埋地管道震害特征及機理分析

馮紅衛 韓俊艷 李金龍 李立云

摘 要：埋地管道的抗震安全問題已成為生命線地震工程的重要研究內容，受到了世界各國地震工作者的高度重視，筆者通過對國內外大量相關文獻的查閱及分析研究，總結了埋地管道的地震反應特征和破壞類型，并對其的破壞機理進行分析，以期為埋地管道的抗震設計提供科學的依據和有益的參考（本文原刊于煤礦開采2014年5月）。

關鍵詞：埋地管道；破壞類型；震害破壞機理

隨著我國對地下空間的開發力度的加大，地下結構工程的數量迅速增加，作為生命線工程的埋地管道在輸送水、油、氣、煤以及在通信交通和排水等方面得到了越來越廣泛的應用，堪稱現代工業和城鎮生活的大動脈，其破壞可導致城市乃至區域社會經濟功能的癱瘓[1] [2]，如1971 年美國圣費爾南多地震，使加里福尼亞州圣費爾南多山谷的地下輸氣管道和給排水管道遭受重大破壞，給排水和天然氣管道有2400處遭到破壞，震中附近有25.6km管道破壞 [3] [6]；1976年中國唐山地震，7.8級地震使全市給水系統癱瘓，搶修了一個多月才基本恢復供水，秦京輸油管線有4處破壞，流失原油1萬余噸，造成了資源的嚴重浪費，且污染了大片農田、河流，次生災害嚴重[4]；2008年“5.12”汶川地震使震區供水管網受到嚴重破壞，供氣系統設施也出現不同程度的破壞，據不完全統計，供水系統共有677個水廠受損，11萬處管線破壞，受損長度高達1.38萬km；排水管網管道受損長度約3300km， 供氣系統設施受損5.1萬處，供氣系統設施受損5.1萬處，供氣管道受損長度達到992km[5]。這些震害經驗表明，現代城市對生命線工程系統具有高度的依賴性，其抗震問題也引發了各國學者的關注，地下工程結構的抗震安全和抗震設計已經成為工程界普遍關心的問題。

筆者通過對大量埋地管道震害的分析研究， 總結了埋地管道的地震反應特征和破壞類型，并對其破壞機理進行分析，以期為埋地管道的抗震設計提供科學的依據和有益的參考。

1 埋地管道的振動反應特征

根據國內外學者對原型觀測（震害調查和現場試驗）資料的研究分析以及近年來的研究成果，總結了埋地管道在地震波作用下反應特征的一般規律，其是進行埋地管道地震反應分析的依據[6]- [12]。

（1）破壞荷載：理論分析和實際震害均表明，埋地管道的破壞主要由地震行波的傳播、場地失效（斷層相對運動、土體液化等因素）引起，受地震波傳播影響而引起的土體變位造成的震害較輕，但影響面廣，是埋地管道破壞的最基本形式；場地失效所造成的管道破壞都相當嚴重，且難以避免，選址時應盡量避免此類地段。

（2）地面位移：對埋地管道地震破壞的研究發現，埋地管道振動中的主要應變與地震加速度大小的聯系不很明顯，而對周圍巖土體應變十分敏感，周圍巖土體應變越大管道破壞越嚴重。埋地管道的自振頻率遠大于土體的振動頻率，管道受到周圍土的阻尼影響很大，管道運動產生的慣性力，對結構自身的反應僅有非常小的影響，管道的反應性態主要取決于沿線土體的位移特征，而對土體的運動位移特征幾乎無影響。

（3）地震波傳播方向及頻譜特性：埋地管道的振動形態受地震波傳播方向的影響很大，地震波的入射方向發生不大的變化，管道各點的變形和應力可發生較大變化。埋地管道走向與地震作用方向吻合時，管道動應變最大，損壞最大；當地震作用方向垂直于管軸方向入射時，管道動應變最小。埋地管道的動應變不僅和地面應變的峰值有關，還與地震動的頻率含量有關，尤其是對低頻含量十分敏感。低頻含量愈豐富的地震波，激起的管道動應變越大。

（4）場地條件：埋地管道的破壞程度基本隨地震烈度的增大而加重，埋地管道從一種類型土壤過渡到另一類型土壤的過渡區震害較嚴重；軟土中的管線較硬土中的管線震害嚴重，同一地震烈度下，復雜地基和軟弱地基比基巖地基中的管道震害嚴重得多。

（5）管土間相互作用：現場震害資料證明，地震時埋地管道受周圍土體的約束與周圍巖土體一起運動，受管道本身的剛度的影響，管道的變形比未敷設管道的土體變形小，只要管土界面的剪應力未達到臨界剪應力，管道就隨同周圍巖土體一起運動。當管土界面的剪切應力達到臨界剪應力或管土間的極限摩擦力時，管土之間將發生滑移。

（6）管道變形：震害資料及理論分析均表明，直埋管道的軸向應變遠較彎曲應變凸顯，以軸向應變為主，而彎管、大直徑管道則需要考慮彎曲變形。

（7）管道的材質及構造：埋地管道的材質、口徑、壁厚、接口型式均有不同程度的影響。埋地管道的破壞大多是由于管道強度不足以抵抗周圍土體傳來的振動變形而引起的；震害資料表明：柔性接口的震害率明顯低于剛性接口，這是由于柔性接口具有較好的延性，可以吸收較多的變形；管道橫截面的剛度與管徑和壁厚有關，小口徑管道在土中的約束程度比大口徑的約束作用大。日本、美國以及我國海城，唐山兩次強震中的震害均表明，管道的破壞隨管徑增大而減小，這說明管道剛度的影響不可忽視，但是各國學者對管徑的影響看法不一。

（8） 管道埋深：埋地管道一般總是埋在地表下有限的深度處，1923年東京地震調查資料顯示，埋深的增加破壞增加，而埋深增加到2.4m后管道的破壞率減小。淺埋管道破壞較輕是由于作用在管道上的土壓力和縱向摩擦力較小，土體對管道的約束作用小，傳遞到管道上的地震作用就小，埋深增加約束作用增大，破壞率高；埋深增加到2.4m管道事故率降低可以解釋為隨深度的增加地震作用下土體的位移下降的幅度大于約束作用增大的幅度。然而在許多情況下埋地管道破壞與其埋深之間并不存在固定的關系。造成完全不同的結論是因為管道的破壞不僅取決于土體位移的大小，而且還取決于管道在土體中的約束程度，因而較難確定管道埋深多大時震害較輕。

2 埋地管道破壞的主要類型

地震作用下埋地管道的破壞類型主要有三種[22]- [24]：

（1）接口破壞：連續式鋼管焊縫連接處的開裂，法蘭螺栓松動；承插式管道接口填料松動、剪裂、插頭拔出和承插口破裂等；

（2）管體破壞：管體出現縱向或斜向裂縫；地面大變形造成的管體折斷，銹蝕嚴重鋼管和鑄鐵管管體發生的折斷等；

（3）連接破壞：管道的三通彎頭、閘閥及其與其它構筑物聯接處，易受應變集中，運動相位不一致而發生破壞。

三種形式的破壞中管體破壞一般是由于地面斷裂、滑坡等嚴重地面大變形或由于管體本身缺陷和腐蝕嚴重而引起的破壞；接頭和連接破壞是地震作用下最為普遍的破壞見圖。

圖1 汶川地震中管線破壞情況

Fig1 Failure conditions of the pipeline in Wenchuan earthquake

3 埋地管道破壞的機理分析

埋地管道的地震破壞主要由構造性地運動-斷層錯動、地震場地失效-土壤液化、地震波傳播效應引起，下面簡要分析埋地管道的破壞機理。

（1）斷層滑移作用[13]- [14]

在一次強破壞性地震中，斷層位錯越大，震害越嚴重。斷層滑移的主要作用是使管道產生平錯運動，也可能伴隨有較小的垂直移動。斷層滑移區土體發生相對較大的錯動滑移，埋地管道受周圍土體的約束，隨著土體的變形而變形，當管道與活動斷層相交時，地震中產生的地表斷裂運動使管道產生縱向和橫向變形，縱向變形會使管道產生拉伸或縮短，管道受拉伸超過極限時就會發生破壞，管道受壓縮時則會由于薄殼失穩而造成屈曲破壞；橫向變形則會使管道產生折斷等剪切破壞，管道發生的剪切位移、拉伸或縮短的程度取決于斷層的類型、管道和斷層的方位、斷層錯動的大小和斷層平面的傾角等因素，大量的震害調查認為，具有高強度和韌性的鋼管（油、氣管道）一般能抗拒強烈地震的地面運動，卻不能抵御斷層作用和地面破壞所產生的永久地面變形。

（2）土壤液化[15]- [16]

地下水位以下的飽和松砂和粉土在地震作用下，土顆粒之間因振動而密實，但由于顆粒之間的空隙水來不及排出，使土顆粒處于懸浮狀態，即由固態轉化為液態，土在液化及液化后的反應極為復雜， 其中牽涉到從固相到液相及從液相到固相的轉變、土骨架與水相互作用的問題、大位移與大變形以及非連續介質等。液化往往造成管道上浮或下沉，目前研究液化砂土中管的動力特性，主要集中在管道在液化和不液化的邊界區域和管的上浮力，對由液化引起的大的永久性位移卻沒有進行足夠的研究。

（3）地震波傳播效應[17]- [20]

地震引發地面振動或搖晃，振動以一定速度的波的形式在地面傳播，既然運動是波，不同部位的管道的位移是不同步的，引發不同類別的應變。縱波沿管道方向的傳播使得土體受壓或受拉，管道被周圍土體夾裹著作波動變形，則土體的這種張拉和壓縮力將作用于管道產生軸向應變，橫波沿管道方向傳播使得土體垂直管道方向發生橫向變形，管道受土體約束影響而隨土體一起運動，促使管道產生彎曲應變。軸向應變可能是受壓或受拉，且會同時出現在一次地震中，受拉時管道接頭處產生拉拔力；受壓時管道產生擠壓或屈曲；彎曲變形則使連接開裂、破損，剪切引起折斷。

除此之外，埋地管道的變形還受周圍土體的地質條件的影響。震害資料和理論研究均表明非均勻場地對埋地管道的動力特性有較大的影響，管道在穿過非均勻場地時，土體出現明顯的豎向和橫向位移，使管道由于變形不同而破壞。土體類型變化以及其它因素如地震波類型、地形地貌條件、斷層等共同作用對管道破壞的影響很大，結合起來考慮其破壞機理十分重要。一般來說，前二種作用對埋地管道的破壞是災難性的，均屬于難以抗拒因素，實際工程中多采用避開這類地段鋪設管道的措施或專門研究特殊的抗震措施。而地震波傳播效應則是埋地管道破壞的最普遍原因，最早引起了人們的關注，是埋地管道抗震研究的主要對象，其在理論和試驗上的研究也較深入。

4 結語

埋地管道的抗震，是生命線地震工程的重要組成部分。只有認清埋地管道在地震波作用下反應特征的一般規律、破壞機理，并將其作為埋地管道地震反應分析的依據，才能建立適合實際工程的埋地管道地震災害防御技術，提高埋地管道的抗震能力，完善地震災害應急預案和工程技術措施，從地震防御到抗震理論分析，做到有的放矢，才能盡可能的減輕埋地管道的破壞，埋地管道和地鐵、隧道、共同溝、地下管廊同屬于地下線形結構，其震害分析在理論上應對后者震害原因分析有一定的借鑒價值（本文原刊于煤礦開采2014年5月）。

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作者簡介

馮紅衛（1980-），男，河南人新鄉人，碩士研究生，主要從事結構抗震方面的研究工作。

韓俊艷（1983-），女，河南周口，博士研究生，主要從事巖土工程及地下結構抗震方面的研究；

李金龍（1992—），男，江西上饒人，碩士，主要從事地震作用下地下結構破壞仿真研究；

李立云（1973-），男，河北寧晉人，副教授，博士。主要從事地震工程及巖土工程防災減災方面的研究。