斷層破碎帶段隧道抗減震及震后修復技術研究

蘇 鵬

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

我國是一個地震多發的國家，100多年來我國發生的地震多達上百次，其中強、大地震就有11次。每次強、大地震都給人民生命財產及國家基礎設施造成了巨大的經濟損失。

每次強大地震的發生都是對我國公路隧道建設的檢驗，尤其是近年來四川汶川大地震，青海玉樹大地震和雅安廬山大地震中，出現了多座公路隧道嚴重破壞的情況，特別是斷層破碎帶段的隧道出現了大量的二次襯砌垮塌，襯砌錯臺甚至是隧道垮塌的情況。因此有必要對斷層破碎帶段公路隧道的抗震及減震技術以及震后修復技術進行研究[1]。

1 隧道震害評估方法

1.1 隧道震害的分類

根據震后隧道破壞的位置將震區公路隧道震害分為兩大類：隧道拱墻襯砌震害和隧道底部震害。拱墻襯砌結構震害類型有8種：a）襯砌開裂；b）混凝土剝落；c）襯砌錯臺；d）混凝土掉塊；e）二襯垮塌；f）施工縫開裂；g）隧道垮塌；h）襯砌滲水。隧道底部震害類型有 4 種：a）路面開裂；b）仰拱錯臺；c）仰拱隆起；d）路面滲水。

1.2 影響隧道震害的主要因素

分析大量隧道的震害類型可以將引起隧道震害的主要原因歸結為兩點：一是地震慣性力；二是強制位移。地震慣性力和強制位移使得斷層破碎帶的巖體發生坍塌松動，出現涌水，斷層錯動加之由于二次襯砌的設計不足從而引起隧道結構產生各種類型的震害現象。

1.3 隧道震害評估方法[2]

地震災害發生后，根據搶通、保通、恢復重建3個階段的不同需要進行工程搶險。根據震后隧道的震害情況以及災后搶險3個階段的需要，可將斷層破碎帶段隧道（二次襯砌為鋼筋混凝土）震害程度分為5級，如表1所示。

鋼筋混凝土襯砌隧道按搶通、保通、恢復重建3個階段不同需要處治的震害等級如表2所示。

表2 鋼筋混凝土襯砌隧道3個階段需要處治的震害等級

因此，在制定隧道震害處治方案時，首先要根據隧道的震害情況對隧道震害等級進行合理定級，并根據不同階段的不同特點、不同目標及不同處治重點制定合理、安全、經濟的處治方案。

2 震害特征及機理[1]

2.1 震害特征

國內有關專家對斷層破碎帶段隧道的震害特征進行了大量的統計，尤其是王明年教授對汶川地震發生后四川省境內的位于斷層處的隧道震害特征進行了詳細、全面、系統的統計，其統計結果顯示：a）無錯動斷層破碎帶段隧道的震害情況輕微，錯動斷層破碎帶段隧道的震害程度要比無錯動斷層破碎帶段隧道的震害程度嚴重很多；b）斷層破碎帶段隧道結構震害特征主要以二次襯砌垮塌為主，占到了29.5%；襯砌開裂（裂紋清晰，有一定走向）和隧道垮塌次之，分別占到了20.64%和17.07%；路面開裂（不能確定裂紋方向，呈片狀或網狀）再次之，占13.66%，其他震害現象也有發生但較少。

圖1 震害特征圖

2.2 震害分析

a）斷層錯動是引起斷層破碎帶隧道結構嚴重震害的主要原因。

b）斷層上下盤圍巖軟弱是引起斷層破碎帶隧道震害嚴重的另一原因。

c）斷層破碎帶的寬度對隧道震害也有一定的影響。

d）二次襯砌設計不足也是引起斷層破碎帶隧道嚴重震害的一個原因。

綜合分析，引起斷層破碎帶隧道結構震害的原因是斷層錯動、圍巖條件軟弱、斷層破碎帶寬度及二次襯砌設計不足。另外，不易發生錯動的斷層隧道不需要進行特別的抗震設防；易發生錯動的斷層隧道應進行特殊的抗震設防。

2.3 震害機理

王明年教授對汶川地震發生后四川省境內的位于斷層處的隧道震害機理的研究成果表明，隧道穿越斷層有兩種情況，即無錯動斷層破碎帶及錯動斷層破碎帶。分析兩種情況下隧道震害機理需對兩種情況下的隧道進行結構受力和變形規律的研究，限于篇幅本文僅對兩種情況下的震害機理進行簡單敘述。

a）與普通段隧道相比，無錯動斷層破碎帶隧道在9度區，其二次襯砌最大主應力峰值比普通段大16%，安全系數降低了20.5%，變形增加較小。無錯動斷層破碎帶隧道破壞規模和程度雖比普通段隧道大，但其并沒有出現二次襯砌垮塌或隧道垮塌等嚴重破壞形式。說明無錯動斷層破碎帶隧道震害主要是慣性力導致，強制變形影響不大。無錯動斷層破碎帶隧道不是抗震設防的重點。

b）與普通段隧道相比，錯動斷層破碎帶隧道在9度區，其二次襯砌最大主應力峰值比普通段增加了121.6%，安全系數降低了74.4%，隧道軸向力增加了436%，變形增加了28.6%。錯動斷層破碎帶隧道不但出現二次襯砌垮塌，而且出現了隧道垮塌等嚴重破壞形式。說明錯動斷層破碎帶導致隧道位移變化量增大，隧道軸向力急劇增大，因此，錯動斷層破碎帶隧道是抗震設防的重點。

綜合分析：引起無錯動斷層破碎帶段隧道震害的主要原因是地震慣性力作用。引起錯動斷層破碎帶段隧道震害的主要原因是強制位移作用，該強制位移對隧道作用主要是沿隧道縱向。錯動斷層破碎帶的寬帶只影響隧道震害的規模和強度，不影響其震害的類型。

3 隧道抗減震技術

由于錯動斷層破碎帶段隧道的震害情況嚴重，因此將其作為設防重點。目前，隧道的抗減震設計主要通過結構加強和圍巖加固兩種措施進行。

3.1 減震技術

錯動斷層破碎帶段隧道的震害以二次襯砌垮塌為主，因此本文從設置縱向減震縫和橫向減震層兩種措施研究減震效果[3]。采用FLAC3D建立模型，模型尺寸見圖2。地震波采用汶川地震加速度波，各參數見表3～表5，計算工況見表6，監控點布置見圖3。

表3 圍巖參數

表4 材料參數

表5 減震縫參數

表6 計算工況

圖2 結構模型 （單位：m）

圖3 監控點布置圖

取上下盤距離斷層錯動面5 m、15 m、25 m處6個斷面。提取每個斷面上4個監控點的軸力和彎矩，求出各監控點的安全系數，取每個斷面中各監控點中的最小安全系數作為該斷面的安全系數，各工況下各斷面的安全系數見表7。

表7 各工況下各斷面的安全系數最小值

分析表7可知，各工況下，離斷層越近，結構安全系數越小，反之，結構越安全；同一斷面上，隨著減震縫間距的增大，結構的安全系數減小，減震縫間距在10～12 m時，結構的最小安全系數在1.8～2.0，滿足《公路工程抗震設計規范》中的混凝土在地震力作用下，主拉應力控制的最小安全系數為1.8的規定[4]。因此推薦減震縫間距為10～12 m。

減震層示意圖見圖4，減震層參數見表8，計算工況見表9。

圖4 減震層示意圖

表8 減震層參數

表9 計算工況

取上下盤距離斷層錯動面5 m、15 m、25 m處6個斷面。提取每個斷面上4個監控點的軸力和彎矩，求出各監控點的安全系數，取每個斷面中各監控點中的最小安全系數作為該斷面的安全系數，各工況下各斷面的安全系數見表10。

表10 各工況下各斷面的安全系數最小值

分析表10可知，各工況下，離斷層越近，結構安全系數越小，反之，結構越安全；同一斷面上，隨著減震層厚度的增大，結構的安全系數增大，在厚度超過10 cm后，安全系數反而降低了，說明了減震層過厚會影響隧道結構的安全性。雖然在各工況下，結構的最小安全系數均滿足《公路工程抗震設計規范》中的混凝土在地震力作用下，主拉應力控制的最小安全系數為1.8的規定[4]，但出于安全和經濟的要求，推薦減震層厚度為10 cm。

3.2 抗震技術

采用FLAC3D建立模型，模型尺寸見圖5。圍巖參數和材料參數見表3～表4，注漿參數見表11，計算工況見表12。

圖5 結構模型圖

表11 注漿參數

表12 計算工況

提取監測斷面上4個監控點的軸力和彎矩，求出各監控點的安全系數，取監測斷面中各監控點中的最小安全系數作為該斷面的安全系數，各工況下的安全系數見表13。

表13 各工況下監測斷面的安全系數最小值

分析表13可知：注漿區厚度和注漿區距初支的距離對隧道結構的抗震均有一定的影響。注漿厚度越大，結構越安全，但是在注漿厚度超過10 m后，結構的安全系數基本趨于穩定。注漿區距初支結構一定距離比緊貼初支更有利于結構抗震，注漿區離結構超過一定距離，抗震效果沒有明顯提高，反而略有下降。因此，推薦注漿區厚度為10 m，距結構的距離為2～5 m。

4 震后修復技術

根據震害評估方法，震后隧道修復按搶通、保通和恢復重建3個階段制定不同的處治對策。

a）搶通階段 首先，運用目測、物探等手段判斷震害隧道是否適合搶通。其次，對適宜搶通的隧道中的洞口存在落石或存在邊仰坡及上部山體垮塌體掩埋洞口的隧道進行洞口清理。第三，對洞口襯砌震害進行快速準確的分級，根據分級進行震害整治。第四，對于襯砌開裂，在此階段不處理，對于二次混凝土剝落、掉塊或局部垮塌的段落，首先進行掉塊、垮塌體清理，接著可采用噴混凝土或安設型鋼鋼架進行臨時支護。

b）保通階段 通過專業儀器設備對震后隧道進行全面詳細地檢測評估，根據檢測結果提出可行的加固方案，加固要兼顧長期效果。對于二次襯砌嚴重開裂、掉塊、垮塌段可采用鋼管支撐、型鋼鋼架與混凝土聯合支護。對于隧道內存在的短塌方段，可采用管棚法、WNF法和WF法。

c）恢復重建階段 在詳細檢測、全面評估的基礎上，開展加固設計，形成較完善的設計文件。對于襯砌滲漏水，應按隧道滲漏水形式不同采取相應的處治措施；對于襯砌少的裂縫可用嵌補方法或者外貼碳纖維布法加固；對于襯砌開裂嚴重，可采用面層加固和鋼拱架進行加固；對于二次垮塌，應采用套拱加固、換拱加固以及注漿加管棚的方法進行處治。

5 結論

本文通過對隧道震害的分類，分析其影響因素，給出了隧道震害的評估方法。分析斷層破碎帶段隧道震害的特征和機理，給出了合理的抗減震措施：減震縫的最佳間距為10～12 m；減震層的最佳厚度為10 cm；加固區的最佳厚度為10 m；加固區距隧道結構的合理間距為2～5 m。震后修復應根據震害的評估方法，按階段制定相應的震害修復措施，結合相應的修復技術。