高速公路隧道地震破壞的形式及預(yù)防措施

倪開偉

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司)

在高速公路建設(shè)過(guò)程中，通常會(huì)經(jīng)過(guò)一些高烈度地震區(qū)域，尤其是在汶川大地震發(fā)生之后，在高烈度地震區(qū)進(jìn)行隧道工程施工時(shí)，需要全面考慮隧道的抗震問(wèn)題。晴隆至興義高速公路是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》(678網(wǎng))中“六縱”畢節(jié)至興義高速公路的組成路段，同時(shí)也是聯(lián)接滬昆、汕昆國(guó)家高速公路的重要聯(lián)線，也是擬申請(qǐng)新增國(guó)高畢節(jié)至河口中的一段。起點(diǎn)位于黔西南州普安縣與晴隆縣交界的滬昆高速(G60)新寨河特大橋的西岸，途經(jīng)地久、王家寨、馬路河、長(zhǎng)耳營(yíng)、雨樟、格沙屯、萬(wàn)屯止于興義市紅巖洞，接汕昆高速公路頂效樞紐互通，路線全長(zhǎng)70.91 km。晴隆至興義高速公路路線途徑多處高烈度地震區(qū)域，所以在很多隧道工程中，都要重點(diǎn)考慮隧道的抗震問(wèn)題，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對(duì)地震破壞形式進(jìn)行分析，并采取針對(duì)性的措施來(lái)進(jìn)行預(yù)防。

1 隧道破壞的主要形式

(1)地面斷裂錯(cuò)動(dòng)：處在地震斷裂帶上的建筑物、公路、橋梁及隧道等，往往會(huì)因?yàn)榈孛姘l(fā)生斷裂錯(cuò)動(dòng)，而發(fā)生破壞或者倒塌等破壞現(xiàn)象，隧道會(huì)發(fā)生襯砌的剪刀移位等破壞。

(2)崩塌、滑坡、泥石流破壞：地震很容易造成高速公路沿線的山體發(fā)生崩塌、滑坡或者泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，這些地質(zhì)災(zāi)害對(duì)地表的建筑和路線會(huì)形成嚴(yán)重的破壞，如邊坡破壞造成隧道結(jié)構(gòu)的傍山偏壓隧道，大面積的掩埋等形式破壞，這種形式的破壞對(duì)隧道損害嚴(yán)重，而且搶險(xiǎn)也非常艱難。晴隆至興義高速公路沿線的山區(qū)非常多，所以隧道工程中應(yīng)該考慮到這種問(wèn)題。

(3)地基不均勻沉降;地震時(shí)，地基的失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致地表發(fā)生不均勻的沉降現(xiàn)象，這種破壞形式通常表現(xiàn)在砂土液化、地面沉降、地基的承載力喪失，進(jìn)而導(dǎo)致隧道襯砌破壞，隧道的襯砌屬于剛性支護(hù)，所以其抗彎剪的能力較差，在地震的作用之下，往往會(huì)發(fā)生地基開裂甚至塌方破壞等問(wèn)題。隧道的開裂破壞通常表現(xiàn)為襯砌的橫向開裂和綜合縱向開裂。

(4)隧道口塌方。隧道洞口塌方在地震作用下較為常見，當(dāng)隧道的洞身主體結(jié)構(gòu)抗震能力較強(qiáng)時(shí)，地震作用下可能會(huì)出現(xiàn)開裂或者變形的情況，隧道本身的塌方現(xiàn)象可能很少，但是由于隧道口能夠受到圍巖的約束作用較小，通常為淺埋形式或者存在圍巖風(fēng)化破碎等問(wèn)題，所以在地震作用下，很容易造成隧道口襯砌的開裂或者塌方破壞形式，進(jìn)而堵塞住隧道口，造成交通影響。

2 隧道地震的影響因素

2.1 地震震級(jí)和烈度的影響因素

地震所釋放能量的大小直接體現(xiàn)在地震的級(jí)數(shù)上，但是地震對(duì)地面建筑物的破壞程度，還與離震中的距離和震源的深度有關(guān)。地震的列席主要是指在某一區(qū)域的地面建筑物，在地震的作用下所受破壞的程度，這是確定震級(jí)和震中距的主要參數(shù)。通常情況下地表所受到的地震破壞的影響程度，是用地震的烈度來(lái)衡量的。也就是說(shuō)是震的級(jí)數(shù)越大，距震中的距離越小、震源的深度深度越淺，地震的烈度就越大，對(duì)地面建筑的破壞程度也就越大。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)埋深的影響因素

在Sunil Sharma的研究中，隧道及地下結(jié)構(gòu)物的埋深受地震影響表明，當(dāng)隧道的埋深大于50 m時(shí)，破壞的程度較小，在300 m以下時(shí)則沒(méi)有嚴(yán)重的破壞。因此，研究表明，由于地下結(jié)構(gòu)的震動(dòng)變形往往受到圍巖土體的約束力作用，來(lái)抑制地震的破壞影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)的埋深越深時(shí)，隧道所受到的地震破壞就會(huì)越小。

2.3 地質(zhì)條件的影響因素

受隧道所處地段的地質(zhì)條件影響，地震的破壞程度也會(huì)有所不同。由于地震波的傳播受地層巖性的影響較大，所以對(duì)地下及地表建筑結(jié)構(gòu)的破壞能力也有所不同。通過(guò)研究一系列的研究證明，比如處在松散地層這種阻尼比較大地質(zhì)條件的隧道中，在地震剪力的作用下所受到的破壞程度較高，也就是在圍巖中的隧道較容易受到地震的破壞。

2.4 結(jié)構(gòu)模式的影響因素

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種隧道結(jié)構(gòu)中，襯砌較厚且質(zhì)量較好的隧道工程，受到的地震破壞，較襯砌較薄的隧道工程受到的地震破壞程度小得多。另外，隧道結(jié)構(gòu)的斷面形式和強(qiáng)度也是影響地震破壞的重要因素，在地下結(jié)構(gòu)與豎井、樓房等結(jié)合處，地下結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生變化的部位、地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的交界處、隧道的轉(zhuǎn)變處、兩洞的相交處以及緊急避車帶等部位都是地震破壞的主要部位。

3 地震破壞的預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)階段的預(yù)防措施

(1)隧道的選線：隧道的線路應(yīng)該盡量以垂直的構(gòu)造方向來(lái)展開，盡量以最短的距離穿越地震活動(dòng)帶，這是隧道工程選線的基本前提;當(dāng)線路布設(shè)在V字形的山谷地段時(shí)，如果山坡上的積土過(guò)厚、巖層較為破碎或者存在危巖和落石隱患，在地震時(shí)就較容易發(fā)生崩塌、滑坡、落石或者泥石流等災(zāi)害，所以不適合修筑路基及深長(zhǎng)路塹，應(yīng)該以隧道形式通過(guò)。如必須以路基形式通過(guò)，就應(yīng)該采取相應(yīng)的預(yù)防措施，來(lái)預(yù)防各種次生災(zāi)害對(duì)公路的破壞;隧道洞口位置的選擇也非常重要，應(yīng)該盡量避免在穩(wěn)定性較差的大型滑坡、巖堆以及錯(cuò)落體位置修筑隧道口，也要避免在高陡峭的懸崖下面修筑隧道;隧道的高程可選擇河谷的高位，同時(shí)要盡量避開一些可能在地震后形成堰塞湖的地段。

(2)隧道抗震設(shè)防的選擇：隧道工程的抗震標(biāo)準(zhǔn)選擇，應(yīng)該充分考慮以隧道所處的地震帶范圍巖體級(jí)別，同時(shí)也應(yīng)該考慮工程造價(jià)問(wèn)題。隧道工程的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選擇時(shí)，可根據(jù)以往的地震烈度和科學(xué)勘察來(lái)確定，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該嚴(yán)格的確定，它是保證隧道工程穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。對(duì)于抗震設(shè)防地段的建筑材料應(yīng)該比普通地段的設(shè)防等級(jí)至少高出一個(gè)等級(jí)

(3)其它設(shè)計(jì)重點(diǎn)：隧道設(shè)計(jì)的原則可依據(jù)抗震的設(shè)防要求和地震參數(shù)來(lái)確定地震作用的效應(yīng)，進(jìn)而綜合考慮結(jié)構(gòu)物的平面布置、結(jié)構(gòu)的形式、風(fēng)度的分布以及構(gòu)件的延性等，盡量注意對(duì)抗震薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。要重視和加強(qiáng)圍巖與初期支護(hù)的整體設(shè)計(jì)，盡量使隧道結(jié)構(gòu)形成一個(gè)穩(wěn)定的承載體;隧道的長(zhǎng)度選擇，應(yīng)該前遵循寧長(zhǎng)勿短的原則，且應(yīng)該盡量避開高危地質(zhì)區(qū)域和陡峭的斜坡;隧道在發(fā)生地震后容易出現(xiàn)坍方、變形、錯(cuò)斷、襯砌掉塊等破壞現(xiàn)象，這些破壞大多發(fā)生在隧道的洞口部分、淺埋段、軟質(zhì)巖和斷層帶當(dāng)中，所以進(jìn)支護(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)這類部分的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度，同時(shí)，也應(yīng)該盡量將襯砌的厚度和強(qiáng)度進(jìn)行提升;在高烈度地震區(qū)域，隧道圍巖的級(jí)別不管多大，都應(yīng)該設(shè)計(jì)仰拱;對(duì)隧道洞口進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在地形比較陡峻和有落石崩塌的地段，明洞設(shè)計(jì)盡量長(zhǎng)些。洞門墻應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成加厚的端墻式，不可采用削竹式等無(wú)端墻洞口形式;應(yīng)該加強(qiáng)端墻的穩(wěn)定性，減少縱向傾覆的機(jī)率，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)一些抗傾覆擋墻和扶壁等結(jié)構(gòu)物;洞口的襯砌和門墻之間應(yīng)該加設(shè)環(huán)向的抗剪鋼筋;盡量控制好邊坡和仰坡的坡度，可以采用抗震性能較好的框架錨縈來(lái)加強(qiáng)邊坡的抗震性能。

3.2 抗震技術(shù)方面的預(yù)防措施

(1)鋼纖維混凝土噴射支護(hù)技術(shù)：鋼纖維噴射混凝土能夠有效提高劈拉強(qiáng)度，它比普通的混凝土強(qiáng)度提高了40%～60%，其抗剪的強(qiáng)度也能夠提高60% ～80%，這種新技術(shù)完全能夠滿足IX度的抗震設(shè)防需要;鋼纖維噴射混凝土技術(shù)，還可以有效減少初期支護(hù)掛網(wǎng)的施工工序，進(jìn)而可以減少掘進(jìn)的施工循環(huán)時(shí)間，提高施工速度;此種技術(shù)的抗裂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通混凝土，它能夠有效提高隧道的抗震效果，尤其適合應(yīng)用于大跨度和大斷面的隧道工程中。

(2)隧道的防排水措施：隧道的防排水措施如果應(yīng)用合理，能夠有效改善地震的破壞影響，防排水措施可采用注漿堵水和安裝排水盲溝的技術(shù)，另外還應(yīng)該在二次襯砌和初期支護(hù)之間加設(shè)防水層，并在襯砌材料中使用防水性能較好的高等級(jí)混凝土。在隧道的特大涌水處襯砌防水層加入PVC防水板，以達(dá)到良好的防水效果。

(3)采用綜合的開挖方法：隧道施工過(guò)程中，可根據(jù)不同的巖層特點(diǎn)選擇不同的開挖方案。如果洞口的地層比較軟弱，可采用多臺(tái)階的兩側(cè)導(dǎo)坑開控法，在洞身段也可根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的開挖方式。同時(shí)在開挖的過(guò)程中，應(yīng)該隨時(shí)對(duì)圍巖的情況進(jìn)行檢測(cè)，保證開挖的安全和符合抗震的要求。

4 結(jié)論

晴隆至興義高速公路的隧道工程較多，而且多處在地震帶附近，所以對(duì)隧道的抗震要求也較高。在隧道工程的施工勘察設(shè)計(jì)階段，該綜合考慮各方面的地震影響因素，作到合理的預(yù)防、科學(xué)設(shè)計(jì);在施工階段，可應(yīng)用較為先進(jìn)的抗震施工技術(shù)，以提高隧道的抗震效果，盡量保證隧道工程的抗震性能。

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