公路隧道震害特征分析

段曉彬，何 俊，何佳銀，荀其訓,王旭華,趙文垣

(1.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南昆明 650041；2.中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東濟南 250399；3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；4.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

1 公路隧道震害

我國的公路隧道大量修建于20世紀90年代以后，對于公路隧道抗震及減震技術的研究工作還進行得很少，公路隧道抗震及減震技術還缺乏系統性。“5·12”汶川大地震對我國公路隧道進行了一次實實在在的檢驗，在這次地震中首次出現了公路隧道受到嚴重破壞的情況(圖1)[1-5]，因此，有必要對公路隧道的抗震及減震技術進行系統性研究。

圖1 汶川地震災害

高烈度地震區交通運輸通道在強震條件下保證暢通是必須考慮的關鍵問題，特別對于云貴川等地區，高山、峽谷縱橫，交通運輸通道稀少、脆弱，保證強震條件下交通運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，以云南省新建項目楊林隧道為依托，開展高地震烈度區扁平大跨特長公路隧道抗減震技術研究。

楊林隧道是昆明繞城高速東南段的一座隧道，見圖2。楊林隧道為分離式三車道隧道，長約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。項目區域的地震動峰值加速度大于等于0.4g，屬于高地震烈度區。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為活動斷層，滑動速率約0.5 mm/a，見圖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隧道通風、空氣凈化與防災人員疏散等問題做了大量的工作，楊林隧道采用了較為先進的通風除塵裝置以及設計較為完善的疏散救援方案。然而通風設備的安置點與多種形式的疏散路徑導致楊林隧道主洞與附屬結構交叉的形式復雜，多洞平行交叉的問題凸顯。

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

2 公路隧道震害調查

“5·12”汶川地震后對四川、甘肅、陜西三省重、極重災區國省干線及典型縣鄉道路公路隧道，共計18條線路56座隧道進行了震害調查、統計和特征分析工作。

2.1 震害調查方法

(1)洞口區域檢測。采用目測、攝影及測量等手段對洞口區域進行檢測。

(2)隧道掉塊坍塌(坍方)情況調查。采用目測、攝影及測量等手段對隧道內掉塊、坍塌情況進行調查，查明掉塊、坍塌規模及影響范圍。

(3)襯砌強度檢測。采用超聲-回彈法對隧道二次襯砌進行強度檢測。超聲波法采用超聲波穿透混凝土內部，通過波速的變化來測定混凝土完整度；超聲-回彈綜合法則綜合回彈法和超聲波法的優點，使檢測結果更為準確可靠。檢測時測區布置：一般地段沿隧道縱向每50 m/測區，病害明顯地段視病害輕重情況加密測區。

(4)襯砌、路面(仰拱)結構裂縫及滲漏水調查。

采用目測、攝影及測量手段詳細調查隧道襯砌結構裂縫及滲漏水情況，準確繪制在裂縫及滲漏情況平面展示圖。結合隧道結構背后缺陷情況分析病害產生的原因，評價隧道整體結構的穩定性和可靠度。

2.2 隧道結構及震害分類

2.2.1 隧道結構

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

圖4 隧道結構分類

2.2.2 隧道震害分類

通過震區現場調查，公路隧道震害可分為14種類型。

2.2.2.1 隧道拱部震害類型

拱部襯砌結構震害類型：A襯砌開裂(裂縫清晰，有一定走向)；B襯砌開裂(不能確定裂縫方向，呈片狀或網狀)；C混凝土剝落；D襯砌錯臺；E混凝土掉塊；F二次襯砌垮塌；G隧道垮塌；I施工縫開裂；J襯砌滲水(圖5)。

2.2.2.2 隧道底部震害類型

隧道底部震害類型：K路面開裂(裂縫清晰，有一定走向)；L路面開裂(不能確定裂縫方向，呈片狀或網狀)；M仰拱錯臺；N仰拱隆起；P路面滲水(圖6)。

圖6 隧道底部震害類型

根據現場隧道震害情況及災后重建三階段的需要，對隧道襯砌震害程度分為5級(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估分級

3 隧道震害特征統計與分析

3.1 斷層破碎帶段隧道結構震害統計與分析

斷層破碎帶段隧道結構震害以二次襯砌垮塌為主，占到了29.5 %；襯砌開裂(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 %；綜合隧道震害長度為1 506 m，占統計長度的87.51 %(圖7)。

圖7 斷層破碎帶段隧道結構震害綜合統計

綜上，不易發生錯動的斷層隧道不需要進行特別的抗震設防；易發生錯動的斷層隧道應進行特殊的抗震設防。

3.2 洞口結構震害統計與分析

洞口淺埋段震害統計與分析見圖8、圖9。

圖8 洞口淺埋段震害統計

圖9 洞口過渡段震害統計

洞口過渡段震害以襯砌開裂(裂縫清晰，有一定走向)為主，占43.13 %；路面開裂(裂縫清晰，有一定走向)次之，占到了31.54 %；出現了二次襯砌垮塌震害，占3.32 %。綜合隧道震害長度為881 m，占統計長度的79.16 %。洞口過渡段出現了二次襯砌垮塌，這主要與圍巖存在軟硬交界面，同時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度設防的隧道洞口段襯砌在地震烈度為8度及8度以下時震害較輕(少數隧道出現輕微裂縫)，未出現二襯垮塌、隧道垮塌等嚴重震害；在地震烈度為9～10度時，出現了二襯垮塌嚴重的震害類型，但未出現隧道垮塌；在地震烈度為11度時，出現了隧道垮塌最為嚴重的震害類型。

(2)軟巖隧道洞口淺埋段由于考慮了抗震設防，未出現二次襯砌垮塌這樣嚴重的震害類型；軟巖隧道洞口過渡段出現了二次襯砌垮塌嚴重的震害類型(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)滑動斷層隧道：出現了二襯垮塌、圍巖垮塌等嚴重的震害類型。

(2)非滑動斷層隧道：出現了二襯垮塌等震害類型，但破壞程度與出現頻率低于滑動斷層。

5 結論與展望

5.1 結論

通過對“5·12”汶川地震后川、甘、陜三省重、極重災區國省干線及典型縣鄉道路公路隧道，共計18條線路56座隧道進行了震害調查、統計和特征分析，得出如下結論：

(1)隨著地震烈度的增加，隧道破壞得越嚴重。

(2)斷層破碎帶的主要震害特征是二襯垮塌、圍巖垮塌等，斷層錯動引起的強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加劇震害程度。

(3)洞口段震害與地震烈度有關，地震烈度9度以上有二襯垮塌和圍巖垮塌等現象。軟巖隧道洞口過渡段出現了二次襯砌垮塌的嚴重震害類型，應考慮抗震設防。

5.2 展望

目前，隨著國家對節能環保和防災救災方面日益重視，特長公路隧道內復雜多樣的通風除塵和人員疏散所需使隧道斷面變化極大。隧道斷面不連續性是隧道結構震害擴大的原因，目前相關研究較少，值得進一步研究。