通過活斷層區(qū)隧道抗震研究綜述★

趙 穎 林曉東

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

通過活斷層區(qū)隧道抗震研究綜述★

趙 穎1林曉東2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了隧道震害的主要表現(xiàn)形式，對隧道震害成因進行了詳細(xì)分析，總結(jié)了通過活斷層區(qū)隧道的理論和試驗研究現(xiàn)狀，為跨斷層隧道的抗震設(shè)計、施工及安全性評價提供了參考依據(jù)。

活斷層，隧道，震害，抗震

0 引言

我國處于活動期的斷層分布較廣，有許多大中城市均遭遇過強烈地震的襲擊，地震發(fā)生的頻度高、強度大，造成的災(zāi)害嚴(yán)重。活斷層是指在近期地質(zhì)時期有過活動、現(xiàn)今持續(xù)活動，在不遠(yuǎn)的將來有可能重新活動的斷層[1]?；顢鄬渝e動引發(fā)的地震不僅能夠使覆蓋土層地表產(chǎn)生永久的位移，而且還會產(chǎn)生強烈的震動，對于穿越斷層的建筑物以及地下結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生不可修復(fù)性的破壞。GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[2]中規(guī)定，為了防止地震時斷層錯動而引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，建筑物的選址應(yīng)避開活斷層。由于隧道工程線路走向取決于交通功能的要求，因此導(dǎo)致越來越多的區(qū)間隧道不可避免的穿越地震斷層，斷層錯動會對隧道等地下工程產(chǎn)生災(zāi)難性的、不可恢復(fù)的破壞，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體坍塌[3，4]。1971年，美國圣佛南都發(fā)生6.4級地震，鄰近SantaSuzana斷層和Sylmar斷層處的隧道破壞最為嚴(yán)重，最大垂直位錯量為229 cm。1995年日本阪神發(fā)生7.2級地震，建于花崗巖中總長度為16 km，穿越多條斷層的六甲隧道破壞最為嚴(yán)重，拱肩襯砌出現(xiàn)多條裂縫，洞口開裂破損。2008年汶川8.0級地震，處于F3和F2斷層之間的龍溪隧道因斷層錯動形成了1 m左右的豎向錯動變形，導(dǎo)致襯砌拱部塌落[5]。我國對于地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究與美國、日本等國家相比相對滯后，到目前為止，還沒有建立一套比較完整的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，尤其對于通過活斷層區(qū)隧道抗震方面的研究還比較缺乏。因此，針對通過活斷層區(qū)隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震問題的深入研究意義重大。

1 隧道震害成因分析

隧道震害主要表現(xiàn)為[5，6]：洞口被崩塌落石、山體滑坡堵塞，洞口段襯砌開裂剝落掉塊甚至坍塌，洞口處的邊仰坡支護開裂、脫落甚至垮塌；洞身段襯砌產(chǎn)生縱向開裂、橫向開裂、斜向開裂以及環(huán)向開裂，混凝土剝落甚至坍塌，鋼筋外露，襯砌漏水；通過活斷層或斷層破碎帶的隧道會出現(xiàn)襯砌錯臺、局部或洞體垮塌等。

隧道震害的類型有多種，導(dǎo)致隧道震害形成的原因有三種[7，8]：圍巖失穩(wěn)、地震慣性力以及地震誘發(fā)的斷層活動。圍巖失穩(wěn)是指由于圍巖的變形、松散、液化等原因?qū)е卤緛砭哂锌拐鹉芰Φ慕Y(jié)構(gòu)破壞，不能正常工作。圍巖失穩(wěn)多發(fā)生在巖性變化較大、淺埋地段或隧道結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于地層剛度的圍巖中。地震慣性力是指地震引起強烈的地層運動，使隧道與周圍介質(zhì)一起運動，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的慣性力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過度變形而破壞，在洞口附近受此影響較大。斷層活動造成的錯動破壞是指隧道穿越活斷層時，由于圍巖的直接錯動造成襯砌產(chǎn)生剪切開裂破壞(如圖1所示)，襯砌開裂形式主要表現(xiàn)為橫向開裂、斜向開裂和環(huán)向開裂等。如都汶公路龍溪隧道經(jīng)過活斷層附近的襯砌產(chǎn)生嚴(yán)重錯臺，在錯臺附近產(chǎn)生橫向和斜向裂縫(如圖2所示)。雖然這種破壞通常被限制在活斷層附近較小的范圍內(nèi)，但是這種突然的變形卻是永久性的、不可恢復(fù)的，對于隧道來說是災(zāi)難性的破壞，甚至?xí)斐啥大w整體垮塌(如圖3所示)，給震后的修復(fù)工作帶來了巨大的困難。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 理論研究現(xiàn)狀

在理論研究方面國內(nèi)外學(xué)者主要是通過有限元分析跨斷層隧道的地震反應(yīng)特性，并給出了一些對工程有意義的研究結(jié)論，研究成果為通過活斷層區(qū)隧道工程抗震設(shè)計、施工以及安全評價工作提供了技術(shù)支持和參考依據(jù)。

2008年Anastasopoulos等[10]利用所建立的非線性有限元計算模型研究了正斷層錯動下以及地震荷載作用下深埋隧道的變形反應(yīng)。在研究正斷層錯動下隧道的反應(yīng)時，采用的是準(zhǔn)靜力計算方法，并給出了在斷層傾角為45°～60°的正斷層作用下，垂直位錯量與土層厚度的比值不超過1%，地表就不會產(chǎn)生位錯。

2009年王崢崢[11]根據(jù)所提出的無限元靜—動力人工邊界建立了圍巖—隧道相互作用的有限元計算模型，對高烈度地震區(qū)穿越斷層隧道的損傷分布、發(fā)展情況進行了分析，提出了抗震安全評價的兩種方法：損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)。最后開展了振動臺模型試驗，并與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比分析。

2011年劉愷[12]利用有限元分析軟件對成蘭線穿越斷層的隧道進行了抗斷層位錯研究，研究結(jié)果表明：斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響主要集中在斷層處及其附近一定范圍內(nèi)；在斷層位錯作用下，隧道結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在仰拱部位，最小位移發(fā)生在拱頂部位；在相同斷層位錯作用下，隧道結(jié)構(gòu)的震害程度隨著斷層傾角的減小而逐漸增大；在相同斷層位錯作用下，斷層破碎帶越寬，隧道受到影響的范圍也就越大；在斷層錯動下，堅硬的圍巖對隧道變形和受力的影響較軟弱圍巖更為不利。

2012年張維慶[13]采用數(shù)值模擬計算方法研究了穿越斷層隧道在斷層錯動和地震慣性力分別作用下的震害機理，研究表明：與地震慣性力相比，斷層錯動使隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受拉狀態(tài)更為不利；斷層位錯量相同時，上下垂直錯動引起隧道結(jié)構(gòu)的震害最大，水平錯動震害最?。划?dāng)隧道與斷層平行時，給出了0.05 m正、逆斷層錯動下隧道的安全距離；深層注漿較接觸注漿對于隧道結(jié)構(gòu)抗錯斷的效果要好。

2013年林克昌等[14]采用大型有限元軟件ABAQUS，以走滑斷層為例，就斷層寬度對跨斷層巖體隧道錯動反應(yīng)特性的影響開展了非線性數(shù)值模擬研究。計算結(jié)果表明：走滑斷層錯動對襯砌的影響范圍隨斷層寬度的不同而變化，當(dāng)斷層寬度由0逐級增加至20 m，40 m時，影響范圍逐漸增大；當(dāng)斷層寬度由40 m增加至60 m時，影響范圍基本不變，說明斷層錯動對襯砌的影響范圍存在一限值。

2.2 試驗研究現(xiàn)狀

2003年Kontogianni和Stiros[15]通過試驗研究了隧道襯砌管片環(huán)向接頭部位分別在逆斷層、走滑斷層作用下的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，并總結(jié)出不同斷層傾角下，管片環(huán)向接頭部位應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。2007年Lin等[16]通過提升底板試驗?zāi)M了逆沖斷層作用下，位于砂土中的盾構(gòu)隧道變形破壞特點，并分析了楊氏模量和膨脹角對結(jié)構(gòu)的影響，最后采用了數(shù)值模擬計算對試驗結(jié)論進行了驗證。2011年劉學(xué)增等[17]通過模型試驗研究了公路隧道在斷層傾角為75°的逆斷層粘滑錯動工況下的反應(yīng)規(guī)律，試驗結(jié)論給出了受壓、受拉區(qū)的范圍以及最大拉、壓應(yīng)變發(fā)生的位置，并指出襯砌以剪切破壞為主。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于通過活斷層區(qū)隧道破壞機理和抗震減震措施的研究還較為有限，我國還沒有專門的跨斷層隧道抗震設(shè)計規(guī)范，可參考的規(guī)范條文多為定性描述。振動臺試驗可為研究跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的破壞機理和抗震能力提供較為直觀的方法。目前對于跨斷層隧道的振動臺試驗研究主要集中于抗震減震措施效果及斷層錯動效應(yīng)等。國內(nèi)外已開展的跨斷層隧道振動臺模型試驗非常有限。

2012年Sim等[18]開展了小直徑管道跨越直立斷層的振動臺試驗，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)埋置于輪胎派生骨料與干砂混合地層中的管道，位于跨斷層區(qū)域的彎矩較小且地震加速度較低。2013年崔光耀等[19]通過試驗重點研究了穿越粘滑斷層的隧道抗震減震技術(shù)。

2014年信春雷等[20]通過振動臺模型試驗研究了地震荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)常規(guī)與新型抗震減震措施的反應(yīng)特性與破壞機制，試驗中采用的抗震減震措施如圖4所示。研究結(jié)果表明：套管式可變形結(jié)構(gòu)的抗震減震性能最好；減震層可以提高隧道整體耐震性能；減震縫通過提高隧道縱向自由度來減輕震害。

3 結(jié)語

隧道工程作為生命線工程的重要組成部分，其造價高，使用周期長，很多隧道工程位于高烈度地震區(qū)，并有可能穿越活斷層，所以一旦地震發(fā)生，破壞嚴(yán)重，修復(fù)困難，還會造成巨大的國民經(jīng)濟損失和人員傷亡。國內(nèi)外對于跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的抗震研究還比較少，沒有完整可靠的跨斷層抗震設(shè)計規(guī)范，可以借鑒的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)多為定性描述。因此，針對高烈度地震區(qū)跨斷層隧道的抗震研究工作極為迫切且具有現(xiàn)實意義。

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On anti-seismic survey of tunnel across active fault★

Zhao Ying1Lin Xiaodong2

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.HarbinUniversity,Harbin150080,China)

This article mainly introduce the earthquake damage formal of tunnel， and detailed analysis the reasons for tunnel seismic damage， as the same time summarizes tunnel across active fault theoretical and test study of the current situation， so as to provide reference for seismic design， construction and safety evaluation of tunnel across fault.

active fault， tunnel， earthquake damage， anti-seismic

2015-04-22★：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(項目編號：DL13BB20)

趙 穎(1979- )，女，博士，工程師； 林曉東(1979- )，男，碩士，講師

1009-6825(2015)19-0137-03

U457.5

A