張學(xué)朋，蔡 躍，蔣宇靜，劉保國，欒恒杰

(1.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室(培育)(山東科技大學(xué))，山東 青島 266590； 2.長崎大學(xué) 工學(xué)院，日本長崎市文教町1-14，8528521； 3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；4.城市地下工程教育部重點實驗室(北京交通大學(xué)), 北京 100044)

一般認(rèn)為，與地面建筑相比，隧道等地下結(jié)構(gòu)在地震時由于受到圍巖約束，震動幅度小且震動次數(shù)少，抗震性較好.因此，以往關(guān)于隧道的抗震設(shè)計相對較少.然而，近幾十年來發(fā)生的隧道震害表明了該認(rèn)識具有片面性，例如，1995年日本阪神地震、2008年中國四川汶川地震以及2016年日本熊本地震等.震區(qū)內(nèi)大量隧道受到了不同程度的破壞：阪神地震的震害隧道主要集中在20世紀(jì)60年代建的淺埋隧道，比如山陽新干線的六甲隧道，其拱頂產(chǎn)生了橫向剪切裂縫，另外拱墻交接處有壓縮性裂縫[1]；2008年汶川地震震區(qū)中隧道震害，除襯砌裂縫外，比較突出的還有隧道洞口部的坍塌[2]；而2016年日本熊本地震，隧道的破壞形式又有新的特點，環(huán)形裂縫均勻分布[3].以上實例表明，地震導(dǎo)致的隧道破壞受多種因素影響，機理相對復(fù)雜.研究隧道等地下結(jié)構(gòu)受地震力作用下的破壞特征和規(guī)律，對其防震減災(zāi)有重要的現(xiàn)實意義.

從細(xì)部研究隧道的震害，著重于力學(xué)方面的探討，是隧道震害研究的一個重要方面.但因地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及地震波的不確定性，這種方法受到很大制約.受地震作用影響下，地表變形運動是一種直接有效的地震作用機制觀測方法.有研究表明，2016年熊本地震中，地面震動和變形可能會對長大型結(jié)構(gòu)(如巖體)造成巨大的影響[4]，然而該研究沒有給出明確的研究結(jié)果.

為此，擬從地震前后地表變形角度，探討分析隧道的破壞特征，探求其兩者之間的相關(guān)信息，以便通過地表變形特征劃分地下結(jié)構(gòu)的震害影響區(qū)域，用于隧道等地下工程的防災(zāi)減災(zāi).

目前，分析地表變形時常用的數(shù)據(jù)是高清晰度垂直和傾斜航空照片以及機載激光測量數(shù)據(jù)(LiDAR)[5-8].機載激光測量系統(tǒng)由集成航空定位系統(tǒng)和機載激光掃描器構(gòu)成，其測量數(shù)據(jù)可以過濾植被影響，最近在巖土工程中的應(yīng)用越來越廣泛[9-13].目前為止，山嶺隧道的地震破壞研究中，相應(yīng)的定量分析研究還很少，且地表運動與地下結(jié)構(gòu)變形之間的相關(guān)性鮮有研究.本文通過實例分析，考察隧道周邊地表變形運動分布特征，對比其與俵山隧道震害的空間分布特征，探討地表變形與隧道震害之間的相關(guān)性.

1 2016年熊本地震簡介

2016年4月14日21點26分(日本標(biāo)準(zhǔn)時間，東九區(qū)時間)，日本熊本縣熊本地區(qū)發(fā)生震級6.5(Mj)的逆斷層型地震，震源深度約為11 km (2016年熊本地震前震)，地震源于日奈久斷層的錯位.2016年4月16日凌晨1點25分，由于布田川斷層發(fā)生走滑型破裂，該地區(qū)再次發(fā)生震級7.3(Mj)地震，震源深度約為12 km(2016年熊本地震主震).日本氣象廳將該一系列地震命名為“平成28年(2016年)熊本地震”.圖1為2016年熊本地震各地震震源分布圖(數(shù)據(jù)來源：日本國土交通省氣象廳，2016).

圖2為主震發(fā)生時熊本西區(qū)春日觀測點加速度波形，該地震波形分為南北方向(NS)、東西方向(EW)和上下方向(UD)3個分量.由圖2可知，該觀測點地震加速度波形水平分量(NS和EW分量)大于上下分量，NS分量峰值為605.9 cm/s2，EW分量峰值為551.5 cm/s2，而上下分量峰值僅為405.2 cm/s2；另外該監(jiān)測點NS分量大于EW分量，表明該區(qū)域地表運動方向以南北向運動為主.表1給出了熊本震區(qū)內(nèi)多個觀測點最大加速度值的水平和垂直分量，可以看出，水平分量大于上下分量(南阿蘇中松觀測點除外)，水平分量中南北分量和東西分量的比重所占不同，表明地震波由于地形條件差異等因素的影響，在各個區(qū)域的傳播方向會有所不同，如春日觀測點區(qū)域以南北向傳播為主，而上天草市大矢野町區(qū)域以東西向傳播為主.

圖1 2016年熊本地震各地震震源分布

Fig.1 Epicenter distribution map of the 2016 Kumamoto earthquake

圖2 主震發(fā)生時熊本西區(qū)春日觀測點加速度波形

Fig.2 Acceleration of mainshock wave in KASUGA when the mainshock of Kumamoto earthquake occurred

表1 熊本地區(qū)各觀測點最大加速度值(2016年4月16日主震)

Tab.1 Measured maximum ground acceleration at different observation sites induced by themainshock of Kumamoto earthquake (April 16, 2016)

觀測點名震央距離/ km 最大加速度/(cm·s-2)南北分量東西分量垂直分量熊本西區(qū)春日7.5606.0551.6405.3宇城市松橋町14.2492.8342.6313.9南阿蘇村中松32.3794.5606.8653.1上天草市大矢野町36.3262.1334.4122.3八代市平山新町34.6171.8175.682.5蘆北町蘆北56.9138.6124.941.4人吉市西間下町61.2111.7102.050.4

本次前震與主震最大烈度皆為烈度7，是日本自1949年設(shè)立烈度7以來，繼1995年阪神大地震、2004年新瀉縣中越地震和2011年311大地震后第4，5次觀測到烈度7的地震，也是日本自1949年來第1次數(shù)日內(nèi)在同一區(qū)域連續(xù)兩次觀測到烈度7的地震.

2 俵山隧道概況及震害調(diào)查

俵山隧道位于熊本高森線(縣道)上，全長2.057 km，呈東西走向，是連接西原村和南阿蘇村的交通要道.該隧道距主震震中直線距離為22.4 km，如圖3所示.在2016年熊本地震中遭受嚴(yán)重?fù)p壞.

圖3 俵山隧道概況

地震發(fā)生后，在日本國土交通省九州分局熊本水川國道事務(wù)所的幫助下，筆者和研究小組率先進(jìn)入震區(qū)，對隧道震害進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，取得了第一手現(xiàn)場資料.調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該隧道的基本地震破壞特征可分為5種模式：襯砌裂縫(圖4(a))，施工縫損傷(圖4(b))，地下水滲漏(圖4(c))，混凝土襯砌剝落、坍塌(圖4(d))以及路面損壞(圖4(b)).在詳細(xì)調(diào)查之后，繪制了隧道損壞的全景視圖以進(jìn)行進(jìn)一步評估.圖5為S157-S190跨的隧道震害破損全景圖(此處S指代隧道跨度).

圖4 俵山隧道震害類型

圖5 俵山隧道的震害破損全景圖(S157-S190)[3]

Fig.5 Panorama view of the seismic damages to the Tawarayama tunnel (S157-S190)[3]

3 地表地形數(shù)據(jù)和研究方法

熊本地震發(fā)生后，日本政府和很多民間機構(gòu)對災(zāi)區(qū)進(jìn)行了基礎(chǔ)測繪，通過高精度的航空拍攝和衛(wèi)星遙感等技術(shù)，取得了地震后的基本地形數(shù)據(jù).由于機載激光測量技術(shù)的高穿透性，該技術(shù)能夠過濾地表覆蓋植被的影響.因此，本研究中采用機載激光測量數(shù)據(jù).

分析隧道周邊地表變形時，利用的數(shù)據(jù)是2016年地震發(fā)生前和地震發(fā)生后測量的數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM).震前的數(shù)據(jù)由日本國土地理院提供，測量時間為2013年1月—2月，柵格為1.0 m；震后的數(shù)據(jù)來自日本林業(yè)局，測量的時間為2016年4月—7月，柵格為0.5 m.為方便論述，這里把2013年的數(shù)據(jù)稱為震前DEM，2016年的稱為震后DEM.利用柵格為1.0 m的DEM，通過合適的計算方法，地表變形計算精度可達(dá)0.1 m.

采用組合分類迭代最近點(CCICP)算法計算地震前后的地形變動特征.該算法最初是為了標(biāo)定移動測繪系統(tǒng)(mobile mapping system，簡稱MMS)的點陣而開發(fā)[15].其基本原理為相同區(qū)域通過MMS掃描多次時，捕捉有差異點集合，分析處理點陣的變化，可得到地形的變化.文中將震前DEM設(shè)為S，震后DEM設(shè)為T，地表變形的計算過程如下：

1)將S和T按照等間隔間距劃分為小的點集合數(shù)據(jù)區(qū)域；

2)根據(jù)Demantke等提出的主成分分析法(principal component analysis，簡稱PCA法)[16-17]，對每個點集合進(jìn)行分類.其基本原理為：首先根據(jù)點所處位置以及周圍點的分布，計算出各個點的特征值λ1,λ2和λ3，按照特征將點分為線性點集，平面點集和散點集；然后通過特征值的協(xié)方差矩陣對點的位置進(jìn)行評價，如果點集之間是線-面關(guān)系或散點-面關(guān)系時，則認(rèn)為二者坐標(biāo)系不匹配，如果點集之間是點點關(guān)系或者面-面關(guān)系，則認(rèn)為二者坐標(biāo)系匹配，可進(jìn)行下一步計算;

3)計算地震前后點-點集合和面-面集合之間的最小距離.點-點距離DPT_PT以及點-面距離DPT_PL的計算公式如下[15-17]：

(1)

(2)

式中：T為齊次坐標(biāo)系中的變換矩陣；ps為震前點集合，pt為震后點集合；nt為PCA方法計算后pt的法向向量.T的表達(dá)式為

(3)

式中：αij(i,j=1,2,3)為旋轉(zhuǎn)量，tx,ty,tz為平移量.

4)通過反復(fù)迭代S和T中對應(yīng)點坐標(biāo)系之間的距離平方差，獲取S和T之間平方差之和的最小值，以此作為S和T的配準(zhǔn)，最終獲取地震前后地表變形三維分布特征.

4 結(jié)果和討論

4.1 地震前后的地形變化

圖6為通過CCICP算法計算得到的地表水平變形位移.可以看出，俵山隧道東側(cè)地表變形主要是以東北-西南向為主，而隧道西側(cè)地表變形主要是以東-西向為主.同時，將本文計算結(jié)果與前人計算結(jié)果作對比以驗證該研究方法的有效性.圖7為Mukoyama等采用3D-GIV(geomorphic image velocity)方法計算得到的隧道周邊位移分布[18].比較二者之間的分布特征可以發(fā)現(xiàn)兩種研究方法的結(jié)果基本吻合.

此外，為了進(jìn)一步驗證該研究方法的準(zhǔn)確性，將附近的長陽(Chouyou)基準(zhǔn)觀測點(編號為 EL04930274901，經(jīng)緯度坐標(biāo)為32.870 N,130.9962E)作為研究對象.圖6同時給出了地震前后長陽(Chouyou)基準(zhǔn)點附近的水平位移分布.藍(lán)色為本研究的計算值，紅色為日本國土地理院公布的觀測值.地震后，基準(zhǔn)點向西南方向移動了0.97 m.該基準(zhǔn)點周邊6個計算點水平位移的平均值也為0.97 m，由此可以看出本研究方法計算得到的地表位移值和觀測值基本一致，從而驗證了該研究方法的有效性和準(zhǔn)確性.

藍(lán)色為CCICP計算水平位移值，紅色為日本國土地理院(GEONET)公布的電子基準(zhǔn)值，單位：m

圖6 地表水平變形分布CCICP計算值

Fig.6 Horizontal displacement calculated by CCICP algorithm

黑色箭頭代表水平位移，Mukoyama et al.,2017年[18]

4.2 地形變形特征與隧道震害之間相關(guān)性分析

圖8為俵山隧道震害分布與地表垂直變形對應(yīng)關(guān)系.正值代表地表隆起變形，負(fù)值代表地表沉降變形.為便于觀測，沿著東西方向設(shè)置等間隔監(jiān)測線，由西向東命名為L_1，L_2,…,L_21.由圖8(b)可知，地震導(dǎo)致的地表隆起和沉降比較小.在隧道的西側(cè)入口，地表的沉降為0.57 m，隧道上方其他部位的隆起和沉降比較平緩，最大值為0.5 m.由表1可以看出，各個觀測點加速度的垂直分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平分量，由此也可以說明地表的垂直變形較小.

隧道震害調(diào)查結(jié)果表明，隧道襯砌結(jié)構(gòu)由于豎直方向作用導(dǎo)致的震害較少(圖7(a)).由此可以看出，該案例中地表垂直變形與隧道襯砌結(jié)構(gòu)震害之間的相關(guān)性較弱.

圖9為俵山隧道震害分布與地表水平變形對應(yīng)關(guān)系.由圖9(b)可以看出，位于隧道西側(cè)入口(L_1～L_6)上方地表變形的水平位移較大，平均值為1.15 m；位于隧道中部和東部(L_7～L_21)上方的地形，水平位移值逐漸減小，平均值為0.88 m.現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，隧道西側(cè)(S001～S050，對應(yīng)于地表檢測線L1～L6)，由于水平擠壓、張拉或剪切作用，隧道襯砌開裂、剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，隧道襯砌施工縫、路面也出現(xiàn)大量破損.由此猜想地表水平變形特征能夠在一定程度上反映地下結(jié)構(gòu)變形特征和震害分布特征，兩者之間的相關(guān)信息便于劃分地下結(jié)構(gòu)的震害影響區(qū)域，用于隧道的防災(zāi)減災(zāi).

圖8 俵山隧道震害分布與地表垂直變形對應(yīng)關(guān)系

Fig.8 Relation between ground vertical displacement and seismic damages of the Tawarayama Tunnel

圖9 俵山隧道震害分布與地表水平變形對應(yīng)關(guān)系

Fig.9 Relation between ground horizontal displacement and seismic damages of the Tawarayama Tunnel

為探討地表變形和隧道震害之間的相關(guān)性，沿俵山隧道軸線方向作兩條輔助線：北側(cè)測線(North_detection_line，簡稱 N_L)和南端線(South_detection_line，簡稱 S_L)，如圖9(b)所示.N_L測線上監(jiān)測點采用紅色方塊標(biāo)記，S_L測線上監(jiān)測點采用黑色實心圓標(biāo)記.N_L測線和S_L測線上各個監(jiān)測點的南北向和東西向位移分量如圖10(a)，(b)所示.此外，定義地表水平位移與隧道軸線夾角的銳角(<90°)為θ.圖10(c)為兩條測線上監(jiān)測點水平位移矢量與隧道軸向夾角θ沿隧道軸向的分布情況.

由圖10可知，在隧道西端的地表變形中(L_1～L_6)，東西方向的水平位移大于南北方向的值，地表水平運動方向與隧道軸向夾角小于10°.隧道震害調(diào)查結(jié)果表明，該區(qū)域隧道襯砌呈現(xiàn)較明顯的東西向軸向拉壓變形破壞特征，如圖4(b)所示的跨度S012與跨度S013之間襯砌施工縫壓縮破壞和路面受壓隆起破壞，圖11所示的跨度S001與跨度S002之間襯砌施工縫張拉破壞.同時，隧道洞口段坑道向西移位10 cm，并且由于擠壓作用導(dǎo)致隧道西側(cè)出口處路面隆起15 cm，如圖12所示.除此之外，如圖9(b)所示，在L_1和L_2處，發(fā)現(xiàn)了往北0.19和0.13 m的位移，而其他部分的位移則都往南，地形南北向運動方向發(fā)生改變，容易導(dǎo)致地層發(fā)生錯位.隧道震害調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該地形位移南北方向轉(zhuǎn)變位置的下方，隧道襯砌在施工縫處發(fā)生南北向錯位，如圖13所示.可以看出，強烈的地表水平變形運動特征能夠在一定程度上反映地下結(jié)構(gòu)震害的真實情況，如襯砌、路面和施工縫等各種結(jié)構(gòu)的破壞特征，這將有助于劃分地下結(jié)構(gòu)的震害影響區(qū)域，用于隧道的防災(zāi)減災(zāi).

圖10 北側(cè)測線 (N_L)和南側(cè)測線(S_L)上的位移分量和隧道軸線夾角θ的對應(yīng)關(guān)系

Fig.10 Displacement components on both detection lines and variation of angleθalong the axis of the tunnel

圖12 隧道出口處的路面破損(西原村側(cè))

Fig.12 Portal pavement damage of the Tawarayama tunnel (Nishihara Village side)

圖13 跨度S001和跨度S002之間的施工縫處錯動

Fig.13 Dislocation of the construction joint between S001 and S002

由圖9可以看出，隧道中東部上方的地形 (L_7～L_21, 南阿蘇村方向)，東西向水平位移逐漸減小，南北向水平位移逐漸增大，且位移值超過東西向位移值，θ表現(xiàn)出增大趨勢，表明該區(qū)域地表變形方向為西南-東北方向.表1中南阿蘇村中松觀測點位于隧道東部區(qū)域的東北側(cè)，該觀測點的南北向峰值加速度值大于東西向峰值加速度值，這與地表變形特征吻合，從而表明地表變形運動的方向能夠在一定條件下(如排除地震斷層等特定地質(zhì)構(gòu)造的影響等條件)反映地震波的傳播方向.

地表西南-東北向運動特征表明地震波的傳播方向與隧道軸線方向斜交(如圖10(c)所示，θ介于20°和90°)，與隧道東西向軸線方向斜交.該結(jié)論驗證了文獻(xiàn)[3]關(guān)于地震波傳播方向的猜想.現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，雖然該區(qū)域地表的水平變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隧道西端，但由于襯砌質(zhì)量、巖體的地質(zhì)條件等因素，該區(qū)域隧道破壞仍然較為嚴(yán)重.如沿著隧道軸向約23.4%的跨度內(nèi)出現(xiàn)均勻分布的環(huán)形裂縫(圖6)，間隔為10 m左右.地表變形特征表明地震波的傳播方向斜交于隧道軸線方向，容易引起隧道軸向拉伸、壓縮變形，會導(dǎo)致橫/斜/環(huán)向裂縫；加之致密安山巖和破碎安山巖成層交替分布，導(dǎo)致隧道呈現(xiàn)規(guī)律性環(huán)向裂縫，如圖14所示.

圖14 混凝土襯砌環(huán)向裂縫[3]

5 結(jié) 論

基于高精度航空機載激光測量數(shù)據(jù)(LiDAR)，通過分類迭代法技術(shù)獲取受2016年日本熊本地震影響作用下俵山隧道周邊地表變形分布特征.計算結(jié)果與日本國土地理院公布的實測值一致，表明該研究方法的有效性和準(zhǔn)確性.

研究分析了隧道周邊地表空間變形和隧道破壞的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隧道周邊的地表水平變形和隧道的破壞模式有較強的相關(guān)性，而垂直變形的相關(guān)性不大.

強烈的地表水平變形運動特征能夠在一定程度上反映地下結(jié)構(gòu)震害的真實情況，如襯砌、路面和施工縫等各種結(jié)構(gòu)的破壞特征.地表水平變形運動的方向能夠在一定條件下(如排除地震斷層等特定地質(zhì)構(gòu)造的影響等條件)反映地震波的傳播方向.這一發(fā)現(xiàn)也驗證了俵山隧道出現(xiàn)的均勻分布環(huán)向裂縫關(guān)于地震波傳播方向的猜測.

在一定程度上，掌握地震變形場的詳細(xì)信息，特別是地表變形的方向，便于劃分地下結(jié)構(gòu)的震害影響區(qū)域，對于了解地下結(jié)構(gòu)的地震力學(xué)反應(yīng)和抗震減震具有一定的應(yīng)用價值.