李過
摘要:在“5?12”汶川大地震中,很多高烈度地區(qū)的鐵路隧道及公路隧道都遭受了嚴(yán)重的損壞,對(duì)震害實(shí)例進(jìn)行收集并歸納分析得到了隧道震害的原因。同時(shí)以某單線鐵路隧道為例,通過地震系數(shù)法計(jì)算得到了隧道在地震作用下的破壞特點(diǎn),分析其結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié),對(duì)隧道抗減震工程措施進(jìn)行了總結(jié)。
以前工程界一直認(rèn)為隧道及地下結(jié)構(gòu)是抗震性能比較優(yōu)越的工程建筑。然而近幾十年隧道及地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害實(shí)例不斷增多。尤其西部山嶺隧道洞口段因其地質(zhì)條件差、覆蓋層薄以及存在邊坡滑坡、崩塌和泥石流等邊坡地質(zhì)災(zāi)害而更加容易受損,是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。如在“5?12汶川大地震”中,隧道的震害現(xiàn)象尤為明顯。寶成線、廣岳線等鐵路隧道及都汶公路、劍閣至青川公路的龍溪隧道、龍洞子隧道、酒家埡隧道等大量公路隧道由于處于高烈度地震區(qū)(烈度約Ⅶ-Ⅺ度),都遭受了嚴(yán)重?fù)p壞。
1 隧道震害原因分析
“5?12汶川大地震”中,隧道洞口區(qū)域震害主要為:洞口邊仰坡垮塌、掩埋洞口;邊仰坡防護(hù)、截排水溝開裂變形;洞口落石、局部邊仰坡地面開裂變形;洞門墻及洞口附近襯砌開裂等,見圖1和圖2。
對(duì)“5.12汶川地震”影響范圍內(nèi)的大量鐵路、公路隧道震害進(jìn)行收集并歸類分析,認(rèn)為其震害原因如下:(1)隧道洞口及洞口段是隧道工程的薄弱部位,由于地質(zhì)條件差,在邊仰坡開挖高陡或懸崖峭壁下的洞口,在隧道洞口工程處理范圍外的巖石經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕后,在地震過程中極易形成坍塌、落石等次生災(zāi)害,造成洞口堵塞,洞門結(jié)構(gòu)開裂、錯(cuò)臺(tái)甚至損毀。(2)修建年代早、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(建筑材料、襯砌結(jié)構(gòu)形狀等)低,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低、部分隧道施工質(zhì)量差以及隧道本身存在病害或質(zhì)量缺陷等是造成“5.12汶川地震”后,襯砌出現(xiàn)病害或病害加劇的重要原因。(3)隧道震害的產(chǎn)生與隧道附近的地質(zhì)構(gòu)造、地形條件密切相關(guān)。(4)“5.12汶川地震”震級(jí)高,震中附近地震烈度遠(yuǎn)高于隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度,是造成震中附近隧道產(chǎn)生嚴(yán)重震害的主要原因。
2 抗減震工程措施研究
以某單線鐵路隧道工程為例,設(shè)計(jì)時(shí)速為140km/h,開挖跨度B=6.4m,隧道洞口段上方的覆蓋土層厚度約為1B(6.4m)。襯砌厚度0.4m,襯砌密度為25kN/m3,彈性模量為32.25e9N/m2;圍巖彈性模量150e6N/m2,密度19kN/m3,內(nèi)摩擦角45°。計(jì)算地震烈度分別為Ⅵ度(地震力水平作用系數(shù)為0.1g)、Ⅶ度(地震力水平作用系數(shù)為0.2g)、Ⅷ度(地震力水平作用系數(shù)為0.3g)和Ⅸ度(地震力水平作用系數(shù)為0.4g)。根據(jù)地震系數(shù)法的基本原理,建立荷載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,得到在不同地震烈度條件下的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力,見圖3至圖6。
從圖3至圖6中可知:隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下,襯砌在共軛45°方向上彎矩內(nèi)力值較大,而拱頂和仰拱中心卻相對(duì)小的多,即內(nèi)力最大值多發(fā)生在邊墻與仰拱銜接處,隧道斷面面積發(fā)生突變時(shí)的拱腰也是較大內(nèi)力值位置。這兩個(gè)部位是隧道結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn),在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)。
隧道抗減震主要工程措施如表1所示。
3 結(jié)語
在對(duì) “5.12汶川地震”影響范圍內(nèi)的大量鐵路、公路隧道震害收集、調(diào)研的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了歸類分析,得到以下經(jīng)驗(yàn):(1)隧道埋深較淺的洞口段是隧道地震破壞的主要部位,隧道洞口段邊仰坡的垮塌、坍滑、危巖落石是對(duì)運(yùn)營(yíng)安全影響最大的震害,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)隧道洞門、洞口段結(jié)構(gòu),不應(yīng)采用端墻式洞門。邊、仰坡的防危巖落石設(shè)計(jì)也應(yīng)納入抗震設(shè)計(jì)范圍。(2)隧道區(qū)域?qū)嶋H地震烈度與設(shè)防地震烈度相適應(yīng)時(shí),隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生震害,建議對(duì)高地震烈度區(qū)隧道進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算。(3)“5.12汶川地震”等地震顯示了,隧道洞口坡面以外地震過程產(chǎn)生大量的次生災(zāi)害,如:山體崩塌、危巖落石、流坍、滑坡復(fù)活等,建議增加對(duì)洞口不良地質(zhì),如:滑坡、巖堆、順層,以及洞口其它在地震過程可能產(chǎn)生次生災(zāi)害的地質(zhì)條件進(jìn)行地震安全評(píng)價(jià),并采取相應(yīng)的抗震措施。(4)洞口軟硬圍巖接觸帶、松散堆積體地段應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防,必要時(shí)應(yīng)擴(kuò)大襯砌斷面,以便發(fā)生震害后可以及時(shí)進(jìn)行修復(fù),避免大拆大改。(5)隧道襯砌應(yīng)采用曲墻帶仰拱的襯砌形式,震區(qū)隧道應(yīng)設(shè)置變形縫,變形縫間距根據(jù)圍巖狀況調(diào)整,同時(shí)在隧道洞口段采用鋼筋混凝土等延性結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
[1] 張蔑.隧道震害綜述.鐵道工程建設(shè)科技動(dòng)態(tài)報(bào)告文集[C].中國(guó)鐵道出版社,1993.
[2] 潘昌實(shí).隧道地震災(zāi)害綜述[J].隧道及地下工程.1990,Vol.11(2):1-9.
[3] Wang W L, et al. Assessment of damage in mountain tunnels due to the Taiwan Chi Chi Earthquake[J].Tunneling and Underground Space Technology. 2001, Vol.16:133-150.
[4] 宋勝武.汶川大地震工程震害調(diào)查分析與研究[M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[5] 中國(guó)土木學(xué)會(huì)城市軌道交通技術(shù)推廣委員會(huì),5.12汶川大地震后震區(qū)城市軌道交通調(diào)研報(bào)告[J].2008.
[6] 李喬.趙世春等著.汶川大地震工程震害分析[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2008.