山嶺隧道地震震害原因及抗減震工程措施淺析

李過

摘要：在“5?12”汶川大地震中，很多高烈度地區的鐵路隧道及公路隧道都遭受了嚴重的損壞，對震害實例進行收集并歸納分析得到了隧道震害的原因。同時以某單線鐵路隧道為例，通過地震系數法計算得到了隧道在地震作用下的破壞特點，分析其結構抗震的薄弱環節，對隧道抗減震工程措施進行了總結。

以前工程界一直認為隧道及地下結構是抗震性能比較優越的工程建筑。然而近幾十年隧道及地下結構的地震災害實例不斷增多。尤其西部山嶺隧道洞口段因其地質條件差、覆蓋層薄以及存在邊坡滑坡、崩塌和泥石流等邊坡地質災害而更加容易受損，是隧道抗震的薄弱環節。如在“5?12汶川大地震”中，隧道的震害現象尤為明顯。寶成線、廣岳線等鐵路隧道及都汶公路、劍閣至青川公路的龍溪隧道、龍洞子隧道、酒家埡隧道等大量公路隧道由于處于高烈度地震區（烈度約Ⅶ-Ⅺ度），都遭受了嚴重損壞。

1 隧道震害原因分析

“5?12汶川大地震”中，隧道洞口區域震害主要為：洞口邊仰坡垮塌、掩埋洞口；邊仰坡防護、截排水溝開裂變形；洞口落石、局部邊仰坡地面開裂變形；洞門墻及洞口附近襯砌開裂等，見圖1和圖2。

對“5.12汶川地震”影響范圍內的大量鐵路、公路隧道震害進行收集并歸類分析，認為其震害原因如下：（1）隧道洞口及洞口段是隧道工程的薄弱部位，由于地質條件差，在邊仰坡開挖高陡或懸崖峭壁下的洞口，在隧道洞口工程處理范圍外的巖石經長期風化剝蝕后，在地震過程中極易形成坍塌、落石等次生災害，造成洞口堵塞，洞門結構開裂、錯臺甚至損毀。（2）修建年代早、技術標準（建筑材料、襯砌結構形狀等）低，抗震設防標準低、部分隧道施工質量差以及隧道本身存在病害或質量缺陷等是造成“5.12汶川地震”后，襯砌出現病害或病害加劇的重要原因。（3）隧道震害的產生與隧道附近的地質構造、地形條件密切相關。（4）“5.12汶川地震”震級高，震中附近地震烈度遠高于隧道結構的設防烈度，是造成震中附近隧道產生嚴重震害的主要原因。

2 抗減震工程措施研究

以某單線鐵路隧道工程為例，設計時速為140km/h，開挖跨度B=6.4m，隧道洞口段上方的覆蓋土層厚度約為1B（6.4m）。襯砌厚度0.4m，襯砌密度為25kN/m3，彈性模量為32.25e9N/m2；圍巖彈性模量150e6N/m2，密度19kN/m3，內摩擦角45°。計算地震烈度分別為Ⅵ度（地震力水平作用系數為0.1g）、Ⅶ度（地震力水平作用系數為0.2g）、Ⅷ度（地震力水平作用系數為0.3g）和Ⅸ度（地震力水平作用系數為0.4g）。根據地震系數法的基本原理，建立荷載—結構計算模型，得到在不同地震烈度條件下的襯砌結構彎矩內力，見圖3至圖6。

從圖3至圖6中可知：隧道襯砌結構在地震荷載作用下，襯砌在共軛45°方向上彎矩內力值較大，而拱頂和仰拱中心卻相對小的多，即內力最大值多發生在邊墻與仰拱銜接處，隧道斷面面積發生突變時的拱腰也是較大內力值位置。這兩個部位是隧道結構的薄弱點，在進行抗震設計時應予以加強。

隧道抗減震主要工程措施如表1所示。

3 結語

在對 “5.12汶川地震”影響范圍內的大量鐵路、公路隧道震害收集、調研的基礎上，進行了歸類分析，得到以下經驗：（1）隧道埋深較淺的洞口段是隧道地震破壞的主要部位，隧道洞口段邊仰坡的垮塌、坍滑、危巖落石是對運營安全影響最大的震害，同時應加強隧道洞門、洞口段結構，不應采用端墻式洞門。邊、仰坡的防危巖落石設計也應納入抗震設計范圍。（2）隧道區域實際地震烈度與設防地震烈度相適應時，隧道洞口段襯砌結構基本不產生震害，建議對高地震烈度區隧道進行抗震能力驗算。（3）“5.12汶川地震”等地震顯示了，隧道洞口坡面以外地震過程產生大量的次生災害，如：山體崩塌、危巖落石、流坍、滑坡復活等，建議增加對洞口不良地質，如：滑坡、巖堆、順層，以及洞口其它在地震過程可能產生次生災害的地質條件進行地震安全評價，并采取相應的抗震措施。（4）洞口軟硬圍巖接觸帶、松散堆積體地段應重點設防，必要時應擴大襯砌斷面，以便發生震害后可以及時進行修復，避免大拆大改。（5）隧道襯砌應采用曲墻帶仰拱的襯砌形式，震區隧道應設置變形縫，變形縫間距根據圍巖狀況調整，同時在隧道洞口段采用鋼筋混凝土等延性結構。

參考文獻

[1] 張蔑.隧道震害綜述.鐵道工程建設科技動態報告文集[C].中國鐵道出版社,1993.

[2] 潘昌實.隧道地震災害綜述[J].隧道及地下工程.1990,Vol.11(2):1-9.

[3] Wang W L, et al. Assessment of damage in mountain tunnels due to the Taiwan Chi Chi Earthquake[J].Tunneling and Underground Space Technology. 2001, Vol.16:133-150.

[4] 宋勝武.汶川大地震工程震害調查分析與研究[M].北京:科學出版社,2009.

[5] 中國土木學會城市軌道交通技術推廣委員會,5.12汶川大地震后震區城市軌道交通調研報告[J].2008.

[6] 李喬.趙世春等著.汶川大地震工程震害分析[M].成都:西南交通大學出版社,2008.