跨走滑斷層隧道地震破壞特征與抗減震措施研究

信春雷 高波 閆高明 周佳媚 申玉生 全曉娟

摘要： 針對跨走滑斷層隧道設(shè)置套管式可變形抗減震措施開展了振動臺模型試驗研究。通過分析圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的地震加速度響應(yīng)、地震動應(yīng)變響應(yīng)以及隧道結(jié)構(gòu)的震后破壞形態(tài)，以無抗減震措施和無斷層為對比例，對在直立與傾斜走滑斷層處設(shè)置的套管式可變形抗減震措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：隧道結(jié)構(gòu)不跨斷層時的破壞多由靜力所致；無論隧道結(jié)構(gòu)是否跨斷層，即使采用抗減震措施，拱腳和仰拱的破壞均十分嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)破壞機(jī)理對二者進(jìn)行重點(diǎn)抗震加固；在實(shí)際工程中選用套管式可變形抗減震措施，宜將外套管設(shè)置在斷層活動性較強(qiáng)的一側(cè)，且讓兩套管共同承擔(dān)斷層的剪切作用能較好的發(fā)揮抗減震作用；在隧道結(jié)構(gòu)選線階段應(yīng)盡量避免穿越斷層或其他不良地質(zhì)地段，保證隧道結(jié)構(gòu)所在圍巖介質(zhì)的連續(xù)性，使隧道結(jié)構(gòu)自身具備良好的抗震性能，勝過采用抗減震措施。研究結(jié)果有利于隧道結(jié)構(gòu)新型抗減震措施的開發(fā)，以及為跨走滑斷層隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防提供參考。

關(guān)鍵詞： 隧道工程； 抗減震措施； 振動臺模型試驗； 走向滑動斷層； 破壞特征

中圖分類號：U457+.5； TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 10044523（2016）04069410

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.017

引言

汶川大地震、日本阪神地震和臺灣集集地震等影響較大的地震造成了跨斷層的隧道結(jié)構(gòu)主體發(fā)生嚴(yán)重破壞且難以修復(fù)，說明跨斷層的隧道結(jié)構(gòu)并非是抗震性能優(yōu)越的工程建筑[1]。造成隧道結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的主要原因是實(shí)際地震荷載遠(yuǎn)大于抗震設(shè)防水平[2]。因此，地面結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計理念借鑒到隧道與地下工程中，未能經(jīng)受得住大地震的考驗[3]。那么跨斷層的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)該提高相應(yīng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。但是由于對隧道結(jié)構(gòu)抗減震理念與方法缺乏系統(tǒng)性的研究，目前中國還沒有獨(dú)立的隧道與地下結(jié)構(gòu)抗減震設(shè)計規(guī)范。隧道與地下工程較為發(fā)達(dá)的美國、瑞士和日本等國家，其地下結(jié)構(gòu)抗減震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)同樣亟待進(jìn)行大量有針對性的研究來實(shí)現(xiàn)其實(shí)用性和操作性[4]。

為了提高地震災(zāi)后救援效率以及獲取隧道結(jié)構(gòu)震害詳細(xì)資料，西南交通大學(xué)高波教授課題組對震害嚴(yán)重的都江堰至汶川高速公路（都汶公路）沿線的18座隧道進(jìn)行深入細(xì)致的考察[5]。其中13座隧道穿越不良地質(zhì)地段，有10座隧道多處穿越區(qū)域性構(gòu)造斷裂，這13座隧道洞身主體結(jié)構(gòu)在汶川地震中全部遭受嚴(yán)重破壞，甚至坍塌[6]。地震造成隧道結(jié)構(gòu)的破壞通常可以分為地基失效破壞（靜力作用）和隧道振動破壞（動力作用）兩種[7]。地基失效破壞是指地震后地基喪失承載力而導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)破壞；隧道振動破壞是指地震中由于隧道與圍巖之間的剛度不匹配而產(chǎn)生相互作用發(fā)生的破壞。此外，地震波沿隧道結(jié)構(gòu)軸線的相位衍生應(yīng)力和變形分量也是震害的重要原因[8]?？鐢鄬拥乃淼澜Y(jié)構(gòu)震害既可能由其中某種作用引起，也可能是幾種作用的綜合結(jié)果[9]。因此，對于跨斷層隧道結(jié)構(gòu)抗減震措施的設(shè)計和應(yīng)用，必須分清原因，有的放矢地進(jìn)行研究。

目前，國外學(xué)者側(cè)重于針對跨斷層的地下管道工程進(jìn)行理論研究，試驗多采用離心機(jī)振動臺，基于抗減震措施的研究較少且單一[10]。國內(nèi)學(xué)者近年來逐漸開始采用振動臺試驗研究交通隧道工程在不同地質(zhì)環(huán)境下的地震響應(yīng)特征，但是針對跨斷層隧道破壞機(jī)理與抗減震措施的研究則較為有限[11]。振動臺模型試驗在試驗自主化和創(chuàng)新性等方面優(yōu)勢明顯，便于進(jìn)行大比例尺模型試驗以及真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)研究過程和結(jié)果。同時，將振動臺模型試驗與震害工程實(shí)例相結(jié)合，可以逐步推進(jìn)隧道與地下結(jié)構(gòu)抗減震理論體系與設(shè)計方法的完善。因此，本文以在汶川地震中破壞嚴(yán)重的龍洞子隧道和龍溪隧道為依托工程，開展了跨直立與傾斜走向滑動斷層（走滑斷層）的隧道結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理與新型抗減震措施適用性的振動臺模型試驗研究。得到了隧道結(jié)構(gòu)在跨斷層部位設(shè)置套管式可變形抗減震措施和無措施，以及無斷層情況下受地震作用的動力響應(yīng)特征和破壞機(jī)理。為高烈度地震區(qū)跨走滑斷層隧道工程的震害機(jī)理研究與抗減震設(shè)防措施提供必要的理論依據(jù)和實(shí)施方法。

Abstract： Shaking table tests are conducted to simulate casingshape deformable damping measures on tunnel structures across strikeslip faults. Tunnel structures across vertical and diagonal strikeslip faults with casingshape deformable damping measures are systematically researched by analyzing seismic acceleration responses of surrounding rock， seismic strain responses and postseismic destructive patterns of tunnel structures. The results show that： Postseismic destructive patterns of tunnel are mostly caused by static force when there is no fault through tunnel. The arch springing and invert part of tunnel are seriously damaged in all test conditions and they need to be reinforced according to failure mechanism. If casingshape deformable damping measure is employed in practical engineering， outer casing should be buried in one side of fault with strong activity. It will achieve favorable effect that outer and inner casing can share shearing action of fault movement. Tunnel structures are born with certain a seismic performance if they are constructed in homogeneous surrounding rock and it will be better than using antiseismic and damping measures. Therefore， tunnel should avoid crossing fault and other unfavorable geology areas in tunnel location phase. The above research results certainly contribute to research and develop new types of antiseismic and damping measures for tunnel structures. Meanwhile， the research results can provide references for seismic fortification of tunnel and underground structures across strikeslip faults as well.

Key words： tunnel engineering； antiseismic and damping measure； shaking table proportional model test； strikeslip fault； seismic damage characteristics