山嶺隧道抗震及減震方法綜述

張斌偉 孫波 鐵成

[摘 要] 首先分析了山嶺隧道的震害特征，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)山嶺隧道抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，簡(jiǎn)略地介紹了目前研究較多的隧道抗震設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各類方法進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié),最后對(duì)山嶺隧道減震措施和方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)山嶺隧道抗震分析中有待進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了說明。

[關(guān)鍵詞] 隧道工程災(zāi)害分析隧道抗震設(shè)計(jì)

隧道工程由于受周圍土體的約束，一直以來都被認(rèn)為是具有很強(qiáng)抗震性能的結(jié)構(gòu)，但隨著地下結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞的案例越來越多，尤其是日本阪神地震和中國(guó)汶川地震給巖土工作者帶來巨大的沖擊，使得隧道結(jié)構(gòu)的抗震問題受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的關(guān)注。目前我國(guó)正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，尤其是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn),使得研究山嶺隧道抗震、減震問題意義重大。

1.山嶺隧道地震災(zāi)害的特點(diǎn)

通過對(duì)山嶺隧道地震災(zāi)害資料的收集和歸類分析，國(guó)內(nèi)外專家將隧道地震破壞分為洞室變形、洞室頂部的偶爾落石、洞頂或洞壁倒坍、沿相交斷層的位移、洞室圍巖的剝落、支護(hù)或襯砌的擾動(dòng)或變形等，總結(jié)了覆蓋層厚度、巖石類別、支護(hù)類型、震級(jí)和震中距等因素對(duì)隧道震害的影響。將它們歸納起來，有以下幾點(diǎn)：

（1）在同一烈度地震下，隧道結(jié)構(gòu)一般比地面建筑物遭受到破壞的程度要小得多；

（2）隧道結(jié)構(gòu)破壞程度隨覆蓋層厚度增加而降低，當(dāng)覆蓋層厚度小于50m時(shí)，隧道易遭遇地震破壞。隧道結(jié)構(gòu)的震害程度與峰值地面運(yùn)動(dòng)有關(guān)；

（3）建筑在崩積層內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)要比建筑在堅(jiān)固巖石內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)更易受到嚴(yán)重破壞，穿越活斷層或斷層破碎帶的地下結(jié)構(gòu)在地震中也易受到嚴(yán)重破壞。

（4）在有限的資料范圍內(nèi)，看不出不同的內(nèi)部支護(hù)形式對(duì)破壞程度有重要影響的趨勢(shì)，但施工質(zhì)量不能保證、采用木支撐、回填不密實(shí)的隧道易受到地震破壞。

2.國(guó)內(nèi)山嶺隧道抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)隧道等地下結(jié)構(gòu)的相關(guān)的規(guī)范基本上采用地面結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法?！惰F路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111-2006）針對(duì)鐵路隧道的條文較少，規(guī)范中關(guān)于隧道的抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算條文是參照既有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)該規(guī)范規(guī)定：鐵路隧道設(shè)防目標(biāo)只需要達(dá)到抗震性能要求Ⅱ，在大致為Ⅲ級(jí)及以上圍巖的洞口、淺埋、偏壓隧道和明洞地震烈度為Ⅶ~Ⅸ度時(shí)，需進(jìn)行抗震驗(yàn)算，驗(yàn)算方法為附加地震力的靜力法，并只驗(yàn)算水平地震力對(duì)隧道強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響[1]。另外，基于概率理論的隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度設(shè)計(jì)方面，也取得的重要的進(jìn)展[2]?！豆饭こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中對(duì)于隧道抗震的規(guī)定基本沿用鐵路隧道規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。在我國(guó)地下鐵道設(shè)計(jì)中，由于研究工作開展不夠，目前尚沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.目前山嶺隧道抗震分析的方法

目前地下結(jié)構(gòu)抗震總的研究方法主要有三種：地震觀測(cè)、理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

3.1地震觀測(cè)

通過實(shí)測(cè)地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力特性來了解地下結(jié)構(gòu)的地震特點(diǎn)。1970 年，日本首先利用松化群發(fā)地震，測(cè)定了地下管線動(dòng)態(tài)應(yīng)變，通過對(duì)測(cè)定結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)：管線與周圍地基一起振動(dòng)。隨后人們又對(duì)沉管隧道、盾構(gòu)隧道和地下隧道等進(jìn)行了地震觀測(cè)，掌握了一定的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，由此得出了影響地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的因素是地基變形而不是地下結(jié)構(gòu)慣性力的結(jié)論。

3.2山嶺隧道抗震分析的理論方法

地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法大致分為兩種，基本方法與實(shí)用方法[3]?；痉椒ㄒ卜譃閮煞N：一種為波動(dòng)法[4]，以求解波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，梁建文[5]在這一方面做了大量的工作，取得豐富的成果。另一種為相互作用法[4]，又稱為振動(dòng)法，以求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)。在上述方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了許多地下結(jié)構(gòu)抗震分析的實(shí)用方法,代表性的工程設(shè)計(jì)方法有：反應(yīng)變位法，圍巖應(yīng)變傳遞法，地基抗力系數(shù)法，有限元方法，ST.John法，Shukla法，福季耶娃法，遞推衍射法，SCRTK法等。文獻(xiàn)[6]提出了“南昆法”，不僅是以柔度比作為剛、柔性結(jié)構(gòu)的判據(jù)，并用它來分析隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，將彈性地基梁的減小系數(shù)視為襯砌變形的傳遞系數(shù)，并以柔度比代替了難以確定的地基系數(shù)K。該課題組建議無抗震縫時(shí)采用“南昆法”進(jìn)行計(jì)算。不同抗震設(shè)計(jì)方法的對(duì)比分析，見表1所示。

3.3 山嶺隧道抗震分析的實(shí)驗(yàn)方法

隧道結(jié)構(gòu)的抗震實(shí)驗(yàn)方法 經(jīng)歷了四個(gè)不同的發(fā)展階段。分別為靜力實(shí)驗(yàn)方法、地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)方法、擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法（聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)）、原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試。典型的例子有：

（1）岡本舜三、雅可夫列維奇和后藤等進(jìn)行了隧道的模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明[3]：a、兩平行隧道間的距離越小，隧道間土體的剪切應(yīng)變愈大，從而使得隧道的變形加大；b、隧道頂部拱肩和底部拱肩均為受力最大的截面，說明隧道產(chǎn)生了斜蛋形的剪切變形；c、當(dāng)平行隧道距離較近時(shí)，襯砌應(yīng)有足夠的剛度。

（2）西南交通大學(xué)對(duì)南昆鐵路樂善村二號(hào)隧道和草庵隧道進(jìn)行了洞身模型試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[13]：a、振動(dòng)臺(tái)、圍巖、隧道結(jié)構(gòu)三者的振動(dòng)波相似，對(duì)于洞身襯砌而言，是遞減傳播，對(duì)于洞口襯砌而言，是遞增傳播；b、襯砌動(dòng)應(yīng)變的性質(zhì)與地震波角度有關(guān)，橫向地震時(shí)，襯砌斷面因變形而發(fā)生切向應(yīng)變，以拱腳和墻腳為最大；縱向地震時(shí)，則襯砌發(fā)生縱向應(yīng)變?yōu)橹?，切向?yīng)變很?。恍毕?5°地震時(shí)，襯砌既有切向應(yīng)變又有縱向應(yīng)變，二者數(shù)值相近；c、洞口山體內(nèi)的加速度越近地表越大，因此洞口邊坡的開挖時(shí)應(yīng)注意防止松動(dòng)山體。

（3）鐵道部科學(xué)研究院針對(duì)大秦線上的軍都山隧道進(jìn)行過圓形隧道、鐵路單雙線隧道的振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)。結(jié)論是[7]：a、地震應(yīng)力對(duì)隧道總是一個(gè)偏載，對(duì)靜載土應(yīng)力而言是一個(gè)附加值，其大小

和符號(hào)隨時(shí)間變化；b、錨桿的使用能提高地層分類等級(jí)，減小襯砌周邊應(yīng)力，但由于它使襯砌受牽連和約束，使襯砌中的應(yīng)變有所增加；c、圓形結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)在垂直直徑的內(nèi)側(cè)水平直徑的外側(cè)，單線隧道的裂縫出現(xiàn)在仰拱頂?shù)膬?nèi)側(cè)和仰拱趾處的外側(cè)，雙線隧道結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)在仰拱和頂拱和內(nèi)側(cè)以及仰拱趾處的外側(cè)。

4.山嶺隧道的減震措施

4.1改變隧道結(jié)構(gòu)性能的抗震

主要是通過改變隧道結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、強(qiáng)度、阻尼等動(dòng)力特性來減輕隧道結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。這種方法主要有以下幾種情況[9-10]：

（1）減輕質(zhì)量

采用輕骨料混凝土來減輕混凝土的質(zhì)量，從而減小隧道結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但輕骨料混凝土強(qiáng)度較低，為此，在輕骨料混凝土中添加鋼纖維以提高其強(qiáng)度。

（2）增加強(qiáng)度和阻尼

① 采用鋼纖維混凝土，提高混凝土延性、抗折性、抗拉性、韌性等，使隧道結(jié)構(gòu)在地震中大量吸能耗能，減輕地震反應(yīng)。如鋼纖維噴混凝土、鋼纖維模筑混凝土襯砌等，就屬于這種措施。

② 采用聚合物混凝土，增加混凝土柔韌性、彈性和阻尼，使隧道結(jié)構(gòu)吸收地震能量。如聚合物混凝土、聚合物鋼纖維混凝土等。

③ 在隧道結(jié)構(gòu)中添加大阻尼材料，使其成為大阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)，也可以得到很好減震效果。增加阻尼有兩種方法：一種方法是在隧道結(jié)構(gòu)襯砌表面或內(nèi)部增加阻尼，通過隧道結(jié)構(gòu)的拉伸或剪切變形來耗能減震。另一種方法是在隧道結(jié)構(gòu)的接頭部位施設(shè)減震裝置，在地震中，這些減震裝置耗能減震，從而避免隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)或發(fā)生損壞。

（3）調(diào)整隧道結(jié)構(gòu)剛度

① 采用柔性結(jié)構(gòu)大大減小隧道結(jié)構(gòu)的剛度，即做成“柔性結(jié)構(gòu)”，這樣做雖然能有效地減小隧道結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，減小地震荷載，但這種做法在軟弱圍巖情況下可能還不能滿足靜力要求，因此很難推廣應(yīng)用。

② 采用延性結(jié)構(gòu)適當(dāng)控制隧道結(jié)構(gòu)的剛度，使結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并且具有較大的延性，以消耗地震能量，使隧道結(jié)構(gòu)“裂而不倒”，這種方法在很多情況下是有效的，例如，當(dāng)隧道中采用管片式襯砌時(shí)，在管片的接頭部位安裝特殊螺栓，此時(shí)的隧道結(jié)構(gòu)就屬于延性結(jié)構(gòu)。該類隧道結(jié)構(gòu)也存在很多局限性，首先，由于接頭進(jìn)入非彈性狀態(tài)，將使隧道結(jié)構(gòu)的變形增大，可能使隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的附屬設(shè)備遭受嚴(yán)重破壞。其次，當(dāng)遭遇超過設(shè)計(jì)烈度地震時(shí)，將使重要部位的接頭非彈性變化嚴(yán)重化，在地震后難以修復(fù)。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)的減震

在隧道結(jié)構(gòu)周圍安裝減震器或回填減震材料構(gòu)成的減震系統(tǒng)稱為整體減震，這種結(jié)構(gòu)具有較高的減震效果。

(1)理想回填減震材料為以下幾種：

①顆粒材料（如火山渣）；②泡沫材料（如聚苯乙稀等）；③泡沫橡膠；④輕質(zhì)混凝土。

(2)減震設(shè)施的設(shè)置[9-11]

隧道結(jié)構(gòu)在地震時(shí)因與地層的相互作用而產(chǎn)生斷面力和變形，因此在地層條件和結(jié)構(gòu)條件變化部分，因振動(dòng)特性不同而成為變形和斷面力集中的場(chǎng)所，易于發(fā)生震害。在這種情況下，作為降低作用在隧道結(jié)構(gòu)上的地層變形的影響的一個(gè)方法，就是減小隧道結(jié)構(gòu)本體的剛性，而使之能夠隨地震時(shí)的地層變形。柔性管片和柔性接頭及彈性墊板的環(huán)向接頭就是這樣的代表。

5.結(jié)論與展望

通過上面分析可知，山嶺隧道抗震研究要遠(yuǎn)落后與地面建筑的抗震研究，而且由于地質(zhì)賦存環(huán)境的復(fù)雜性，使得山嶺隧道震害在很大程度上取決于地層特性，這種觀點(diǎn)已為隧道界所共識(shí)，對(duì)于目前山嶺隧道抗震設(shè)計(jì)方法，無論是靜力設(shè)計(jì)方法、擬靜力方法（工程實(shí)用方法）、動(dòng)力有限元方法、還是實(shí)驗(yàn)研究方法，都不能全面的反映隧道地震的動(dòng)力特性，山嶺隧道結(jié)構(gòu)的抗震分析中有待進(jìn)一步研究的問題主要有[12]：地下隧道結(jié)構(gòu)反應(yīng)量測(cè)儀器的改進(jìn)；地震荷載傳播機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)；強(qiáng)震下垂直加速度對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；土－結(jié)相互作用數(shù)值模型的改進(jìn)；場(chǎng)地土的運(yùn)動(dòng)方向和突加效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；沿軸向土體運(yùn)動(dòng)的不一致和土－結(jié)之間可能存在的滑移對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；結(jié)構(gòu)的存在對(duì)場(chǎng)地土振動(dòng)的局部放大或衰減效應(yīng)以及多次反復(fù)周期荷載作用效應(yīng)等。另外，土的本構(gòu)模型,多維地震動(dòng)的模擬與實(shí)現(xiàn)，較高規(guī)格離心機(jī)試驗(yàn)等方面也都是急需解決的問題。

目前我國(guó)在建和擬建了大量山嶺隧道，有的隧道長(zhǎng)度達(dá)到幾十公里，這樣大型的結(jié)構(gòu)尚未真正受強(qiáng)震作用的考驗(yàn)，一旦地震破壞，就會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)影響，因此，一系列新的與抗震設(shè)計(jì)有關(guān)的科學(xué)及技術(shù)問題需要深入探索，系統(tǒng)的開展隧道結(jié)構(gòu)抗震理論分析及應(yīng)用研究顯得尤為重要和緊迫。

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作者簡(jiǎn)介：

張斌偉：（1981-），男，碩士，講師。從事巖土與地下工程的教學(xué)研究工作。

基金項(xiàng)目：

隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（xyzk0904）