汶川地震中隧道结构的震害分析
汶川地震中隧道结构的震害分析
李廷春;殷允腾
【摘 要】汶川地震中,地下结构特别是隧道这一长线型结构震害严重.参照汶川地震中两条严重受损隧道的地形地貌、地质构造、围岩特征、断面及支护参数等相关资料,利用隧道结构的地震破坏机理,对其破坏形态进行理论分析,研究破坏产生的原因.研究发现除了震中距、地震波入射方向、隧道结构形式、基岩交界面、施工情况等因素外,特殊地段没有采取特殊的支护或加固措施,是造成隧道破坏的关键,尤其是当隧道遇到断层破碎带、不稳定边坡、高地应力区等不良地质环境时,地震对隧道的惯性力破坏及地基失效破坏作用巨大.因此,进行抗震设计时应采取具有针对性的支护设计方案,防止由于局部破坏,影响整条隧道的正常使用.%Underground structure, especially the long linear tunnel, was severely damaged in Wenchuan earthquake. Based on the general failure mechanism of underground structure, the failure patterns and the damage causes of two severely damaged tunnels in Wenchuan earthquake were analyzed according to topographic features, geological structure, characteristics of surrounding rocks, sections and support parameters and so on relative ref
erences. The research indicates that the key factors of tunnel seismic damage are not taking special support or reinforcement measures in special district besides epicentral distance, incident angle of seismic wave, structural form of tunnel, interface of structure and rocks, construction etc. Earthquake will play great role in inertial force damage and foundation failure of tunnel, especially when tunnel subjects to fault fracture zone, unstable slope of tunnel portal, high ground stress and so on adverse geological environment. So, the targeted supporting design should be taken to prevent local failure in special district from affecting the normal use of the whole tunnel when anti-seismic design is conducted.
【期刊名称】《工程爆破》
【年(卷),期】2011(017)001
【总页数】5页(P24-27,7)
【关键词】汶川地震;隧道;震害分析;抗震启示
【作 者】李廷春;殷允腾
【作者单位】山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),山东青岛266510;山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),山东青岛266510
【正文语种】中 文
【中图分类】P631.4+12;U459.2
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1 引 言
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地震发生后人们首先关注的是人员的伤亡、财产的损失以及地面建筑倒塌的数量,而忽略隧道的破坏状况,这是完全可以理解的。但是,在很多地震特别是汶川地震的应急救援中,隧道起到了应急通道的关键性作用,因此必须加强隧道的震害分析及抗震研究。
这次汶川特大地震为逆冲、右旋、挤压型断层地震,发生在地壳脆-韧性转换带,震源深度约为14km。由于震级大、持续时间较长,地震造成了不少隧道严重受损。其中都汶公路、国道213线、剑青公路以及宝成铁路等路段上的多条隧道出现了洞口边仰坡垮塌,洞口被掩埋;
洞门墙开裂、渗水;洞身衬砌环向、纵向、斜向开裂错台,局部掉块、垮塌,拱顶整体掉落并渗水;地下水、瓦斯聚集;钢筋扭曲、断裂,锚杆垫板脱落;路面仰拱隆起、沉陷等轻重不同程度的震害〔1〕。
2 隧道的地震破坏机理大寒是几月几日2022
铃木吉姆尼五门版曝光一般认为,隧道结构由于受到周围岩土体介质的强约束作用,其抗震性能优于地面建筑,但是随着高等级公路的发展,隧道将会遇到更多更复杂的不良地质环境,尤其是隧道穿越断层破碎带、土岩软硬结合部、振动液化区、高地应力区等地段时,其破坏程度会严重加剧。
一般来说,围岩失稳和地震惯性力作用是引起隧道结构震害的两种主要原因。
(1)围岩失稳破坏即地基失效破坏,主要指当地震来临时,围岩首先在强大的地震动作用下发生振动变形、破裂、差异位移、液化等现象,继而导致隧道结构的破坏。
(2)地震惯性力破坏即地震动破坏,主要指在土质或破碎、松软地层中,由于隧道结构的刚度及质量密度比地层大,从而约束了地层的变形,承担大的惯性力及变形能,造成隧道结构的破坏。
就隧道结构的横向而言,在密实的岩石地层中,围岩自身稳定性好,可分担部分地震能量,发生破坏的概率较低。而对处于埋深较浅的洞口、与地层之间有较大空隙或处于松散、软弱土层地段或脆性岩体段的洞身,发生惯性力或地基失稳破坏的概率相对较高。
就隧道结构的轴向而言,地震波在地层介质中按一定方向、以一定速度传播,使地层中的结构依次受到激振。各点之间由于地震波到达的时间不同和具有一定的相位差,使结构处于异步运动状态,当结构尺寸接近或大于地震波的波长时,结构内部在不均匀振动下容易发生激烈的内部碰撞,产生较大的接触应力,如果这种作用力超过隧道本身的抵抗力极限,结构就会发生破坏。
总之,地震波通过地基(岩土)传播到隧道,由于隧道和岩土体介质的材料特性不同,会产生不同的地震动响应,同时地震波会在隧道-地基交界面产生散射波场〔2〕。散射波场和原来的自由波场叠加,如同新的地震波再一次作用于隧道-地基系统;不同的地震动响应会在接触面上产生相互作用力,加剧地基失稳和隧道破坏。因此,隧道的地震破坏过程就是地震波在隧道-地基系统内进行传播时引起的隧道和地基的动力反应过程及相互作用过程。
3 汶川地震中隧道的地震破坏状况
现场调查及理论研究发现〔1,2,5-7〕,隧道的震害与许多因素密切相关,如果脱离了地质资料、地震环境及结构形式等因素而直接去研究隧道的震害是没意义的。下面结合汶川地震中两条严重受损的龙溪隧道和龙洞子隧道的相关资料〔1〕,描述其震害形态,分析震害产生的原因,研究破坏机理。
在突发的“5◦12”汶川大地震中,都江堰、映秀及汶川地区灾情特别严重,映秀至汶川的公路交通完全中断,都江堰至汶川公路沿线隧道严重破坏。
3.1 都汶公路龙溪隧道破坏状况
3.1.1 隧道工程概况
龙溪双洞公路隧道单洞净宽 9.25m、左洞长3658m,右洞长3691m,双洞轴线相距30m,最大埋深839m,地应力大,为深埋特长隧道。龙溪隧道震中距为49km,地震基本烈度为7度。隧道采用台阶法施工,地震灾害来临时尚未贯通。
3.1.2 破坏状况
学士服 颜(1)洞口段。龙溪隧道所处区域山体地形破碎、沟谷较多,洞口为全风化或破碎的花岗岩高陡斜坡,洞口边坡防护范围不足及强度不够,出口边坡坡顶花岗岩在地震中崩落,致使框架锚杆护坡结构局部破坏,并堆积于洞口。
隧道洞口段埋深浅,围岩松散,衬砌结构与地层之间有较大空隙,其质量密度较围岩大,因此在大的地震惯性力作用下,隧道进洞口端多处衬砌混凝土坍落,地面仰拱张裂,隆起高度达0.5m之多;隧道出口端出现环向剪切张拉破碎带,隧道衬砌纵横向、斜向和环向裂缝发育,混凝土开裂、剥落,施工缝开裂,衬砌发生错台,错台最大距离达到20mm。
(2)洞身段。龙溪隧道洞身位于映秀(F3)与龙溪断层(F2)之间,穿越张家山背斜和六池塘向斜褶曲及F8断层,节理裂隙发育,围岩强度低、稳定性差。地震发生时围岩首先失稳破坏(如断层上下盘沿断层面错动),致使二次衬砌剪切错台,混凝土开裂并脱落、钢筋剪切扭曲、初支钢架溃屈变形。另外,隧道穿越的软岩及软、硬岩互层段占总长的70%左右,岩性为泥岩、泥质粉砂岩、夹砂岩及炭质泥岩、薄煤层,呈不等厚互层状,围岩刚度和密度小,隧道结构在大的地震惯性力作用下,二次衬砌与围岩同时坍塌,几乎封洞。二次衬砌坍落主要发生在只有初期支护、二次衬砌尚未施工的拱腰以上部位,混凝土有张性和剪性两种断裂面。龙溪隧道为
深埋特长隧道,轴线方向远大于地震波长。地震时隧道结构处于异步运动状态,结构内部在不均匀振动下发生了激烈的内部碰撞,从而产生了较大的接触应力,造成地面仰拱和底板多处隆起并发生纵向和横向张裂,最大隆起高度达1.2m。
3.2 都汶公路龙洞子隧道的破坏状况
3.2.1 隧道工程概况
龙洞子双洞公路隧道为三心圆曲边墙结构,断面净宽10.4m、拱高7.0m,左洞长1070m、右洞长1032m,中线间距34.5～41.5m。龙洞子隧道震中距为30km,隧址区地震基本烈度为7度。隧道采用NATM法施工,地震灾害来临时已经贯通。

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