跨走滑斷層隧道地震破壞特征與抗減震措施研究

信春雷 高波 閆高明 周佳媚 申玉生 全曉娟

摘要： 針對跨走滑斷層隧道設置套管式可變形抗減震措施開展了振動臺模型試驗研究。通過分析圍巖與隧道結構的地震加速度響應、地震動應變響應以及隧道結構的震后破壞形態，以無抗減震措施和無斷層為對比例，對在直立與傾斜走滑斷層處設置的套管式可變形抗減震措施進行了系統研究。結果表明：隧道結構不跨斷層時的破壞多由靜力所致；無論隧道結構是否跨斷層，即使采用抗減震措施，拱腳和仰拱的破壞均十分嚴重，應根據破壞機理對二者進行重點抗震加固；在實際工程中選用套管式可變形抗減震措施，宜將外套管設置在斷層活動性較強的一側，且讓兩套管共同承擔斷層的剪切作用能較好的發揮抗減震作用；在隧道結構選線階段應盡量避免穿越斷層或其他不良地質地段，保證隧道結構所在圍巖介質的連續性，使隧道結構自身具備良好的抗震性能，勝過采用抗減震措施。研究結果有利于隧道結構新型抗減震措施的開發，以及為跨走滑斷層隧道結構的抗震設防提供參考。

關鍵詞： 隧道工程； 抗減震措施； 振動臺模型試驗； 走向滑動斷層； 破壞特征

中圖分類號：U457+.5； TU352.1文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2016）04069410

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.017

引言

汶川大地震、日本阪神地震和臺灣集集地震等影響較大的地震造成了跨斷層的隧道結構主體發生嚴重破壞且難以修復，說明跨斷層的隧道結構并非是抗震性能優越的工程建筑[1]。造成隧道結構破壞嚴重的主要原因是實際地震荷載遠大于抗震設防水平[2]。因此，地面結構經常采用的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計理念借鑒到隧道與地下工程中，未能經受得住大地震的考驗[3]。那么跨斷層的隧道結構應該提高相應的抗震設防標準。但是由于對隧道結構抗減震理念與方法缺乏系統性的研究，目前中國還沒有獨立的隧道與地下結構抗減震設計規范。隧道與地下工程較為發達的美國、瑞士和日本等國家，其地下結構抗減震設計標準同樣亟待進行大量有針對性的研究來實現其實用性和操作性[4]。

為了提高地震災后救援效率以及獲取隧道結構震害詳細資料，西南交通大學高波教授課題組對震害嚴重的都江堰至汶川高速公路（都汶公路）沿線的18座隧道進行深入細致的考察[5]。其中13座隧道穿越不良地質地段，有10座隧道多處穿越區域性構造斷裂，這13座隧道洞身主體結構在汶川地震中全部遭受嚴重破壞，甚至坍塌[6]。地震造成隧道結構的破壞通常可以分為地基失效破壞（靜力作用）和隧道振動破壞（動力作用）兩種[7]。地基失效破壞是指地震后地基喪失承載力而導致的隧道結構破壞；隧道振動破壞是指地震中由于隧道與圍巖之間的剛度不匹配而產生相互作用發生的破壞。此外，地震波沿隧道結構軸線的相位衍生應力和變形分量也是震害的重要原因[8]。跨斷層的隧道結構震害既可能由其中某種作用引起，也可能是幾種作用的綜合結果[9]。因此，對于跨斷層隧道結構抗減震措施的設計和應用，必須分清原因，有的放矢地進行研究。

目前，國外學者側重于針對跨斷層的地下管道工程進行理論研究，試驗多采用離心機振動臺，基于抗減震措施的研究較少且單一[10]。國內學者近年來逐漸開始采用振動臺試驗研究交通隧道工程在不同地質環境下的地震響應特征，但是針對跨斷層隧道破壞機理與抗減震措施的研究則較為有限[11]。振動臺模型試驗在試驗自主化和創新性等方面優勢明顯，便于進行大比例尺模型試驗以及真實準確的反應研究過程和結果。同時，將振動臺模型試驗與震害工程實例相結合，可以逐步推進隧道與地下結構抗減震理論體系與設計方法的完善。因此，本文以在汶川地震中破壞嚴重的龍洞子隧道和龍溪隧道為依托工程，開展了跨直立與傾斜走向滑動斷層（走滑斷層）的隧道結構地震破壞機理與新型抗減震措施適用性的振動臺模型試驗研究。得到了隧道結構在跨斷層部位設置套管式可變形抗減震措施和無措施，以及無斷層情況下受地震作用的動力響應特征和破壞機理。為高烈度地震區跨走滑斷層隧道工程的震害機理研究與抗減震設防措施提供必要的理論依據和實施方法。

Abstract： Shaking table tests are conducted to simulate casingshape deformable damping measures on tunnel structures across strikeslip faults. Tunnel structures across vertical and diagonal strikeslip faults with casingshape deformable damping measures are systematically researched by analyzing seismic acceleration responses of surrounding rock， seismic strain responses and postseismic destructive patterns of tunnel structures. The results show that： Postseismic destructive patterns of tunnel are mostly caused by static force when there is no fault through tunnel. The arch springing and invert part of tunnel are seriously damaged in all test conditions and they need to be reinforced according to failure mechanism. If casingshape deformable damping measure is employed in practical engineering， outer casing should be buried in one side of fault with strong activity. It will achieve favorable effect that outer and inner casing can share shearing action of fault movement. Tunnel structures are born with certain a seismic performance if they are constructed in homogeneous surrounding rock and it will be better than using antiseismic and damping measures. Therefore， tunnel should avoid crossing fault and other unfavorable geology areas in tunnel location phase. The above research results certainly contribute to research and develop new types of antiseismic and damping measures for tunnel structures. Meanwhile， the research results can provide references for seismic fortification of tunnel and underground structures across strikeslip faults as well.

Key words： tunnel engineering； antiseismic and damping measure； shaking table proportional model test； strikeslip fault； seismic damage characteristics