高地震區公路隧道抗震加固設計研究

摘要：地下結構的抗震設計及其安全性評價是隧道施工中的一項重要內容，加強這方面的研究具有非常重大的意義。目前我國有上千座鐵路、公路隧道都處在西部強震地帶，這一情況可以促進隧道震害的研究工作，并且可以準確地為抗震加固提供科學的數據資料。對于公路建設的選址和隧道設計、施工的開展都顯得特別重要，保證隧道工程抗震穩定性，提高設計施工質量，既是對國家財政資金負責，也是對企業的市場信譽負責。

關鍵詞：隧道地震加固技術措施

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-198X(2012)03(c)-0000-00

隨著科技的飛速發展，以及國民經濟發展所需的基礎設施建投入的增加，地下空間開發和地下結構建設規模正在日益擴展，充分利用地下資源是未來城市及交通發展的趨勢。地下結構的抗震設計及其安全性評價是隧道施工中的一項重要內容，加強這方面的研究具有非常重大的意義。目前我國有上千座鐵路、公路隧道都處在西部強震地帶，這一情況可以促進隧道震害的研究工作，并且可以準確地為抗震加固提供科學的數據資料。對于公路建設的選址和隧道設計、施工的開展都顯得特別重要，保證隧道工程抗震穩定性，提高設計施工質量，既是對國家財政資金負責，也是對企業的市場信譽負責。本文結合盾構法施工原理，談談盾構法在隧道設計建設中的應用。

1盾構隧道抗震計算方法

抗震設計是需要進行科學的計算。近年來，隧道的設計施工技術普遍應用了復雜的橫截面和大尺寸橫截面的盾構技術，要求在橫截面部位進行抗震設計已經成為慣例。但是在實際建設中，盾構隧道和周邊土體之間的動力相互作用是很復雜和不確定的，盾構隧道橫向上抗震設計方法目前還沒有特別成熟的經驗，許多工程師和研究人員一直致力于此項技術的研究。由于分析結果復雜，成熟的、適用的抗震設計方法還沒有形成，處于研究階段。隧道的地震變形方法是一種靜力分析方法的體現。在靜力分析方法中，人們把自由土體反應位移認定為施加在隧道結構上的地震荷載因素。最近一個時期，有人把此方法當作盾構隧道縱向抗震設計的適用方法。目前，我國在隧道縱向抗震分析中，設計使用方法一般有以下幾種：

(1)震度法。該種方法是將地震對隧道的影響看作隧道產生的慣性力，把這個慣性力作為外力增加為隧道的荷載，以靜力計算法獲取隧道的內力、位移等響應值，從而判斷其安全性；

(2)響應位移法。響應位移法認為地震時，結構的加速度及變形是因為周圍地層的響應而產生的，隧道作為一種結構物與地層形成一個整體一起運動，從而使結構產生動應力和動應變，由于不同深度、位置處的地層位置，所產生的運動與位移是不同的，使結構物在相應深度處被迫產生不同的位移和運動，結構物在此情況下承受由強制變形產生的應力與應變 ；

(3)動力反應分析法，隧道作為一種地下結構物，在其縱向分析中一般用的最多的是質量彈簧模型法，其主要原理為：假定基巖上的表面地層作剪切振動，我們把表面地層看做被分成多數垂直于隧道軸線的條帶分割，每個條帶用等效質量一彈簧系統(一個質量、一個彈簧和一個把質量與基巖相連的減振器組成)代表，再把相鄰的兩個質量用彈簧和減振器連接后形成一個系統，建立該系統的運動方程后，計算出每個質量處的位移情況，然后按彈性地基梁理論計算隧道的位移和內力的具體數據 。

上述三種方法中，都有各自的弊端，第一種方法就是普遍應用的傳統結構抗震分析方法，這樣計算是不能反映出地下結構本身所具有的特點，后面兩種方法是人們針對地下結構本身固有的地震反應特點而探索出來的，這兩種方法考慮了結構與土層的相互作用問題，可對結構本身反應的計算方法仍然是利用靜力的彈性地基梁理論進行的，所以對相互作用過程中的土的粘性阻尼的影響考慮顯得缺乏。

2盾構隧道抗震措施的分析

采用盾構法的隧道建設中，從目前業內人士的研究狀況看所采用的抗震措施，主要有以下幾個方面：

(1)對于襯砌位移的處理措施，襯砌最大位移差越大，則相對襯砌產生的應力就越大。所以設計中應該注意減小襯砌的最大位移差，這樣隧道襯砌承受的應力會相應的減小；

(2)減震的措施，隧道的減震設計中，減震層的彈性模量與圍巖彈性模量的差直接關系到減震效果，但在實際地下結構中，設計師要考慮隧道在靜力作用下的荷載及變形情況，還要考慮減震層的剛度下限。對于軟質圍巖，如果設置減震層，其效果不明顯，但是如果設置加固層的減震，那么所產生的效果就非常明顯了；在硬質圍巖層面，設置減震層后，減震效果明顯提高，而設置加固層的減震效果有所減弱，施工時要保證注漿密實并且澆筑范圍要大些一些，其減震效果也就能夠非常好 。

3提高隧道抗震能力的措施

(1)選好地基

選擇一個最佳的建設位置，將隧道工程盡量建于均勻、穩定的地基中，避開斷層，遠離山坡坡面，繞開山坡不穩定地段以及飽和砂土地基，以便能夠減少地震液化情況；

(2)勘測過程中盡量選取埋深較大的線形，使道路走向遠離風化巖層區；

(3)設計區間隧道轉角處的交角不可以太小，否則對抗震不利，應加強隧道出入口處的抗震設計及施工；

(4)如果施工實際情況允許，施工過程中盡量采用暗挖法；

(5)施工中盡量減少土體不連續性對抗震能力的影響，如果施工區內的土壤與巖石上或土體內有巖石隆起部位，施工中應在開挖范圍內用土或集料進行回填處理，以消除地基硬點的影響，避免或減少破壞發生率；

(6)設計采用抗震縫，也可以增加隧道管段間的柔性接頭等措施，從而實現降低隧道整體區間長度的目標；

(7)提高施工質量，嚴格按設計規范施工，增加土體與隧道襯砌間的穩定性和牢固性。

4盾構隧道抗震加固措施

對于公路施工的線性，是人們無法控制的，尤其是不能因為地震區就不修路，所以加固隧道，保證公路的使用壽命，就要采取科學的措施。上文已經對隧道的震害特點和抗震措施進行了分析，具體可從以下幾方面實施：

(1)關于選擇隧道位置，設計時應盡量選擇山坡穩定、地質條件較好的位置開挖，避免使隧道穿越不穩定斷層地區。

(2)隧道的洞口必須避開容易發生滑坡、巖堆和泥石流的地段，這樣在一定程度上可以減少地震對公路的破壞。

(3)如果隧道經過地帶是淺埋、偏壓以及破碎帶等不良地段時，設計施工方案可以在其襯砌背后進行壓注水泥砂漿的辦法進行加固處理。充分利用地下結構比地面結構抗震效果好的優勢，借助先進的技術，對公路隧道受地震嚴重破壞的預測要縝密，找出容易被破壞的原因，進行有針對性的加固處理。

隧道是公路建設中一個重要的組成部分，既然避免不了就要保證設計的科學和施工質量的優質。雖然隧道的抗震效果比地面結構要強，但是設計施工質量也明顯低于地面工程。認真應對公路隧道受地震嚴重破壞的預期，制動科學有效的設計方案，保證隧道抗震加固的效果。

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