公路隧道震害特征分析

段曉彬，何 俊，何佳銀，荀其訓(xùn),王旭華,趙文垣

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明 650041；2.中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東濟(jì)南 250399；3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 公路隧道震害

我國(guó)的公路隧道大量修建于20世紀(jì)90年代以后，對(duì)于公路隧道抗震及減震技術(shù)的研究工作還進(jìn)行得很少，公路隧道抗震及減震技術(shù)還缺乏系統(tǒng)性?！?·12”汶川大地震對(duì)我國(guó)公路隧道進(jìn)行了一次實(shí)實(shí)在在的檢驗(yàn)，在這次地震中首次出現(xiàn)了公路隧道受到嚴(yán)重破壞的情況(圖1)[1-5]，因此，有必要對(duì)公路隧道的抗震及減震技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

圖1 汶川地震災(zāi)害

高烈度地震區(qū)交通運(yùn)輸通道在強(qiáng)震條件下保證暢通是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，特別對(duì)于云貴川等地區(qū)，高山、峽谷縱橫，交通運(yùn)輸通道稀少、脆弱，保證強(qiáng)震條件下交通運(yùn)輸通道暢通尤為重要，因此，本次研究以汶川“5·12”大地震公路隧道震害特征作為基礎(chǔ)，以云南省新建項(xiàng)目楊林隧道為依托，開(kāi)展高地震烈度區(qū)扁平大跨特長(zhǎng)公路隧道抗減震技術(shù)研究。

楊林隧道是昆明繞城高速東南段的一座隧道，見(jiàn)圖2。楊林隧道為分離式三車(chē)道隧道，長(zhǎng)約9.4 km。隧道最大縱坡為2.899 %，隧道最大埋深約為448 m。

圖2 楊林隧道所在位置

本隧道主洞采用三心圓曲墻式斷面，內(nèi)輪廓凈寬度15.266 m、凈高度7.75 m，屬于典型的扁平大跨隧道。項(xiàng)目區(qū)域的地震動(dòng)峰值加速度大于等于0.4g，屬于高地震烈度區(qū)。楊林隧道穿越的斷層主要有火頭村-大東山斷層(f1)、草子坡-落水洞斷層(f2)、渣子田—霞連寺平移斷層(f3)，其中f1和f2為活動(dòng)斷層，滑動(dòng)速率約0.5 mm/a，見(jiàn)圖3。

圖3 楊林隧道穿越斷層破碎帶

此外楊林隧道為解決特長(zhǎng)隧道通風(fēng)、空氣凈化與防災(zāi)人員疏散等問(wèn)題做了大量的工作，楊林隧道采用了較為先進(jìn)的通風(fēng)除塵裝置以及設(shè)計(jì)較為完善的疏散救援方案。然而通風(fēng)設(shè)備的安置點(diǎn)與多種形式的疏散路徑導(dǎo)致楊林隧道主洞與附屬結(jié)構(gòu)交叉的形式復(fù)雜，多洞平行交叉的問(wèn)題凸顯。

基于“5·12”汶川地震的大量隧道震害特征調(diào)查，結(jié)合楊林隧道地震烈度高、隧道跨度大、活動(dòng)斷裂多以及多洞平行交叉等特點(diǎn)，為開(kāi)展高地震烈度扁平大跨特長(zhǎng)公路隧道抗減震技術(shù)研究提供依據(jù)，并提出主要研究方向。

2 公路隧道震害調(diào)查

“5·12”汶川地震后對(duì)四川、甘肅、陜西三省重、極重災(zāi)區(qū)國(guó)省干線及典型縣鄉(xiāng)道路公路隧道，共計(jì)18條線路56座隧道進(jìn)行了震害調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和特征分析工作。

2.1 震害調(diào)查方法

(1)洞口區(qū)域檢測(cè)。采用目測(cè)、攝影及測(cè)量等手段對(duì)洞口區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。

(2)隧道掉塊坍塌(坍方)情況調(diào)查。采用目測(cè)、攝影及測(cè)量等手段對(duì)隧道內(nèi)掉塊、坍塌情況進(jìn)行調(diào)查，查明掉塊、坍塌規(guī)模及影響范圍。

(3)襯砌強(qiáng)度檢測(cè)。采用超聲-回彈法對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。超聲波法采用超聲波穿透混凝土內(nèi)部，通過(guò)波速的變化來(lái)測(cè)定混凝土完整度；超聲-回彈綜合法則綜合回彈法和超聲波法的優(yōu)點(diǎn)，使檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。檢測(cè)時(shí)測(cè)區(qū)布置：一般地段沿隧道縱向每50 m/測(cè)區(qū)，病害明顯地段視病害輕重情況加密測(cè)區(qū)。

(4)襯砌、路面(仰拱)結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水調(diào)查。

采用目測(cè)、攝影及測(cè)量手段詳細(xì)調(diào)查隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水情況，準(zhǔn)確繪制在裂縫及滲漏情況平面展示圖。結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)背后缺陷情況分析病害產(chǎn)生的原因，評(píng)價(jià)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠度。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)及震害分類(lèi)

2.2.1 隧道結(jié)構(gòu)

隧道結(jié)構(gòu)分為斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)、洞口結(jié)構(gòu)以及普通段隧道結(jié)構(gòu)。洞口結(jié)構(gòu)包括洞外結(jié)構(gòu)(邊仰坡、洞門(mén)及明洞結(jié)構(gòu))和洞口段襯砌結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 隧道結(jié)構(gòu)分類(lèi)

2.2.2 隧道震害分類(lèi)

通過(guò)震區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，公路隧道震害可分為14種類(lèi)型。

2.2.2.1 隧道拱部震害類(lèi)型

拱部襯砌結(jié)構(gòu)震害類(lèi)型：A襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰，有一定走向)；B襯砌開(kāi)裂(不能確定裂縫方向，呈片狀或網(wǎng)狀)；C混凝土剝落；D襯砌錯(cuò)臺(tái)；E混凝土掉塊；F二次襯砌垮塌；G隧道垮塌；I施工縫開(kāi)裂；J襯砌滲水(圖5)。

2.2.2.2 隧道底部震害類(lèi)型

隧道底部震害類(lèi)型：K路面開(kāi)裂(裂縫清晰，有一定走向)；L路面開(kāi)裂(不能確定裂縫方向，呈片狀或網(wǎng)狀)；M仰拱錯(cuò)臺(tái)；N仰拱隆起；P路面滲水(圖6)。

圖6 隧道底部震害類(lèi)型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧道震害情況及災(zāi)后重建三階段的需要，對(duì)隧道襯砌震害程度分為5級(jí)(表1、表2)

表1 隧道襯砌震害程度

表2 鋼筋混凝土襯砌段震害評(píng)估分級(jí)

3 隧道震害特征統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害統(tǒng)計(jì)與分析

斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害以二次襯砌垮塌為主，占到了29.5 %；襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰，有一定走向)和隧道垮塌次之，分別占到了20.64 %和17.07 %；綜合隧道震害長(zhǎng)度為1 506 m，占統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度的87.51 %(圖7)。

圖7 斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害綜合統(tǒng)計(jì)

綜上，不易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的斷層隧道不需要進(jìn)行特別的抗震設(shè)防；易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的斷層隧道應(yīng)進(jìn)行特殊的抗震設(shè)防。

3.2 洞口結(jié)構(gòu)震害統(tǒng)計(jì)與分析

洞口淺埋段震害統(tǒng)計(jì)與分析見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 洞口淺埋段震害統(tǒng)計(jì)

圖9 洞口過(guò)渡段震害統(tǒng)計(jì)

洞口過(guò)渡段震害以襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰，有一定走向)為主，占43.13 %；路面開(kāi)裂(裂縫清晰，有一定走向)次之，占到了31.54 %；出現(xiàn)了二次襯砌垮塌震害，占3.32 %。綜合隧道震害長(zhǎng)度為881 m，占統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度的79.16 %。洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌，這主要與圍巖存在軟硬交界面，同時(shí)由于處于隧道深埋段。

4 汶川地震公路隧道震害特征

4.1 隧道洞口震害特征

(1)按7度設(shè)防的隧道洞口段襯砌在地震烈度為8度及8度以下時(shí)震害較輕(少數(shù)隧道出現(xiàn)輕微裂縫)，未出現(xiàn)二襯垮塌、隧道垮塌等嚴(yán)重震害；在地震烈度為9～10度時(shí)，出現(xiàn)了二襯垮塌嚴(yán)重的震害類(lèi)型，但未出現(xiàn)隧道垮塌；在地震烈度為11度時(shí)，出現(xiàn)了隧道垮塌最為嚴(yán)重的震害類(lèi)型。

(2)軟巖隧道洞口淺埋段由于考慮了抗震設(shè)防，未出現(xiàn)二次襯砌垮塌這樣嚴(yán)重的震害類(lèi)型；軟巖隧道洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌嚴(yán)重的震害類(lèi)型(龍溪隧道和酒家埡隧道)。

4.2 斷層破碎帶段隧道震害特征

(1)滑動(dòng)斷層隧道：出現(xiàn)了二襯垮塌、圍巖垮塌等嚴(yán)重的震害類(lèi)型。

(2)非滑動(dòng)斷層隧道：出現(xiàn)了二襯垮塌等震害類(lèi)型，但破壞程度與出現(xiàn)頻率低于滑動(dòng)斷層。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)“5·12”汶川地震后川、甘、陜?nèi)≈亍O重災(zāi)區(qū)國(guó)省干線及典型縣鄉(xiāng)道路公路隧道，共計(jì)18條線路56座隧道進(jìn)行了震害調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和特征分析，得出如下結(jié)論：

(1)隨著地震烈度的增加，隧道破壞得越嚴(yán)重。

(2)斷層破碎帶的主要震害特征是二襯垮塌、圍巖垮塌等，斷層錯(cuò)動(dòng)引起的強(qiáng)制位移是斷層震害的主要原因，此外圍巖條件軟弱、斷層帶寬度及二次襯砌剛度不足也會(huì)加劇震害程度。

(3)洞口段震害與地震烈度有關(guān)，地震烈度9度以上有二襯垮塌和圍巖垮塌等現(xiàn)象。軟巖隧道洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌的嚴(yán)重震害類(lèi)型，應(yīng)考慮抗震設(shè)防。

5.2 展望

目前，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保和防災(zāi)救災(zāi)方面日益重視，特長(zhǎng)公路隧道內(nèi)復(fù)雜多樣的通風(fēng)除塵和人員疏散所需使隧道斷面變化極大。隧道斷面不連續(xù)性是隧道結(jié)構(gòu)震害擴(kuò)大的原因，目前相關(guān)研究較少，值得進(jìn)一步研究。