康海波，萬(wàn)志強(qiáng)，趙剛應(yīng)，張 乾

(1. 四川路橋建設(shè)股份有限公司公路隧道分公司，四川成都610020；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；3. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

在強(qiáng)震作用下，地下建筑產(chǎn)生明顯的損壞，例如阪神地震(1995年)、集集地震(1999年)和汶川地震(2008年)等，在強(qiáng)震地區(qū)都造成多座隧道產(chǎn)生明顯的破壞。

在山嶺地區(qū)進(jìn)行隧道選線時(shí)，不可避免要穿過(guò)斷層，由于斷層破碎帶的存在，隧道受地震作用產(chǎn)生的破壞更加明顯，隧道破壞程度擴(kuò)大。例如1952年在美國(guó)加州克恩郡發(fā)生6.4級(jí)地震，在地震區(qū)域有4條穿越白狼斷層的隧道遭受?chē)?yán)重破壞，6號(hào)隧道襯砌斷裂；5號(hào)隧道拱頂出現(xiàn)明顯坍塌；4號(hào)隧道的邊墻移動(dòng)距離達(dá)60cm；3號(hào)隧道邊墻混凝土擠壓破碎[1]。1978年發(fā)生于日本的伊豆尾島地震，造成橫跨斷層的Inatori隧道二襯開(kāi)裂明顯、鋼筋斷裂、隧道頂部發(fā)生混凝土大量掉塊現(xiàn)象，隧道整體變形嚴(yán)重[2]；2008年汶川地震，龍溪隧道在跨越斷層段出現(xiàn)多處襯砌塌落、異位，且隧道道周邊出現(xiàn)多條裂紋[3]。綜上可見(jiàn)，跨越斷層隧道在地震時(shí)易損壞性較高，因此開(kāi)展對(duì)跨斷層隧道的震害機(jī)理以及抗震技術(shù)的研究具有重要的意義。本文整合國(guó)內(nèi)外研究成果，介紹國(guó)內(nèi)外跨斷層隧道震害形態(tài)，總結(jié)跨斷層隧道結(jié)構(gòu)震害影響因素研究、穿過(guò)斷層隧道抗減震問(wèn)題和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的研究進(jìn)展。最終對(duì)地震時(shí)，跨越斷層隧道需研究的要點(diǎn)做了展望。

1 跨斷層隧道震害特征以及受隧道震害影響的因素研究

在以往的研究過(guò)程中一向以為地下結(jié)構(gòu)的抗震能力要高于地面結(jié)構(gòu)，但是在多次實(shí)際地震中，地下結(jié)構(gòu)受地震的影響成為不可輕視的一個(gè)問(wèn)題，了解在地震下跨斷層隧道的震害特征是解決隧道抗震問(wèn)題的關(guān)鍵，歸納以往國(guó)內(nèi)外跨斷層隧道的震害形態(tài)，見(jiàn)表1。

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外跨斷層隧道地震響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，跨斷層隧道產(chǎn)生震害有兩部分原因，一是由于地震對(duì)隧道產(chǎn)生的震動(dòng)破壞；還有由于斷層對(duì)隧道造成的剪切破壞，在隧道建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)了解跨斷層隧道震害影響因素有哪些，以便做出應(yīng)對(duì)措施，在影響跨斷層隧道震害因素方面，學(xué)者主要從隧道埋深、圍巖等級(jí)、斷層寬度、斷層傾向、斷層滑動(dòng)方式以及斷層與隧道的位置關(guān)系等方面進(jìn)行研究。

表1 穿斷層山區(qū)越嶺隧道的震害特征

1.1 斷層傾向因素

在單獨(dú)改變斷層傾向下，發(fā)現(xiàn)斷層的傾角越小，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力值越大，在隧道線路比選過(guò)程中應(yīng)考慮與斷層呈大角度相交。朱長(zhǎng)安等[4]以現(xiàn)實(shí)工程為依托采取反應(yīng)時(shí)程分析方法，同時(shí)基于土-結(jié)構(gòu)相互作用理論，分析了在震動(dòng)作用下，跨破碎帶隧道縱向圍巖穩(wěn)定性受斷層傾角的影響，得出在地震作用下，跨斷層隧道圍巖拱頂以及拱腳為抗震薄弱部位，且斷層的傾角越小，隧道結(jié)構(gòu)安全性越小。劉凱[5]通過(guò)數(shù)值模擬，分析斷層傾向不同時(shí)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的加速度、位移以及應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，研究結(jié)果表明隧道拱頂以及拱腳是抗震相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，斷層傾角變化的范圍隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的頻譜特性和應(yīng)力分布發(fā)生變化，特別是大主應(yīng)力的時(shí)程規(guī)律。

1.2 斷層寬度因素

在斷層寬度對(duì)隧道震害影響方面，一定寬度下，斷層寬度越長(zhǎng)，引發(fā)隧道襯砌位移和內(nèi)力的極值越大，但當(dāng)斷層破碎帶范圍增加到一界限值的時(shí)候，破碎帶引發(fā)的振動(dòng)效應(yīng)并不顯著，可以看出斷層破碎帶范圍對(duì)隧道震害的影響在一定程度上還受斷層傾向、隧道深度等因素的影響。劉凱[5]通過(guò)數(shù)值模擬，分析斷層寬度不同時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)以及應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，研究結(jié)果表明斷層寬度的改變影響了斷層范圍內(nèi)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的頻譜特性和內(nèi)力的分布特征，尤其是最大主應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，且斷層寬度增加，隧道震害越明顯。張偉[6]通過(guò)對(duì)汶川地區(qū)震害的調(diào)研，通過(guò)數(shù)值模擬分析非滑動(dòng)斷層的震害原因，主要研究了破碎帶范圍對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)震害的影響,提出了影響因素變化規(guī)律，結(jié)果表明破碎帶范圍越大，會(huì)使得受斷層影響的隧道支護(hù)襯砌范圍和受力極值變大。

1.3 圍巖性質(zhì)因素

隧道作為大跨度地下空間結(jié)構(gòu)，隧道穿過(guò)地層的圍巖性質(zhì)具有差異性，當(dāng)跨斷層隧道圍巖性質(zhì)較差時(shí)以及地層圍巖性質(zhì)呈現(xiàn)較大的不均勻性時(shí)，在地震時(shí)會(huì)對(duì)跨越斷層隧道產(chǎn)生較大的破壞。李天斌[7]等對(duì)汶川地震中發(fā)生震害的斷層隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、收集資料與分析，得出隧道震害受?chē)鷰r質(zhì)量的影響，隧道內(nèi)產(chǎn)生的震害主要集中在圍巖質(zhì)量差和地層前后差異較大的位置。因破碎帶圍巖質(zhì)量差，在震動(dòng)時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束性小，所以該處受震害嚴(yán)重。錢(qián)七虎[8]提出在隧道縱向抗震方面，當(dāng)隧道深度大和周?chē)貙訌?fù)雜多變時(shí)，圍巖性質(zhì)存在很大的不均勻性，當(dāng)隧道受到地震等突變荷載作用下，隧道縱向支護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不連續(xù)的三維形變，使隧道發(fā)生損壞，尤其是在隧道穿過(guò)活動(dòng)斷層軟弱破碎帶和在高地應(yīng)力條件下容易出現(xiàn)震害。影響跨斷層隧道震害方面較多，不同影響條件對(duì)跨斷層隧道造成的震害效果不同，周旭東[9]借助灑家埡隧道開(kāi)展數(shù)值分析來(lái)探討跨越斷層隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的特征，在數(shù)值模擬軟件中來(lái)對(duì)比分析不同的斷層寬度、傾角和圍巖質(zhì)量，并借助安全系數(shù)法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估，最后用敏感性對(duì)這3個(gè)方面對(duì)隧道的影響進(jìn)行了研究。得到3個(gè)方面的敏感性的強(qiáng)弱從大到小順序?yàn)閿鄬拥膶挾?、傾角和圍巖質(zhì)量。

綜上所述 ，斷層破碎帶的寬度、角度以及圍巖質(zhì)量變化大的區(qū)段對(duì)跨斷層隧道震動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)有重要影響，且在地震作用下，跨斷層隧道圍巖拱頂以及拱腳為抗震薄弱部位，總的來(lái)說(shuō)對(duì)斷層隧道震害因素方面，目前研究方法較為廣泛，分析內(nèi)容也較為全面，但研究支護(hù)結(jié)構(gòu)受斷層錯(cuò)動(dòng)方位的影響，以及分別分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的震害因素受斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)與不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的影響研究不多，并且較少研究斷層受地震動(dòng)非一致性激勵(lì)作用下對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

2 穿越斷層隧道抗震問(wèn)題研究

研究跨斷層隧道抗震問(wèn)題，是隧道安全運(yùn)營(yíng)的保障，依據(jù)地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，跨斷層隧道抗減震措施的設(shè)置思路有兩點(diǎn)：一是提高自身的抗震性能；二是減少地層傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能量。需要達(dá)到三個(gè)方面的效果：

(1)降低加速度放大系數(shù)和位移大小，減少支護(hù)結(jié)構(gòu)受到圍巖震動(dòng)后造成較大的壓力而產(chǎn)生開(kāi)裂。

(2)設(shè)計(jì)使襯砌結(jié)構(gòu)能夠和地層發(fā)生共同變形，減小受到的地層壓力。

(3)在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置緩沖層，減弱兩者的相互作用，減小轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載。同樣的，緩沖層還消耗了一些震動(dòng)輸入的能量，減弱了其對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，以獲取減震的效果。

2.1 圍巖注漿加固

圍巖通過(guò)注漿加固改變圍巖質(zhì)量可以達(dá)到提升圍巖整體性和增強(qiáng)隧道抗震能力的效果，鄭清等[10]通過(guò)對(duì)三種注漿加固方式全環(huán)間隔式、全環(huán)接觸式和局部式(圖1)，對(duì)比分析三種注漿方式對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震效果，得出不同地層下，這三種注漿方式的受力變化規(guī)律，提出采用全環(huán)間隔式的注漿方法能大幅度提升隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震能力。唐垠斐[11]借助對(duì)歷來(lái)隧道穿斷層段的震害做了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與研究，并依靠摩崗嶺隧道開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與建立數(shù)值模型分析，為分析注漿加固對(duì)跨斷層隧道的抗、減震方法效果，分別建立計(jì)算模型，得出注漿層厚度的增加和設(shè)置抗震縫后，隧道襯砌加速度響應(yīng)峰值、應(yīng)力響應(yīng)均明顯減小，并且提出結(jié)合多樣抗、減震方法其效果要好于單一措施的結(jié)論。

圖1 注漿加固圍巖方案

2.2 設(shè)置減震層

在地下工程結(jié)構(gòu)布置減震層是將隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與相鄰圍巖之間布置特殊材料或?qū)⒅ёo(hù)結(jié)構(gòu)以外一段距離內(nèi)的巖體力學(xué)特性，并適當(dāng)調(diào)整減震層的剛度，以實(shí)現(xiàn)減少隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的目的。減震層既可布置在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間也可布置在初支與二襯中間，通過(guò)減震層將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)隔開(kāi)，以此來(lái)減少或改變地震能量對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)輸入方式。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)減震層的實(shí)際效果與其強(qiáng)度、厚薄、長(zhǎng)短以及空間布置等方面息息相關(guān)。王永剛等[12]采取人為制造地震動(dòng)，大幅度降低了地震加速度的作用時(shí)間；通過(guò)有限元數(shù)值模擬研究在布置不同數(shù)目減震縫工況下的隧道震動(dòng)響應(yīng)，得到布置3條減震縫的減震效果最好。劉洋[13]以某地鐵項(xiàng)目，分析了在由不同寬度和邊界條件組合下各工況的計(jì)算模型，結(jié)論為合理模型寬度應(yīng)為6倍開(kāi)挖直徑和粘性邊界條件；并分析了地鐵隧道的減震措施距離斷層的安全距離應(yīng)為100 m的結(jié)論。胡輝[14]借助室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)跨越活動(dòng)斷層隧道的抗震結(jié)構(gòu)開(kāi)展了分析，制定了符合規(guī)定的隧道跨越活動(dòng)斷層帶的室內(nèi)試驗(yàn)方法，其次分析了布置不同距離減震縫工況下的隧道震動(dòng)反應(yīng)特點(diǎn)和進(jìn)一步擴(kuò)大隧道斷面并布置縱向減震縫工況下的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)；最終還提出了一種橡膠支護(hù)，一種作為新型的有效的隧道抗震結(jié)構(gòu)措施。王林輝[15]經(jīng)過(guò)數(shù)值軟件分析，對(duì)比得出了跨斷層破碎帶隧道在不同減震層布置方式下的減震效果，最后得到了將減震層布置在二次襯砌和初次支護(hù)之間成效最好，減震層縱向長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)隧道抗震程度的提高越大，和在跨斷層情行下推薦采取低強(qiáng)度泡沫混凝土的方法。靳宗振[16]從氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面切入，借助其瞬變壓力的理念，指出隧道震動(dòng)反應(yīng)的分析指標(biāo)“瞬變內(nèi)力”，然后依據(jù)瞬變內(nèi)力的理念，判斷跨斷層隧道在震動(dòng)突變荷載下的最危險(xiǎn)的位置為墻角，其次是拱腰；并研究一種柔性連接方式與減震層相聯(lián)合作用下的減震效果。隋傳毅等[17]借助室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到在布置減震縫情況下，雖然跨斷層隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可以減小，但在水平方向上的位移會(huì)有所增大，導(dǎo)致發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；內(nèi)外管套的減震設(shè)計(jì)方式，在震動(dòng)突變下，外層管套會(huì)產(chǎn)生與不設(shè)防狀況下類似的損壞，但內(nèi)層管套損壞較小的結(jié)論。

2.3 隧道截面擴(kuò)挖

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)擴(kuò)挖截面設(shè)計(jì)是依據(jù)地震引發(fā)斷層的最大概率錯(cuò)位值，以此確定隧道截面的擴(kuò)張范圍。地震之后，擴(kuò)張的隧道截面可確保截面的凈空面積，包含隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的各種不連續(xù)變形。李鵬[18]依據(jù)嘎隆拉隧道工程，研究了3種隧道跨斷層的減震設(shè)計(jì)，即超挖、鉸接和隔離消能，文章通過(guò)建立計(jì)算模型分析了鉸接設(shè)計(jì)的方法與減震效果。李林[19]借助振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分別分析了地震動(dòng)參數(shù)不相同下的跨斷層隧道的內(nèi)力變化規(guī)律，得到了跨斷層帶優(yōu)化的減震組合方法；依托穿高黎貢山斷裂帶實(shí)例，研究了相關(guān)減震方法及其參數(shù)；得出了在穿斷層隧道兩側(cè)布置減震措施的最佳范圍。

綜上所述，在跨斷層隧道抗震問(wèn)題研究方面，研究人員采用數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)的方法，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)比研究相關(guān)抗震措施對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，但在量化抗減震措施方面研究較少，盡管地震具有不可控性以及巖土體的不確定性，但我國(guó)隧道斷面形式較為統(tǒng)一，且隧道建設(shè)集中在地質(zhì)條件相近的區(qū)域較多，所以通過(guò)量化抗震措施的研究有益于有針對(duì)性的設(shè)置和保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)。

3 穿越斷層隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

振動(dòng)臺(tái)可以很好地模擬真實(shí)地震過(guò)程，更接近真實(shí)地震情況，是研究隧道震動(dòng)響應(yīng)效果最好的手段，如果處理好振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)，并且制定合理縝密的試驗(yàn)方案，可以得到可信度較高的結(jié)論，現(xiàn)在對(duì)跨斷層隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的分析較少。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析跨斷層隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，方林等[20]進(jìn)行了穿斷層隧道在不同震動(dòng)方向下的相關(guān)試驗(yàn)，研究了隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和特征。結(jié)果表明：震動(dòng)波在巖體中的傳播在一定程度受斷層的減弱。易誼[21]分析了在單向脈沖型震動(dòng)作用下的隧道受力變化規(guī)律，并得到數(shù)值軟件模擬結(jié)果的證明，針對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，橫截面上的拱頂區(qū)域是減震預(yù)防的重點(diǎn)，對(duì)于隧道處于邊坡較高地段由于震動(dòng)的擴(kuò)大效應(yīng)，應(yīng)給予充分重視。

在跨斷層隧道在地震作用下隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)以及減振措施的抗震效果方面，耿萍等[22]開(kāi)展了布置減震層的跨斷層破碎帶隧道振動(dòng)臺(tái)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：減震層可以減少襯砌結(jié)構(gòu)的受力，提升結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)定性。信春雷等[23]利用振動(dòng)臺(tái)室內(nèi)試驗(yàn)分析了跨斷層隧道在斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和強(qiáng)烈地震一起施加下支護(hù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)與損壞模式。結(jié)果表明：在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上布置減震縫能夠有利于減少結(jié)構(gòu)的受力和變形。何川等[24]對(duì)穿斷層隧道的受力及破壞模式開(kāi)展了振動(dòng)臺(tái)模型室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)穿斷層區(qū)段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞大部分是發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和各種形式的開(kāi)裂。王崢崢[25]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析了穿斷層隧道在人為輸入地震波下的受力變化規(guī)律、破壞模式和抗震效果。

綜上所述，對(duì)跨斷層隧道振動(dòng)臺(tái)室內(nèi)試驗(yàn)，前提條件都是在一致地震激勵(lì)下研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，且大部分僅討論了斷層與地震波相互作用，都未考慮到震動(dòng)斷層對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的危害，并且忽略斷層中的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)的影響。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)穿斷層隧道震動(dòng)響應(yīng)的研究主要有3個(gè)方面，即跨越斷層隧道震害特征以及對(duì)隧道震害影響因素、跨斷層隧道抗震措施以及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行探討。在已發(fā)生的多次大地震實(shí)例中，跨斷層隧道具有極大的脆弱性，然而在實(shí)際的隧道建設(shè)過(guò)程中，不得不需要穿過(guò)斷層，所以對(duì)跨斷層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震能力有更高的需求，需要全面和進(jìn)一步的研究，筆者認(rèn)為在以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步探討分析：

(1)對(duì)跨斷層隧道震害案例可以逐步深入分析，對(duì)已有的隧道震害現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié)，通過(guò)搭建地震等級(jí)、隧道震害特征、數(shù)量和具體信息等數(shù)據(jù)庫(kù)，新的破壞現(xiàn)象在具有明顯不同才可增加至數(shù)據(jù)庫(kù)，挖掘穿斷層隧道震害的共性以及個(gè)性，為分析跨斷層隧道地震機(jī)理以及減震措施提供最可靠的資料。

(2)對(duì)穿斷層隧道進(jìn)行在地震激勵(lì)下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理研究，研究非一致震動(dòng)、斷層傾角、寬度等對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的影響，研究總結(jié)在地震施加下，穿斷層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式和主要特點(diǎn)。

(3)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以很好地模擬實(shí)際地震情況，是檢驗(yàn)理論成果的可靠方法，但當(dāng)前對(duì)穿斷層隧道地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析較少，隧道作為大跨度空間結(jié)構(gòu)，又不得不需要穿越斷層，因此對(duì)穿斷層隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究是十分有意義的。