汶川地震區(qū)跨斷層帶公路隧道震害形成機理分析

崔光耀，伍修剛，王明年，林國進(jìn)

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610041)

隨著我國西部交通建設(shè)的飛速發(fā)展，穿越斷層隧道不斷涌現(xiàn)，如雅康高速新二郎山隧道穿越?；藬嗔褞В商m鐵路系列隧道穿越龍門山斷裂帶等。因此，對隧道斷層破碎帶段震害機理及抗減震對策的研究是非常必要的，也具有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外有關(guān)專家、學(xué)者對此進(jìn)行了部分研究[1-15]，主要集中在斷層錯動作用對地下管線、隧道結(jié)構(gòu)的影響及反應(yīng)分析；斷層錯動作用下隧道工程損傷及巖土失效擴展機理；斷層傾角、寬度對跨斷層隧道錯動的反應(yīng)特性分析；活動斷層區(qū)隧道的抗斷設(shè)計對策；隧道斷層破碎帶段動力響應(yīng)特征及震害機理；跨斷層隧道抗減震模型試驗及對策研究等。本文通過對汶川地震公路隧道斷層破碎帶段震害資料的統(tǒng)計分析，研究隧道斷層破碎帶段震害機理及抗減震對策，這對高烈度地震區(qū)跨斷層隧道的抗震設(shè)防具有重要的意義。

1 汶川地震區(qū)公路隧道斷層破碎帶段震害概述

本次汶川地震公路隧道震害調(diào)查涉及四川、陜西和甘肅三省，共56座隧道。其中跨斷層隧道6座，分別是友誼隧道、白云頂隧道、紫坪鋪隧道、龍洞子隧道、龍溪隧道和酒家埡隧道。6座跨斷層隧道斷層破碎帶詳細(xì)情況(調(diào)查測量)見表1。

表1 斷層破碎帶詳情

1.1 9度及9度以下烈度區(qū)隧道斷層破碎帶段震害

9度及9度以下烈度區(qū)僅有酒家埡隧道，其穿越斷層破碎帶段震害類型主要有襯砌開裂、混凝土掉塊、二襯垮塌(圖1)、初支垮塌、施工縫開裂及襯砌滲水等。

圖1 酒家埡隧道二襯垮塌Fig.1 Secondary lining collapse of Jiujiaya Tunnel

1.2 9度以上烈度區(qū)隧道斷層破碎帶段震害

友誼隧道、白云頂隧道、紫坪鋪隧道、龍洞子隧道、龍溪隧道處于9度以上區(qū)域。其穿越斷層破碎帶段震害類型主要有襯砌開裂、錯臺(圖2)，混凝土剝落，施工縫開裂，初支垮塌、二襯垮塌，圍巖垮塌(圖3)等。

圖2 白云頂隧道襯砌環(huán)向錯臺Fig.2 Lining ring dislocation of Baiyunding Tunnel

圖3 龍溪隧道圍巖垮塌Fig.3 Surrounding rock collapse of Longxi Tunnel

相對于普通段隧道結(jié)構(gòu)震害，斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)初支垮塌、二襯垮塌以及圍巖垮塌這樣嚴(yán)重震害出現(xiàn)的規(guī)模和范圍大大增加，這嚴(yán)重阻礙了災(zāi)后救援和災(zāi)后重建。友誼隧道、龍溪隧道穿越斷層破碎帶段二襯幾乎全部垮塌。

2 非活動性斷層段隧道震害機理分析

2.1 研究情況

汶川地震中，非活動性斷層隧道僅為紫坪鋪隧道，其斷層破碎帶段最嚴(yán)重的震害類型為二襯開裂，這與普通段隧道震害無異。以紫坪鋪隧道F10斷層破碎帶段為研究背景，利用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型進(jìn)行動力分析，計算模型長203 m，寬80 m，隧道埋深100 m，斷層位于模型中部，斷層寬度為3 m。初支為C20噴射混凝土，厚度為20 cm；二襯為C25模注混凝土，厚度為35 cm。計算工況見表2。

表2 計算工況

地震波選用汶川地震臥龍測站加速度波，時間間隔為0.005 s，持時40 s(截取原波5～45 s，能量占原波90%以上)，按9度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對加速度時程進(jìn)行基線校正(圖4)。

圖4 地震波加速度時程曲線Fig.4 Acceleration time-history curve of seismic acceleration

2.2 震害機理理論分析

提取拱頂二襯最大主應(yīng)力峰值、最小安全系數(shù)最小值以及合位移峰值(即水平、垂直位移矢量和的峰值)(表3)。

表3 二襯內(nèi)力峰值及合位移峰值對比

由表3可知，非活動性斷層段最大主應(yīng)力峰值比普通段大0.2 MPa，增大16%；最小安全系數(shù)最小值比普通段小0.8，降低20.51%；合位移峰值僅比普通段大0.41 mm，僅增加0.25%。這說明非活動性斷層段隧道震害主要由地震慣性力(地震時，結(jié)構(gòu)物的地震動加速度乘以結(jié)構(gòu)物質(zhì)量，即為作用在結(jié)構(gòu)物上的地震慣性力)造成，強制位移影響很小。

2.3 典型震害(二襯開裂)機理分析

襯砌裂縫主要有兩種，一種是裂紋清晰，有一定走向(圖5)；另一種是不能確定裂縫方向，呈片狀或網(wǎng)狀(圖6)。

圖5 襯砌裂縫裂紋清晰Fig.5 Clear trend lining crack

圖6 襯砌裂縫成網(wǎng)狀交錯Fig.6 Crisscross networked lining crack

第一種襯砌裂縫主要由拉、剪作用引發(fā)的開裂。由于二襯為鋼筋混凝土/混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土抗拉、抗剪強度較低，一旦某位置拉應(yīng)力或剪應(yīng)力過大，便會首先在此位置出現(xiàn)裂縫。由于裂縫盡頭應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，如拉應(yīng)力或剪應(yīng)力再次超過抗拉或抗剪強度，裂縫會沿原方向進(jìn)一步發(fā)育，進(jìn)而發(fā)展為有一定走向的長裂縫。

第二種裂縫中，呈片狀裂縫主要由襯砌彎曲變形造成。當(dāng)結(jié)構(gòu)受彎時，背向彎曲方向的一側(cè)由于拉應(yīng)力作用可能出現(xiàn)一條條相互平行的裂縫，開裂方向垂直于彎曲面。呈網(wǎng)狀裂縫主要因為破損部位在地震作用下受壓且反復(fù)運動，生成不同方向的劈裂縫。

3 活動性斷層段隧道震害機理分析

3.1 研究情況

汶川地震中，5座跨斷層隧道出現(xiàn)斷層錯動，造成嚴(yán)重震害。其中，龍溪隧道震害最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了圍巖垮塌震害(圖3)。以龍溪隧道F8斷層破碎帶段為研究背景，建立計算模型，對活動性斷層段隧道震害機理進(jìn)行研究。模型長150 m，寬80 m，埋深24 m，斷層傾角82°，斷層位于模型中部，斷層寬度為10 m。斷層破碎帶為Ⅴ級圍巖，上下盤巖體為Ⅳ級圍巖。初支為C20噴射混凝土，厚度為20 cm；二襯為C25模注混凝土，厚度為40 cm。地震波同2.1節(jié)，按11度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。計算工況見表4。

表4 計算工況

B-1為僅發(fā)生斷層錯動工況；B-2為斷層不錯動，僅發(fā)生地震震動工況。通過以上兩工況進(jìn)行單因素分析，研究造成活動性斷層隧道震害的主要影響因素。監(jiān)測斷面及監(jiān)測點見圖7、圖8。

斷層錯動的實現(xiàn)：根據(jù)斷層性質(zhì)及參數(shù)，計算斷層發(fā)生錯動時巖體水平向和豎直向的運動速度，分別為V1和V2。數(shù)值模擬時，給予上盤巖體水平向和豎直向運動速度(V1和V2)，在V1和V2的作用下，斷層上盤巖體將沿傾角方向運動。斷層錯動為黏滑錯動，迅速完成。

圖7 監(jiān)測斷面布置Fig.7 Arrangement of testing section

圖8 監(jiān)測點示意圖Fig.8 Arrangement of measuring point

3.2 震害機理理論分析

(1)最大剪應(yīng)力對比

提取兩工況各監(jiān)測斷面各監(jiān)測點最大剪應(yīng)力峰值進(jìn)行理論分析(表5、表6)。

由表5、表6可知，由斷層錯動造成的最大剪應(yīng)力峰值的最大值為11.636 MPa，位于右拱腰，占地震合作用的87.45%；由地震慣性力造成的最大剪應(yīng)力峰值的最大值為1.67 MPa，位于右拱腰，占地震合作用的12.55%。由最大剪應(yīng)力分析，造成活動性斷層隧道震害的主要影響因素為斷層錯動，地震慣性力次之。

表5 最大剪應(yīng)力峰值對比(單位：MPa)

表6 震害影響因素對比

(2)最大主應(yīng)力對比

提取兩工況各監(jiān)測斷面各監(jiān)測點最大主應(yīng)力峰值進(jìn)行理論分析(表7、表8)。

表7 最大主應(yīng)力峰值對比(單位：MPa)

表8 震害影響因素對比

由表7、表8可知，由斷層錯動造成的最大主應(yīng)力峰值的最大值為17.27 MPa，位于仰拱，占地震合作用的74.22%；由地震慣性力造成的最大主應(yīng)力峰值的最大值為6 MPa，位于左拱腳，占地震合作用的25.78%。由最大主應(yīng)力分析，造成活動性斷層隧道震害的主要影響因素為斷層錯動，地震慣性力次之。

(3)最小安全系數(shù)對比

提取兩工況各監(jiān)測斷面各監(jiān)測點最小安全系數(shù)進(jìn)行理論分析(表9)。

表9 最小安全系數(shù)對比

由表9可知，在斷層錯動影響下，離斷層越近最小安全系數(shù)越小；上盤最小安全系數(shù)略小于下盤，這說明上盤受斷層錯動影響大于下盤。在地震慣性力影響下，上下盤最小安全系數(shù)基本不變，與距斷層的距離無關(guān)。

對比兩工況計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上下盤遠(yuǎn)離斷層的監(jiān)測斷面(P31、P30)，斷層錯動影響下的最小安全系數(shù)大于地震慣性力影響下的最小安全系數(shù)，這說明遠(yuǎn)離斷層的隧道結(jié)構(gòu)受斷層錯動的影響較小，影響程度小于地震慣性力影響。上下盤靠近斷層的監(jiān)測斷面(P21、P11、P10、P20)，斷層錯動影響下的最小安全系數(shù)遠(yuǎn)小于地震慣性力影響下的最小安全系數(shù)，這說明造成近斷層段隧道結(jié)構(gòu)震害的主要影響因素為斷層錯動，地震慣性力次之。

3.3 典型震害機理分析

(1)襯砌垮塌

襯砌垮塌嚴(yán)重威脅洞內(nèi)行車安全，是一種嚴(yán)重的震害類型。汶川地震中，酒家埡隧道、友誼隧道、白云頂隧道和龍溪隧道錯動斷層段出現(xiàn)了較大面積的襯砌垮塌震害，尤其以龍溪隧道和友誼隧道最為典型(圖9)。

圖9 龍溪隧道襯砌垮塌Fig.9 Lining collapse of Longxi Tunnel

活動性斷層段襯砌垮塌，部分段落初支與二襯一同垮塌，主要原因是斷層錯動使隧道結(jié)構(gòu)遭受巨大的剪切力，隧道結(jié)構(gòu)抵抗不住這樣巨大的剪切力，發(fā)生剪切破壞，加之地震慣性力、斷層破碎帶圍巖軟弱等原因，垮塌進(jìn)一步擴大，形成襯砌垮塌區(qū)。

(2)襯砌錯臺

活動性斷層段襯砌錯臺主要由錯動斷層造成的巨大剪切力影響形成，是襯砌垮塌的初級階段，再進(jìn)一步發(fā)展，即發(fā)育成襯砌垮塌區(qū)。汶川地震中，以白云頂隧道(圖2)和龍溪隧道(圖10)最為典型。

圖10 龍溪隧道襯砌環(huán)向錯臺Fig.10 Lining ring dislocation of Longxi Tunnel

4 隧道斷層破碎帶段抗減震對策

4.1 非活動性斷層段隧道抗減震對策

當(dāng)隧道穿越非活動性斷層破碎帶時，斷層破碎帶段需要采取抗震措施進(jìn)行加固。加固方法有：提高襯砌強度和剛度(增加配筋、提高混凝土標(biāo)號、采用鋼纖維混凝土等)，提高圍巖強度和剛度(施做錨桿、注漿加固等)。

4.2 活動性斷層段隧道抗減震對策

(1)隧道選線應(yīng)盡量繞避活動性斷層破碎帶；不能繞避的須進(jìn)行抗震設(shè)防。因斷層錯動能量巨大，單靠抗震措施無法抵抗，需結(jié)合減震措施共同應(yīng)對。

(2)活動性斷層段減震措施主要有：擴大開挖斷面、絞接設(shè)計、設(shè)置減震層、減震縫等等。

5 結(jié)論

(1)隧道非活動性斷層段震害類型與普通段無異，震害主要由地震慣性力造成，強制位移影響很小。

(2)隧道活動性斷層段出現(xiàn)了襯砌錯臺、襯砌垮塌以及圍巖垮塌等嚴(yán)重震害類型，造成嚴(yán)重震害的主要影響因素為斷層錯動，地震慣性力次之。

(3)隧道非活動性斷層段僅需采取抗震措施進(jìn)行加固即可；隧道活動性斷層段須進(jìn)行抗震設(shè)防，抗震措施需結(jié)合減震措施共同應(yīng)對。

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