件差，在邊仰坡開挖高陡或懸崖峭壁下的洞口，在隧道洞口工程處理范圍外的巖石經(jīng)長期風化剝蝕后，在地震過程中極易形成坍塌、落石等次生災(zāi)害，造成洞口堵塞，洞門結(jié)構(gòu)開裂、錯臺甚至損毀。（2）修建年代早、技術(shù)標準（建筑材料、襯砌結(jié)構(gòu)形狀等）低，抗震設(shè)防標準低、部分隧道施工質(zhì)量差以及隧道本身存在病害或質(zhì)量缺陷等是造成“5.12汶川地震”后，襯砌出現(xiàn)病害或病害加劇的重要原因。（3）隧道震害的產(chǎn)生與隧道附近的地質(zhì)構(gòu)造、地形條件密切相關(guān)。（4）“5.12汶川地震”震級高，震中附近地震烈度遠高于隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度，是造成震中附近隧道產(chǎn)生嚴重震害的主要原因。

2 抗減震工程措施研究

以某單線鐵路隧道工程為例，設(shè)計時速為140km/h，開挖跨度B=6.4m，隧道洞口段上方的覆蓋土層厚度約為1B（6.4m）。襯砌厚度0.4m，襯砌密度為25kN/m3，彈性模量為32.25e9N/m2；圍巖彈性模量150e6N/m2，密度19kN/m3，內(nèi)摩擦角45°。計算地震烈度分別為Ⅵ度（地震力水平作用系數(shù)為0.1g）、Ⅶ度（地震力水平作用系數(shù)為0.2g）、Ⅷ度（地震力水平作用系數(shù)為0.3g）和Ⅸ度（地震力水平作用系數(shù)為0.4g）。根據(jù)地震系數(shù)法的基本原理，建立荷載—結(jié)構(gòu)計算模型，得到在不同地震烈度條件下的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力，見圖3至圖6。

從圖3至圖6中可知：隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，襯砌在共軛45°方向上彎矩內(nèi)力值較大，而拱頂和仰拱中心卻相對小的多，即內(nèi)力最大值多發(fā)生在邊墻與仰拱銜接處，隧道斷面面積發(fā)生突變時的拱腰也是較大內(nèi)力值位置。這兩個部位是隧道結(jié)構(gòu)的薄弱點，在進行抗震設(shè)計時應(yīng)予以加強。

隧道抗減震主要工程措施如表1所示。

3 結(jié)語

在對 “5.12汶川地震”影響范圍內(nèi)的大量鐵路、公路隧道震害收集、調(diào)研的基礎(chǔ)上，進行了歸類分析，得到以下經(jīng)驗：（1）隧道埋深較淺的洞口段是隧道地震破壞的主要部位，隧道洞口段邊仰坡的垮塌、坍滑、危巖落石是對運營安全影響最大的震害，同時應(yīng)加強隧道洞門、洞口段結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用端墻式洞門。邊、仰坡的防危巖落石設(shè)計也應(yīng)納入抗震設(shè)計范圍。（2）隧道區(qū)域?qū)嶋H地震烈度與設(shè)防地震烈度相適應(yīng)時，隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生震害，建議對高地震烈度區(qū)隧道進行抗震能力驗算。（3）“5.12汶川地震”等地震顯示了，隧道洞口坡面以外地震過程產(chǎn)生大量的次生災(zāi)害，如：山體崩塌、危巖落石、流坍、滑坡復(fù)活等，建議增加對洞口不良地質(zhì)，如：滑坡、巖堆、順層，以及洞口其它在地震過程可能產(chǎn)生次生災(zāi)害的地質(zhì)條件進行地震安全評價，并采取相應(yīng)的抗震措施。（4）洞口軟硬圍巖接觸帶、松散堆積體地段應(yīng)重點設(shè)防，必要時應(yīng)擴大襯砌斷面，以便發(fā)生震害后可以及時進行修復(fù)，避免大拆大改。（5）隧道襯砌應(yīng)采用曲墻帶仰拱的襯砌形式，震區(qū)隧道應(yīng)設(shè)置變形縫，變形縫間距根據(jù)圍巖狀況調(diào)整，同時在隧道洞口段采用鋼筋混凝土等延性結(jié)構(gòu)。

參考文獻

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