5-6專題：隧道工程地震災(zāi)害評價

地震對隧道的破壞是客觀存在的。20世紀(jì)以來從世界地震震害資料可以看出，當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)7度時，就有隧道發(fā)生輕微破壞的先例，且洞身修復(fù)困難，甚至中斷行車，給國民經(jīng)濟造成重大的損失。

1906年美國舊金山發(fā)生8.3級地震，嚴(yán)重破壞了位于斷裂帶上的兩座隧道；1923年日本關(guān)東發(fā)生8.2級地震，震區(qū)鐵路線上82座隧道遭到破壞或變形；

1952年美國克斯發(fā)生7.7級地震，穿越地震斷裂帶的四座鐵路隧道全部都發(fā)生了嚴(yán)重破壞；6.1隧道的震害類型及特征6.1.1

國內(nèi)外隧道震害實例

1983年距上海市150km以外的洋面上發(fā)生6級地震，打浦路管片上的出現(xiàn)了5座可見裂縫；1995年在日本阪神大地震中,地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大破壞，車站結(jié)構(gòu)破壞尤為明顯。圖6-1所示為神戶高鐵大開6.1隧道的震害類型及特征圖6-1日本大開地鐵車站在阪神地震中遭到破壞6.1隧道的震害類型及特征車站的震害情況，該車站用明挖法于1964年建成，中間柱（B400×D1000mm，3.5m）約30根完全破壞，頂板下沉約3m，隧道斷面變成M形。隧道的中柱上端或下端混凝土剝落，鋼筋彎曲。在線路方向及垂直方向上，軸向鋼筋鼓出，箍筋也有許多破壞的，在側(cè)壁的隅角部分也發(fā)生裂縫及變位但無顯著破壞。在阪神大地震中，山嶺隧道也遭到嚴(yán)重的破壞。主要是側(cè)壁的壓潰裂紋及拱部剪切剝落及環(huán)向開裂。許多建于20世紀(jì)60年代的隧道，由于設(shè)計時未考慮淺埋地層變形的影響，隧道結(jié)構(gòu)的變形性能不能承受這次大地震，拱頂部分發(fā)生較嚴(yán)重的剪切裂紋及剝落，隧道橫斷面方向發(fā)生混凝土片的剝落。如山陽新干線的六甲隧道，長16235m，橫切六甲斷層系，地震后隧道的水泥內(nèi)壁有眾多裂縫，裂縫長達(dá)數(shù)十米的地方有3處，隧道的檢查通道在百米范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫。6.1隧道的震害類型及特征

1999年9月21日，我國臺灣省臺中地區(qū)發(fā)生了里氏7.3級地震（集集地震）,那次大地震造成2375人死亡,10000多人受傷，30000多座建筑物倒塌。地震發(fā)生后,通過對臺中地區(qū)57座山嶺隧道進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)除了8座隧道未受損壞外,其余49座都有不同程度的損壞,而且表現(xiàn)出不同形式的損壞,如襯砌開裂、襯砌剝落、洞門破壞、地下水涌入、鋼筋鼓出及彎曲、襯砌移位、底板開裂及由于邊坡破壞造成的隧道坍塌。6.1隧道的震害類型及特征公路受損概況：

造成21條高速公路、16條國省干線公路、2.4萬公里農(nóng)村公路的路基路面、橋梁隧道等結(jié)構(gòu)物不同程度受損，受損里程近2.8萬公里（其中高速公路近200公里、國省干線公路3800公里、農(nóng)村公路24100公里），損壞國省干線橋梁670座、45323延米，隧道24座、20417延米.圖6-2汶川大地震公路受損示意圖6.1隧道的震害類型及特征6.1.2

汶川大地震隧道震害表6-1四川災(zāi)區(qū)56座公路隧道調(diào)查和評估結(jié)果（據(jù)四川省公路設(shè)計院，2008）6.1隧道的震害類型及特征表6-2按隧道長度所占震害比例統(tǒng)計分類（據(jù)四川省公路設(shè)計院，2008）6.1隧道的震害類型及特征都江堰－映秀：

都汶高速（紫坪鋪隧道、龍洞子隧道、龍溪隧道）

映秀-汶川：

都汶公路臥龍連接線（燒火坪隧道）都汶公路二級路段（單坎梁子隧道、草坡隧道、桃關(guān)隧道、福堂壩隧道、徹底關(guān)隧道、毛家灣隧道、皂角灣隧道）

圖6-3都汶公路11座隧道示意圖6.1隧道的震害類型及特征1.洞口邊坡滑塌與崩塌（13處）洞口邊坡滑塌6.1隧道的震害類型及特征圖6-4洞口邊坡滑塌圖6-5龍洞子隧道出口的震害6.1隧道的震害類型及特征6.1隧道的震害類型及特征圖6-6龍溪隧道出口高陡邊坡崩落

2.洞門裂損主要發(fā)生在端墻式和柱墻式洞門結(jié)構(gòu)中。

6.1隧道的震害類型及特征圖6-7桃關(guān)隧道圓弧形端墻開裂與松脫max:50cm洞口段坍方（5處）3.襯砌及圍巖坍塌

圖6-8龍溪隧道K21+575-580拱部地震坍方6.1隧道的震害類型及特征圖6-9龍溪隧道二襯坍落6.1隧道的震害類型及特征圖6-10縱向裂縫4.襯砌開裂及錯位都汶公路11座隧道中8座隧道出現(xiàn)了不同程度的襯砌開裂

6.1隧道的震害類型及特征圖6-11橫向張裂6.1隧道的震害類型及特征圖6-12環(huán)向破裂與錯臺（最大可達(dá)20cm）6.1隧道的震害類型及特征圖6-13斜向剪裂6.1隧道的震害類型及特征圖6-14底板強烈隆起5.底板開裂及隆起

6.1隧道的震害類型及特征6.1隧道的震害類型及特征圖6-15底板強烈隆起圖6-16初期支護鼓出、剪裂6.初期支護變形及開裂

6.1隧道的震害類型及特征圖6-17初期鋼架潰屈6.1隧道的震害類型及特征6.1隧道的震害類型及特征地下隧道屬于幾何線性結(jié)構(gòu)，在地震荷載的作用下，由于周圍介質(zhì)的存在，其動態(tài)反應(yīng)會呈現(xiàn)出與地面建筑不同的特性，主要變現(xiàn)為：1)地下隧道的振動變形受周圍介質(zhì)的約束作用明顯,結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)一般不明顯。2)在地震荷載作用下,當(dāng)?shù)叵滤淼澜Y(jié)構(gòu)存在明顯慣性或周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)間的剛度失配時,結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生過度變形而破壞。3)地下隧道震害多發(fā)生在地質(zhì)條件有較大變化的區(qū)域;相反如果地質(zhì)條件均勻,即便震級較大,結(jié)構(gòu)也較安全。4)地下隧道若穿過地質(zhì)不良地帶也易遭震害。5)結(jié)構(gòu)斷面形狀及剛度發(fā)生明顯變化的部位，如隧恫進(jìn)出口等部位均為抗震的薄弱環(huán)節(jié)。6)地下隧道的破壞形式主要是彎曲裂縫、豎向裂縫棍凝土脫落和鋼筋外露等。6.1隧道的震害類型及特征(1)襯砌的剪切移位。當(dāng)隧道建在斷層破碎帶上時,常常會發(fā)生這種形式的破壞。在臺灣“9·21”地震中,位于斷層帶上的一座輸水隧道就發(fā)生了這種破壞。由于斷層的移位,該輸水隧道在進(jìn)水口下游180m處發(fā)生了剪切滑移,如圖6-18所示,隧道在豎直方6.1隧道的震害類型及特征6.1.2隧道震害的主要表現(xiàn)形式向分開4m,在水平方向分開3m,整個隧道發(fā)生嚴(yán)重破壞。圖6-18襯砌剪切移位圖(2)邊坡破壞造成的隧道坍塌,如圖6-19所示。圖6-19邊坡破壞造成的隧道坍塌6.1隧道的震害類型及特征(3)襯砌開裂在地震中,襯砌開裂是最常發(fā)生的現(xiàn)象。這種形式的襯砌破壞又可分為縱向裂損(見圖6-20)

、橫向裂損(見圖6-21)、斜向裂損(見圖6-22)

、斜向裂損進(jìn)一步發(fā)展所致的環(huán)向裂損(見圖6-23)、底板裂損(見圖6-24)以及沿著孔口如電纜槽、避車洞或避人洞發(fā)生的裂損(見圖6-25)。6.1隧道的震害類型及特征圖6-20襯砌縱向裂損圖圖6-21襯砌橫向裂損圖6.1隧道的震害類型及特征圖6-22襯砌斜向裂損圖圖6-23襯砌環(huán)向裂損圖圖6-24底板裂損圖圖6-25孔口附近襯砌裂損圖6.1隧道的震害類型及特征(4)邊墻開裂如圖6-26所示為由于顯著的邊墻向內(nèi)變形造成的隧道破壞。這種變形可以造成邊墻襯砌的大量開裂,甚至導(dǎo)致邊溝的倒塌。圖6-26邊墻變形6.2隧道震害的機理及影響因素6.2.1隧道震害的機理分析現(xiàn)場調(diào)查表明,隧道及地下結(jié)構(gòu)的震害形態(tài)的差異與地震強度、震中距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質(zhì)條件、襯砌條件、隧道與圍巖的相對剛度、施工方法、施工的難易程度以及施工過程中是否出現(xiàn)坍方等有密切關(guān)系。根據(jù)以往地下結(jié)構(gòu)在地震中所表現(xiàn)的行為可知,地震的主要或次要效應(yīng)均可使隧道結(jié)構(gòu)遭受破壞。這些效應(yīng)包括兩個方面:6.2隧道震害的機理及影響因素(1)

圍巖失穩(wěn),主要指圍巖的變形、差異位移、震害和液化；(2)

地震慣性力,主要指強烈的地層運動在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的慣性力所造成的破壞。因此,圍巖失穩(wěn)和地震慣性力作用是地下結(jié)構(gòu)震害的兩種主要原因。對于同一程度的大地?fù)u動而言,如果僅論及結(jié)構(gòu)的慣性力,地下結(jié)構(gòu)要比地面結(jié)構(gòu)安全的多。這是因為地下結(jié)構(gòu)處于周圍地層的約束之中,并與地層一起運動。因而,地下結(jié)構(gòu)在地震運動過程中,僅僅按照其相對于地層的質(zhì)量密度和剛度分擔(dān)一部分地震變形和荷載,而不像地面結(jié)構(gòu)那樣,承擔(dān)全部的慣性力。（1）橫截面方向：隧道洞身段：在巖石地層中,由于地下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量密度和巖石相比并沒有顯著差異,所以,地下結(jié)構(gòu)洞身遭受地震慣性力破壞的發(fā)生概率較低；洞身結(jié)構(gòu)之所以有慣性力破壞的現(xiàn)象發(fā)生,主要是由于地下結(jié)構(gòu)與地層之間出現(xiàn)了較大的空隙而消弱了地層的約束作用,因而實際上相當(dāng)于提高了襯砌結(jié)構(gòu)的相對質(zhì)量密度,造成其分擔(dān)的地震慣性力超過了極限。隧道洞口及淺埋地段：由于地層約束較弱,破壞發(fā)生的概率一般較高。地震慣性力和圍巖失穩(wěn)均為主要因素6.2隧道震害的機理及影響因素（2）縱向方向：長線形結(jié)構(gòu)物,地震波的相位衍生應(yīng)力和變形在隧道軸線方向上會發(fā)生很大變化,這實際上構(gòu)成了隧道結(jié)構(gòu)破壞的重要方面,而且表現(xiàn)為埋深越淺,破壞作用越顯著。解釋：隧道和圍巖在地震波通過時一起運動,且隨著地震波的傳播,振動能量沿隧道軸線從一點移動到另一點,則在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部同時產(chǎn)生縱向的拉壓和橫向的剪切兩種作用,如果這兩種作用的結(jié)果超過隧道本身的抗力極限,那么結(jié)構(gòu)自然就會產(chǎn)生破壞。6.2隧道震害的機理及影響因素研究表明:隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向的拉壓和橫向的剪切兩種作用的能力,并不因結(jié)構(gòu)剛度的加強而有很大改善。所以,隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計原則應(yīng)當(dāng)考慮這種破壞作用,使設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的韌性以吸收地震所產(chǎn)生的相位衍生應(yīng)力和相對變位,同時又不損害其承受靜載的能力。一味加強結(jié)構(gòu),試圖讓結(jié)構(gòu)去抵抗相當(dāng)大的強制變位所產(chǎn)生的內(nèi)力是不現(xiàn)實的。6.2隧道震害的機理及影響因素6.2.2隧道震害的影響因素6.2隧道震害的機理及影響因素隧道埋深及結(jié)構(gòu)形式。在許多情況下,隧道的破壞隨埋深增加而降低。據(jù)國外統(tǒng)計資料顯示:在硬質(zhì)巖隧道中：當(dāng)埋深小于50m

的時候隧道發(fā)生破壞的幾率很大,高達(dá)同組的57.89%,其中嚴(yán)重破壞率為10%；當(dāng)深度大于50m時破壞程度會明顯降低,嚴(yán)重破壞率一般為1%～2%；當(dāng)深度超過100m

則幾乎不會發(fā)生嚴(yán)重的破壞。隧道結(jié)構(gòu)斷面形狀和剛度發(fā)生明顯變化的部位容易發(fā)生破壞。如緊急停車帶、支洞洞口處等。2)所處巖層類型和地質(zhì)構(gòu)造。隧道所處的地質(zhì)條件直接影響地震作用時隧道周圍介質(zhì)對隧道作用力的大小和方式,而作用于隧道上力的方式對隧道的破壞形式有決定性的作用。表6-31999年臺灣集集地震隧道震害統(tǒng)計隧道內(nèi)次級斷裂帶兩側(cè)一定范圍內(nèi)，震害特別顯著。如：龍溪隧道進(jìn)口左洞LK22+115附近發(fā)育F8斷層，震后發(fā)現(xiàn)在該斷層兩側(cè)各約100m范圍內(nèi)（LK22+011~LK22+220）出現(xiàn)二襯砼坍落、開裂和錯臺以及仰拱隆起（最大達(dá)60cm）等嚴(yán)重震害現(xiàn)象。6.2隧道震害的機理及影響因素3)地震烈度大量震害資料表明:地震的震級和震中距(地震烈度)對地下結(jié)構(gòu)的震害有顯著影響。在相同的場地條件下平均震害率隨地震烈度的增加而增加。汶川地震中，距離震中越近的隧道震害越強烈。燒火坪隧道和龍溪隧道就在震中映秀附近，因此，其震害程度非常嚴(yán)重；都汶公路高速段的三座隧道距離汶川地震中的直線距離小于20km，震害均為嚴(yán)重受損，而且隨著震中距的減小隧道受損變得更加嚴(yán)重。6.2隧道震害的機理及影響因素4)隧道所處的空間方位①平行或是斜交于隧道洞軸線傳播的地震波會引起隧道軸向變形和彎曲變形；②垂直或是近于垂直隧道洞軸線傳播的地震波會引起隧道環(huán)形變形；6.2隧道震害的機理及影響因素周圍巖土介質(zhì)與支護結(jié)構(gòu)剛度失配,容易在兩者間產(chǎn)生較大的相互地震作用力,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過度變形而破壞。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨襯砌厚度的增加而增大。因此增加襯砌厚度對結(jié)構(gòu)抗震并不利,反而會增加成本,浪費材料。因此在進(jìn)行隧道設(shè)計時,襯砌厚度的選擇應(yīng)該綜合考慮。5)隧道結(jié)構(gòu)及支護厚度圖6-28龍溪隧道：振動觸發(fā)地應(yīng)力瞬間釋放：仰拱強烈隆起、右邊墻突出6)地應(yīng)力6.2隧道震害的機理及影響因素（1）選址與規(guī)劃設(shè)計方面在強震區(qū)避免隧道直接穿越活動斷裂，穿越活動斷裂帶的次級斷層時必須要加強抗震設(shè)防措施，在次級斷裂帶兩側(cè)一定范圍內(nèi)二次襯砌應(yīng)采用鋼筋混