《公路隧道抗震設計規范》新規定

文 《公路隧道抗震設計規范》編寫組成員、重慶交通大學 林志

經過8年的研究與編制，《公路隧道抗震設計規范》（以下簡稱《規范》）已于2019年11月26日頒布、2020年3月1日起正式實施，規范編號為JTG 2232-2019，為強制性標準。圍繞建立“隧道抗震性能化設計方法”的總體目標，《規范》提出了基于使用功能的隧道抗震設防分類、不同設防分類隧道的三級地震動設防水準、對應不同地震動設防水準的隧道三級性能水平和性能目標、地震反應計算方法、結構性能參數選取及其設計控制目標等成果，建立了公路隧道性能化抗震設計方法，并將之推展涵蓋鉆爆、盾構、沉管和明挖等所有隧道形式。

鏈接 《公路隧道抗震設計規范》編制背景

我國《公路工程抗震設計規范》自1977年編制之后，經歷了兩次修訂。1989版《公路工程抗震設計規范》（以下簡稱“89版規范”）首次規定了隧道抗震設計內容。現行《公路工程抗震設計規范》（JTG B02-2013）（以下簡稱“13版規范”）在隧道抗震部分基本與89版規范保持一致。其中，隧道抗震設防分類簡單的按照公路等級劃分；隧道抗震目標依舊是“小震不壞、中震可修、大震不倒”的定性設防目標；仍然采用“一水準設防、一階段設計”的原則，確定滿足小震下隧道結構性能要求，但能否滿足中震和大震下隧道結構性能要求則不確定；抗震計算方法沒有進步，以靜力法為主，不能適用于盾構和沉管等隧道的抗震計算。

十年前，建筑結構基于性能的抗震設計方法不斷發展和完善，在諸如：地震動設防水準、結構性能水平和性能目標、抗震設計方法等方面逐漸成熟，相關成果納入了規范。近十年來，建筑抗震研究日益重視韌性設計，旨在建筑結構遭遇地震襲擊時，依賴本身的功能就可使其特性及運行模式保持或快速恢復到地震前狀態。相比較而言，我國隧道抗震設計還停留在一階段—彈性設計階段，沒有專門的隧道抗震設計規范，在抗震設防分類、抗震性能要求、抗震計算方法等方面都比較落后。隨著高速公路向山區、特別是高烈度區延伸，傳統的山嶺隧道抗震要求需要提高。同時，近年來隨著城市化進程的加速和人民日益高漲的交通需求，軟土地區城市隧道工程和穿江越海的水下隧道工程日益增多，這類工程的抗震要求更高。近二十年來，隧道與地下工程領域也已經開展了大量的抗震研究和工程實踐，可以支撐將性能化抗震設計理念引入隧道抗震領域。但是，既有研究重在地震響應規律和抗震措施，對于性能化抗震設計方法沒有明確成果，專門的隧道抗震設計規范還很少。

為保證隧道震后使用功能，確保隧道運營安全，保障災后生命線暢通，交通運輸部于2012年啟動了《規范》的編制工作。

公路隧道性能化抗震設計方法體系

首先，根據公路等級、隧道規模、跨度大小、結構類型、破壞后果、修復難度等，《規范》將隧道抗震設防分為A、B、C、D四類，如表1所示，并將其使用范圍從鉆爆法隧道，擴展到盾構法隧道、沉管法隧道和明挖法隧道。

表1 隧道抗震設防分類

其次，按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震總體設防目標，考慮與13版規范抗震性能目標的延續性和一致性，參考國內外隧道抗震設計目標要求，《規范》首次定量擬定了公路隧道三級抗震性能水平及其要求，并規定了在兩級設防地震作用下（E1和E2）四類隧道的抗震設防目標，如表2所示。

隧道結構的抗震性能水平及其要求根據設防目標分成3個等級。

表2 各類隧道的抗震設防目標

性能要求1，即地震后襯砌結構應力低于彈性極限，處于彈性狀態；結構無破壞，結構物功能保持震前狀態。

性能要求2，即地震后襯砌結構應力超過彈性極限，但在屈服強度以內，結構處于彈性向彈塑性過渡狀態；結構局部輕微損傷，不需維修或簡單加固后可繼續使用。

性能要求3，即地震后襯砌結構應力超過屈服強度，未達到結構最大承載力，結構處于彈塑性狀態、未失穩；結構產生損傷破壞，但不應出現局部或整體坍塌，通過修復和加固可以恢復結構物功能。

最后，細化了不同設防類別隧道在不同設防地震作用下的抗震設計方法，即三類設計方法—1類開展“二水準設防，兩階段抗震分析”和抗震驗算，并滿足抗震措施要求；2類進行“一水準設防，一階段抗震分析”和抗震驗算，并滿足抗震措施要求；3類僅開展抗震措施設計即可。

“二水準設防，兩階段設計”的抗震設計方法

89版規范規定的設計地震作用采用“抗震重要性系數”和“綜合影響系數”進行調整，《規范》將上述2個系數整合成1個系數，僅采用“抗震重要性系數”來調整設計地震動參數，取消了“綜合影響系數”，如表3所示。

為實現《規范》提出的“兩階段設計”的性能化抗震設計目標，在原規范僅有山嶺隧道結構彈性階段（性能要求1）強度驗算標準的基礎上，補充了隧道結構彈塑性階段（性能要求2和性能要求3）的強度驗算安全系數，如表4和表5所示。同時，在原規范僅有的“綜合安全系數法”基礎上，參考國標《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），《規范》引入分項安全系數法，驗算方法如式1所示，并通過專題研究確定材料分項系數，如表6所示。

深中通道沉管隧道在抗震設計中已經采用了《規范》 蘇振飛 攝

表3 各類隧道的抗震重要性系數Ci

表4 結構性能要求2的綜合安全系數

表5 結構性能要求3的綜合安全系數

表6 材料分項系數γf

在參考建筑抗震和日本盾構抗震設計標準基礎上，《規范》還制定了彈塑性階段（性能要求2和性能要求3）的隧道變形驗算指標及其限值，如表7所示，矩形斷面結構采用層間位移角限值作為指標；首次提出鉆爆法隧道（或類圓形隧道）采用最大收斂值作為指標；圓形斷面結構采用直徑變形率作為指標。

港珠澳大橋在抗震設計中也采用了《規范》

此外，《規范》開展了全面系統的拱形（馬蹄形）隧道結構地震響應分析：基于混凝土彈塑性損傷本構，對不同巖土體剛度、埋深、結構剛度進行了大量的數值計算，獲取了基于損傷度的隧道結構抗震能力曲線，如圖1所示，并研究其與震害之間的對應關系；在研究結構的響應敏感性和具有性能指標特征的基礎上，選取了以隧道最大變形率（即最大收斂值）作為性能抗震指標；在典型抗震能力曲線上研究劃分三級性能水平，即結構完好、輕微破壞和較嚴重破壞。

表7 結構變形驗算控制值

綜合考慮設計、施工和養護等各環節的影響，經過統計分析，最終建議的性能指標值分別為：性能要求2，最大收斂值取5‰；性能要求3，最大收斂值取15‰。

圖1 基于損傷度的隧道結構抗震能力曲線

三大類隧道抗震計算方法

《規范》修訂了傳統靜力法，對原規范僅有的慣性力法進行修正，考慮了在計算隧道拱頂土柱地震慣性力時，上覆土柱計算高度不可能無限增長，存在一個最大的上覆土柱等效計算高度值。隧道拱頂處上覆土柱等效計算高度（Hv）取值如表8所示。

《規范》中隧道抗震計算方法包括靜力法、反應位移法及時程分析法，計算方法的選取如表9所示。

《規范》還提出在抗震計算中，巖土體及結構材料的力學性能指標宜選用動態力學指標。混凝土的動態彈性模量可較其靜態值提高30%，混凝土的動態強度值可較靜態值提高20%，充分挖掘了材料的抗震性能。

表8 拱頂上覆土柱等效計算高度（Hv）取值

表9 隧道抗震計算方法

鉆爆法、盾構法、沉管法和明挖法隧道的抗震設計方法

鉆爆法隧道在13版規范基礎上，《規范》補充了鉆爆法隧道地震反應計算方法的適用條件、隧道的抗震強度和穩定性驗算范圍，細化了襯砌抗震措施、明洞抗震措施，增加了特殊結構隧道（棚洞和半隧道）的抗震設計要求。隧道抗震強度和穩定性驗算范圍如表10所示。

盾構法隧道《規范》編制了盾構法隧道抗震設計內容、抗震計算內容及計算方法、計算模型選取、隧道抗震驗算重點部位、抗震措施。

表10 隧道抗震強度和穩定性驗算范圍

沉管法隧道《規范》編制了沉管隧道結構構件抗震設防標準、沉管隧道管節結構、地基與基礎的地震反應計算內容及計算方法、計算模型、材料本構關系；編制了抗震驗算重點部位、結構橫向驗算、結構（含接頭）縱向驗算、接頭位移控制指標；編制了地基與基礎、主體結構和接頭抗震措施、抗液化措施。沉管隧道抗震設防標準要求如表11所示。

明挖法隧道《規范》編制了明挖隧道計算要點（地震作用選取、計算方法、計算模型）、結構驗算、抗震措施。

鏈接 《規范》應用過程中的注意事項

《規范》是一本公路隧道結構抗震設計標準，使用過程中應與有關土建整體設計規范配套使用，例如《公路隧道設計規范》《公路隧道設計細則》等。

近年來，工程抗震設計方法研究進展較快，性能化抗震設計、可恢復抗震設計和韌性設計等還在不斷發展。今后，應繼續加強對隧道與地下工程抗震設計方法的研究，以便盡早納入《規范》。

表11 沉管隧道抗震設防標準