隧道地震破坏的主要形式及影响因素分析

皇民;刘马群;王安华;郭廷喜

【摘 要】随着我国交通基础设施的飞速发展,大量的铁路、公路隧道以及城市地铁相继修建.然而,国内外现有抗震规范中关于地下洞室等地下结构的条文都十分简略,难以适应高烈度地震区地下洞室的建设发展.在对以往隧道震害调查的基础上,分析隧道震害破坏的主要形式,并总结影响隧道震害的主要因素,对当前隧道抗减震设计具有一定的指导意义.

【期刊名称】《交通科技与经济》

【年(卷),期】2010(012)001

【总页数】3页(P60-62)

【关键词】隧道;震害;破坏形式;影响因素

【作 者】皇民;刘马群;王安华;郭廷喜

【作者单位】河南工程学院,土木工程系,河南,郑州,451191;西南交通大学,土木工程学院,四川,成都,610031;河南工程学院,土木工程系,河南,郑州,451191;陕西省机械施工公司路桥公司,陕西,西安,710032;陕西煤化建设(集团)有限公司,陕西,西安,710021

【正文语种】中 文

【中图分类】U458

1995年以前,抗震工程学者曾指出:关于地下结构,虽然迄今为止尚无严重震害事例,但从地下结构受震破坏的经验来看,可以设想这类结构今后仍有可能出现震害,设计时对此应有必要的充分准备。1995年日本阪神大地震中,许多地下结构受到不同程度的破坏,特别是部分地铁车站和区间隧道受到严重破坏。正是由于不断出现的隧道震害,人们开始对地下结构的抗震安全性进行了大量研究,初步研究表明,地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征,在某些情况下,同样会产生严重甚至强于地面结构的破坏。

1 隧道结构震害实例

20世纪全球发生过许多地震,对地下结构造成了不同程度的损害,从而为深入研究隧道震害机理提供了大量必要而宝贵的资料。以下列举了具有代表性,反映了绝大多数隧道破坏形式的地震灾害[1-4]。

1995年日本阪神发生7.2级地震,在地震区有100多座隧道发生了不同程度的破坏。神户市地下铁道多数车站有震害现象发生,特别是大开站和止泽站,破坏最为严重,混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂等破坏现象随处可见。大开车站地表面是28号国道,在长100 m、宽30 m的范围内,路面发生3～4 m下沉,在沿地铁线路的表面出现了连续几十米长的裂缝。山阳新干线的新神户站的东西两侧六甲隧道横切六甲断层系,穿过活断层,隧道的水泥内壁有100处裂缝。隧道内检查通道在百米范围内出现裂缝,但线路都没有发生异常情况。归纳区间隧道的破坏形式,主要是裂缝,其中多为侧墙中间的轴向弯曲裂缝。在接头处也有损害,混凝土脱落,钢筋外露以及竖向的裂缝,在破坏较为严重处,中

柱的上下端也有损坏。

1999年台湾省集集地震后,对总共57座隧道作出的系统调查发现,49座隧道受到了衬砌混凝土块龟裂、掉落,甚至钢筋弯曲等不同程度的破坏。台湾省中部距离发震断层25 km范围内的44座受损隧道中,严重受损者占25%,中等受损者占20%,轻微受损者占55%,并且隧道的破坏与地质条件、隧道结构等多种因素有关。

2008年四川省汶川县5.12地震致使多条交通线特别是宝成铁路及都汶高速公路上多座隧道严重损坏,衬砌开裂变形,洞口仰坡大面积塌方致使交通处于瘫痪状态。宝成线宝鸡—广元段323座隧道有31座隧道在5◦12地震中受到不同程度的损坏,震害率占隧道总数的9.6%,典型病害形式可归纳为:其中洞口边仰坡落石10座;洞门结构损坏4座;棚洞损坏2座;明洞砸坏2座;衬砌开裂、漏水剥落13座。另外,都汶高速公路的多座隧道也受损严重,其中龙溪隧道已经建成的2 000多米洞壁大面积破碎、开裂,隧道路面也被挤压变形,整座隧道被连续的大塌方拦腰断成 5截,工程的损毁率达80%。

2 隧道地震破坏的主要形式

通过对大量隧道震害的调查,可以发现隧道破坏的主要形式如下所述[5]。

2.1 衬砌的剪切移位

当隧道建在断层破碎带上时,常常会发生这种形式的破坏,如图1所示。

图1 衬砌的剪切破坏

2.2 边坡破坏造成隧道结构破坏

破坏模式如图2所示,多发生于傍山偏压隧道。

2.3 衬砌破坏

由于衬砌属于刚性支护,抗弯剪能力较低,地震中比较容易发生开裂破坏,在高烈度地区甚至会导致衬砌塌方。其开裂破坏又可分为纵向裂损(见图3)、横向裂损(见图4)、裂损(见图5)、底板裂损(见图6)。

2.4 边墙破坏

图7为由于显著的边墙向内变形而造成的隧道破坏示意图。

图7 边墙变形破坏

2.5 隧道洞口塌方

隧道洞口塌方是一种常见的隧道震害,隧道洞身主体结构抗震能力较强,其在地震中一般为开裂或变形,较少有隧道洞身结构完全塌方的震害,但隧道洞口由于受围岩约束作用较小,一般为浅埋且围岩风化破碎,比较容易发生衬砌开裂或洞口塌方,并堵塞隧道洞口,造成交通瘫痪。

3 隧道震害的影响因素分析

3.1 地震震级及烈度的影响

地震震级为衡量一次地震释放能量大小的尺度。一次地震对地面的影响程度除了震级以外,主要还与震中距和震源深度有关。地震烈度指某一地区、地面及房屋建筑物等工程结构遭受一次地震影响的强烈程度,它为震级和震中距的综合参数,人们通常用地震烈度来衡量各地区所遭受的地震影响程度,也就是说震级越大,震中距越小,震源深度越浅,地震烈度就越大。

Sunil Sharma和Willian R.Judd[6]在1992年统计了隧道震害的情况,研究表明隧道大部分破坏是震级大于7级的地震,而且震级越大,隧道破损的程度也就越大。有71%的破坏震中距小于25 km,而且破坏的实例中有将近75%的震中距在50 km以内。

因此,随着地震烈度的增大,隧道遭受破坏的几率就越大,且破损程度也会增加。

3.2 埋深的影响

Sunil Sharma对隧道及地下结构埋深对地震的影响进行研究,他统计了132例遭受震害的地下结构,研究表明:隧道埋深大于50 m时破坏程度明显减小,在300 m以下没有严重的破坏,而且受破坏的地下洞室有35%的深度小于50 m。

因此,地下结构的震动变形受周围岩土体的约束作用显著,并且随着地下结构埋深的增加,隧道受到震害的几率也越来越小。

3.3 地层岩性及地质条件的影响

由于各种地层岩性的阻尼和地层性质有较大的差别,因此,地层岩性对地震波的传播及地下建筑结构地震动力响应有很大的影响。Sunil Sharma统计了沉积岩、火成岩、变质岩和松软堆积物等不同岩石类型的隧道破坏。在所有破坏案例中,卵砾石隧道中有79%的比例遭破坏,占全部破坏案例的12%;沉积岩隧道中有73%的比例遭破坏,占全部破坏案例的12%;火成岩隧道中有42%的比例遭破坏,占全部破坏案例的16%;变质岩隧道中有11%比例遭破坏,占全部破坏案例的1%。从以上数据可以看出松散堆积物由于地质条件较差,阻尼比较大,因此,在这种围岩中隧道容易在地震动力作用下产生破坏。

3.4 地下结构模式的影响

Dowding和Rozen[71,81]统计的71座铁路隧道和水工隧道的地震破坏,认为衬砌厚度较大地段损坏的百分率大于厚度较小的地段,其中厚40 cm的损害百分率为82%,厚30cm的为38%,厚20cm的为16%。

除此之外,在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位也容易发生破坏。墨西哥地震中发生的盾构法隧道与竖井连接部的环间织栓被剪断即是由于结构断面的急剧变化而使不同断面处产生了不同响应的结果。因此,地下结构与竖井、楼房等的结合部,地下结构断面发生突变处,地下与地面结构的交界处如隧洞的进出口部位,隧洞的转弯部位及两洞相交部位和紧急避车带等都是抗震的薄弱环节。

参考文献

[1]郑永来,杨林德.地下结构震害与抗震对策[J].工程抗震,1999(4):23-28.

[2]潘昌实.隧道地震灾害综述[J].隧道及地下工程,1990,11(2):1-9.

[3]潘昌实.隧道及地下结构物抗震问题的研究概况[J].世界隧道,1996(5):7-16.

[4]路仕洋.宝成铁路宝鸡—广元段隧道震害的调查与分析[J].国防交通工程与技术,2008(6):59-61.

[5]王秀英,刘维宁,张 弥.地下结构震害类型及机理研究[J].中国安全科学学报,2003,13(11):55-58.

[6]Sunil Sharma,Willian R.Judd.地震对地下工程的破坏[J].雷谦荣译.地下空间,1992(4):335-344.

[7]Dowing C.H.Earth quake stability of rock tunnel[J].Tunnels and Tunnelling.June,1979,15-20.

[8]Dowing C.H.and Rozen A.Damage to rock tunnels from earthquakes shaking[J].Journal of the geotechnical engineering division.ASCE,104,1978,175-191.