青海門源M6.9地震典型隧道破壞特征分析與啟示

張 威,李 明,姬云平,李國良,趙錄學,李守剛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

普遍認為隧道結構具有良好的抗震性能,地震對隧道結構的破壞也較為輕微。1995年日本阪神地震及1999年臺灣省集集地震對地下結構造成嚴重破壞,逐步改變了人們對地下結構耐震性的認識。2008年“5.12”汶川地震對震區(qū)公路隧道造成了嚴重的坡壞,跨活動斷層段的隧道震害尤為顯著?，F有關活斷層錯動造成隧道破壞的研究多利用模型試驗、數值仿真等方法對跨斷層隧道近似模擬分析,往往無法全面考慮圍巖內部節(jié)理、裂隙及區(qū)域構造特征,以致相關研究有待進一步完善[1];以調查為基礎的研究,多分析區(qū)域內隧道的宏觀震害現象[2-3],未對活動斷層錯動造成線位偏移現象、斷層破壞影響范圍、典型震害特征規(guī)律等進行深入研究;此外,左旋走滑逆斷層錯動造成隧道嚴重破壞的案例,目前未見相關報道。

本文以2022年青海門源6.9級地震震害嚴重的蘭新高鐵大梁隧道為典型案例,通過現場調查,研究并總結左旋走滑逆斷層造成的隧道震害特征,從中得到啟發(fā)性認識,以期為同類工程研究、設計及建造提供借鑒。

1 地震概況

2022年1月8日1時45分青海省門源縣發(fā)生M6.9地震,震源深度10 km。發(fā)震斷裂為青藏高原北東緣祁連—海原斷裂中西段的冷龍嶺斷裂(F5),該斷裂具左旋走滑性質。震中位于F5斷層南側約3～4 km,距蘭新高鐵大梁隧道最近距離約4.5 km。震中、斷層及鐵路位置關系如圖1所示。

震后地表形成一條橫穿大梁隧道出口仰坡山體的主裂縫,裂縫近東西向延伸,長約21.5 km,最大位錯量約3.1 m。地震造成G227國道、引磺濟金輸水隧洞、蘭新高鐵大梁隧道等工程發(fā)生嚴重破壞(圖2),其中G227國道路面開裂寬度達10 cm,引磺濟金輸水隧洞局部段落整體垮塌,蘭新高鐵大梁隧道跨活動斷層段線位嚴重偏移、邊墻擠出錯斷、二襯壓潰,道床隆起,排水系統(tǒng)淤塞,電力、通信設備破壞[4]。

圖2 地震誘發(fā)典型震害Fig.2 Typical seismic damages induced by earthquake

中國地震局于1月11日發(fā)布了《青海門源6.9級地震烈度圖》[5],根據最新烈度變化范圍,蘭新高鐵大梁隧道K1965+525.24～K1967+418調整為8度區(qū),K1967+418至K1972+093.06調整為9度區(qū)。

2 隧道概況

2.1 設計概況

大梁隧道地處青海省海北州門源縣,隧址位于祁連山中高山區(qū),最高海拔約4 430 m,隧道最大埋深約800 m,起迄里程為K1965+525.24～K1972+093.06,全長6 567.82 m,采用雙線斷面,線間距5 m。隧道于線路左側K1968+584處設一座永久斜井,長1 070 m,隧道進口段、洞身、出口段分別設置三處泄水洞及三處臨時輔助施工平導[6]。詳見大梁隧道平面示意圖3。

圖3 大梁隧道平面示意圖Fig.3 Plane of Daliang tunnel

2.2 地質概況

隧道洞身地層巖性主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r夾板巖、板巖夾砂巖,斷層破碎帶主要為碎裂巖,兩端洞口主要為第四系坡積粉土、細角礫土、卵石土、碎石土等。

隧道穿越北祁連褶皺帶,由于受強新構造運動影響,該區(qū)發(fā)生多次構造變形,地質構造復雜,斷裂及褶皺發(fā)育。工程區(qū)發(fā)育1條斷層,1個向斜。

(1) 斷層

F5斷層為左旋走滑逆斷層,總體走向N60°W～EW,產狀N60°～80°W/50°～70°S,在大梁隧道出口段通過。門源6.9級地震后,根據地表裂縫和洞內破壞程度,判定F5斷層在線路里程K1971+400～K1971+680段通過,寬約280 m,傾角50°～70°S,與線路平面夾角70°,為第四系全新世活動斷裂(圖4)。斷層上盤地層為奧陶系結晶灰?guī)r夾條帶狀板巖,下盤為二疊系淺白色、灰白色砂巖,該斷層形成于加里東期,燕山期復活,破碎帶內以斷層角礫為主。

圖4 地表主裂縫、斷層及隧道位置關系圖Fig.4 Positional relationship of main surface cracks,fault,and tunnel

(2) 褶皺

洞身發(fā)育有五牛河腦—托拉溝上游向斜,北西西向緩波狀分布于冷龍嶺南坡,五牛河腦—老虎溝腦—托拉溝上游一帶。斷裂切割其南北兩側,構造形態(tài)不完整,兩翼不對稱,表現為北陡、南緩,傾角一般分別約70°～75°,50°～65°,核部巖性主要為灰?guī)r夾板巖。該褶皺為一緊密線性褶皺,軸脊線波狀起伏,軸面略北東傾,總體呈西端揚起之勢。

3 隧道震害調查

3.1 正洞震害情況

根據現場調查,K1971+341～K1971+691段隧道震害表現嚴重,隧道出口K1971+691～K1972+093及洞身K1970+695～K1971+341段震害表現較嚴重,其余地段震害總體輕微,各段落震害特征具體如下:

(1) K1971+341～K1971+691段隧道線位嚴重錯動,水平最大偏移量約1.78 m,最大抬升高度約0.68 m;道床隆起嚴重,最大隆起高度約0.7 m,鋼軌呈蛇形扭曲或懸空,扣件崩落,軌道板整體側掀破壞;兩側水溝蓋板擠壓上鼓,水溝側壁傾斜,局部壓碎,部分段落襯砌拱部連續(xù)壓潰碎裂。斷層上盤邊界錯斷處襯砌邊墻擠出破壞,其中右邊墻內擠最大位錯約1.8 m,左邊墻內擠最大位錯約1.5 m,鋼筋扭曲變形,防水板撕裂外露,接觸網吊柱傾垂欲落,左旋走滑特點顯著(圖5),斷層下盤及其它位置未發(fā)生明顯擠出破壞。

圖5 震害嚴重段現場調查照片Fig.5 Site investigation photos of severely damaged section

(2) K1970+695～K1971+341、K1971+691～K1972+093段震害主要為襯砌錯臺,局部剝落掉塊,拱部及邊墻環(huán)向、縱向或斜向不連續(xù)開裂,個別位置滲水,仰拱填充層多段縱向連續(xù)開裂,部分附屬洞室內墻開裂(圖6)。

圖6 震害較嚴重段現場調查照片Fig.6 Site investigation photos of relatively serious damaged section

以上震害中錯臺1處,寬約10 cm,為左邊墻受擠壓作用形成;嚴重剝落掉塊10處,每處長1.5～10 m不等,掉塊面積0.5～15 m2不等,外露鋼筋彎曲變形,總體表現為拱部與左邊墻受損相對嚴重;其余典型震害為裂縫,襯砌裂縫多沿環(huán)向分布,裂縫寬度多小于3 mm,每處裂縫一般少于3條。

震害較嚴重段明顯受斷層左旋擠壓作用影響,但影響程度顯著弱于斷層破碎帶。

3.2 泄水洞震害情況

根據現場調查,進口泄水洞及高位泄水洞結構基本完好,無明顯震損,洞內排水順暢。出口泄水洞靠近斷層,震害突出,主要表現為結構壓潰、掉塊,邊墻內擠錯臺,拱部及邊墻大段落分布有縱向、斜向長裂縫,最大寬約12 mm。擠壓嚴重地段,底板最大隆起高度可達1.6 m,拱部大面積壓潰塌落,導致洞內嚴重堵塞(圖7)

圖7 泄水洞震害現場調查照片Fig.7 Site investigation photos of seismic damage of drain cavern

3.3 輔助坑道震害情況

(1) 平導

平導震害主要集中在隧道出口靠近F5斷層段,具體表現為剝落掉塊、錯臺、鋼架扭曲變形、局部塌方等(圖8)。

圖8 平導震害現場調查照片Fig.8 Site investigation photos of seismic damage of parallel adit

(2) 斜井

斜井震害主要表現為:噴錨襯砌局部剝落掉塊,底板嚴重隆起開裂,最大隆起高度約50 cm(圖9)。

圖9 斜井震害現場調查照片Fig.9 Site investigation photos of seismic damage of inclined shaft

4 隧道震害特征統(tǒng)計與分析

本次大梁隧道震害主要集中在斜井至出口K1968+395～K1972+093段,主要震害類型為線位錯動、剝落掉塊、擠壓裂縫、道床隆起等,現針對此段震害統(tǒng)計分析如下:

4.1 線位錯動

由圖10(a)所示的現場對CPIII點位實測偏移曲線可看出,隧道線位從進口至K1971+500附近,逐步向右水平偏移,偏移量為0.22～1.78 m,從K1971+500至隧道出口,CPIII點位水平位移方向發(fā)生反轉,開始由右向左偏移,偏移量為0.62～1.10 m。

隧道內CPIII點位高程由進口至錯斷處逐步抬升,最大抬升高度約0.68 m,之后向出口方向逐步回落,并呈下沉之勢,隧道出口震后高程比原設計高程低約0.22 m。

4.2 剝落掉塊

由圖10(b)～(d)可知,剝落掉塊主要位于F5活斷層范圍內,集中在K1971+341～K1971+691(350 m)段,剝落掉塊面積約352.58 m2,占全部剝落掉塊面積的66.06%,其中拱部占總面積比最大,約32.19%,左邊墻次之,約9.61%,其余部位總體相差不大。具體表現形式為拱部縱向大面積連續(xù)壓潰掉塊,并引起斜向或網狀壓潰裂縫,上盤邊界錯斷處襯砌內擠垮塌,施工縫兩側擠壓掉塊尤為嚴重。

斷層下盤向大里程K1971+691～K1972+093(402 m)段,剝落掉塊面積約2.84 m2,占全部剝落掉塊面積的0.53%,其中拱部、左邊墻、右邊墻占總剝落掉塊面積比分別約0.44%、0.06%、0.04%,其余部位無剝落掉塊,具體表現形式為剝落掉塊多沿施工縫兩側零星分布。

斷層上盤向小里程K1970+695～K1971+341(646 m)段,剝落掉塊面積約159.05 m2,占全部剝落掉塊面積的29.80%,其中拱部、左邊墻占比較大,分別為7.78%、7.68%,左拱腰占比最小,約3.37%,其余部位無大面積、長段落連續(xù)壓潰掉塊現象,個別嚴重受損襯砌由于受斷層左旋擠壓及上盤向上錯動作用,形成錯臺或出現剝落掉塊。

K1968+395～K1970+695(2 300 m)段,剝落掉塊面積約19.25 m2,占全部剝落掉塊面積的3.61%,多沿施工縫兩側分布。

4.3 擠壓裂縫

由圖10(e)～(g)可知:

(1) 裂縫縱向分布特征:F5活斷層范圍內裂縫大量集中,為壓潰致裂型裂縫,斷層兩側裂縫隨距離逐步減少。

(2) 裂縫走向特征:斷層范圍內裂縫多呈斜向或不規(guī)則網狀分布,其他段落裂縫多呈環(huán)向分布。

(3) 裂縫環(huán)向分布特征:總體邊墻裂縫多于拱部裂縫。

4.4 道床隆起開裂

由圖10(h)可知,K1971+385～K1971+700道床相對隆起量顯著,最大可達695 mm,發(fā)生在斷層錯斷附近,震害表現為道床隆起側掀,并被切割為塊狀,鋼軌呈波浪狀嚴重扭曲變形,仰拱填充等無筋結構與主體結構剝離脫空達10～20 cm,損毀嚴重。其他段落道床相對隆起量較小,但道床基礎素混凝土大段落分布有縱、橫向或斜向裂縫,表面受彎拉作用明顯。

圖10 震后調查統(tǒng)計圖Fig.10 Post-earthquake survey statistics

根據上述震害統(tǒng)計特征分析可得,大梁隧道出現嚴重震害主要是由F5斷層錯動引起,該斷層在地震作用下上盤抬升,下盤相對下降,錯動過程具有一定左旋走滑特征,具體表現為斷層南面的上盤向東北抬升,斷層北面的下盤向西南下降,進而帶動斷層南側的線位東偏,斷層北側的線位西偏,越靠近斷層帶偏移量越大,如圖11所示[4,7],造成隧道在斷層上盤邊界附近線位嚴重偏移后呈“S”形偏轉,結構邊墻內擠錯斷,襯砌大面積壓潰掉塊以及大段落擠壓開裂,道床嚴重隆起等震害。

圖11 大梁隧道線位與斷層錯動關系示意圖Fig.11 Relationship between line position and fault dislocation of Daliang tunnel

由于現有研究尚不能全面反映強震作用下左旋走滑逆斷層破壞特征[8-9],針對性修復措施[10-18]仍需進一步完善,后續(xù)復舊中可從重視斷層邊界破壞放大效應、預留合理線位擬合空間、節(jié)段采用“初期支護+二襯雙節(jié)段”、素混凝土結構增設防裂纖維等方面進行綜合處治。

5 結論與啟示

本文針對青海門源6.9級地震中震害嚴重的蘭新高鐵大梁隧道,通過現場調查分析,研究了高烈度區(qū)穿左旋走滑逆斷層隧道的震害特征,得出以下結論及啟示:

(1) 具有左旋走滑性質的逆斷層發(fā)生位錯時,可引起線路平縱線形發(fā)生大范圍左右偏移或上下波動,造成線路擬合順接困難,以致須降低高鐵標準或拆除部分隧道,因此,今后類似新建工程,以隧道形式穿越活動斷層時,線路布線應考慮預留適當的平、縱線形擬合空間,以備線位偏移時能在較短路徑內擬合順接,快速實現鐵路搶修保通目標。

(2) 隧道穿越的F5活斷層為具有左旋走滑性質的逆斷層,隧道受破壞嚴重段約350 m,震害主要表現為拱部縱向大面積連續(xù)壓潰掉塊,裂縫以斜向為主,上盤錯斷處襯砌邊墻整體擠出;受破壞較嚴重段分別位于嚴重段大里程側402 m和小里程側646 m范圍內,震害表現為襯砌剝落掉塊零星分布,個別嚴重位置邊墻內擠形成錯臺或出現掉塊,裂縫多沿隧道環(huán)向分布,且邊墻裂縫較為突出;其余段落震害總體輕微。

(3) 強震作用下,施工縫為襯砌震害發(fā)生的薄弱部位,嚴重擠壓掉塊多沿施工縫兩側分布;同時,仰拱及填充層易發(fā)生開裂、隆起、剝離脫空,造成道床破壞,后續(xù)修復中采用“初期支護+二襯雙節(jié)段”的設計具有一定實踐價值。

(4) 應重視高烈度過斷層區(qū)防災救援工程及泄水洞工程的抗震設防措施(如采用鋼筋混凝土模筑襯砌、設置一定曲率的仰拱等),以避免強震作用下防災救援工程坍塌,影響搶修,或引起泄水洞堵塞,造成正洞水路不通,道床涌水,浸泡基礎,造成正洞結構二次損傷。

(5) 強震可在活動斷層邊界造成災難性后果,而活動斷層的邊界具有一定隱蔽性,因此,勘察中聯合多種勘探手段,多舉并措,準確探明活動斷層的邊界具有重要意義。此外,以往研究和設計中多強化斷層破碎帶的抗震措施,忽視了斷層邊界錯動造成的嚴重后果,因此對活動斷層邊界錯動引起的破壞放大效應深入研究,并在設計時予以區(qū)別對待。

(6) 運營期宜加強隧道監(jiān)測,在斷裂帶附近設置相應的結構健康監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測圍巖和襯砌結構的變形及受力情況,發(fā)現異常,及時采取應急措施,確保行車安全。