高烈度地震區(qū)山嶺隧道抗震研究綜述

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

一、引言

在中國城市地下空間發(fā)展藍(lán)皮書中，格外重視西部山區(qū)隧道和橋梁的發(fā)展，對許多工程性問題進(jìn)行了研討與展望。我國在隧道抗震減震方面起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，沒有相關(guān)規(guī)范的實(shí)施很難在抗震減震工程設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用以至于在實(shí)際抗震中方面難以取得顯著地成果。而現(xiàn)階段高烈度地震區(qū)隧道的抗震設(shè)計(jì)很難滿足要求，在汶川地震隧道的震害實(shí)例中得到了充分的展示。設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和地上建筑物的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能從根本上解決實(shí)質(zhì)的工程問題，隧道結(jié)構(gòu)的抗震減震設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步的探討和完善。應(yīng)在隧道震害調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過理論分析和計(jì)算機(jī)軟件模擬分析等方法進(jìn)行研究，從而提出對某一工程問題給出了初步的解決方案。

二、國內(nèi)外隧道結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)研究現(xiàn)狀

(一)國外隧道結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)研究現(xiàn)狀

在過去一個(gè)多世紀(jì)地下空間的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外學(xué)者都沒有對地下空間的抗震問題引起足夠的重視，因而發(fā)展緩慢，同時(shí)地下構(gòu)筑物的研究沒有地上構(gòu)筑物研究容易，涉及許多地質(zhì)問題，相關(guān)學(xué)科不能提供輔助，抗震問題也就無從下手。上世紀(jì)中葉，日本在海底隧道的建設(shè)過程中遇到了斷裂帶和地震問題，在結(jié)合理論力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)上對隧道的抗震設(shè)計(jì)采用靜力理論的方法進(jìn)行計(jì)算取得了一定的成果。上世七八十年代，隧道的抗震問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視，在隧道的設(shè)計(jì)過程中充分的考慮了地震對隧道的破壞。美國在建設(shè)地下地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)提出了地下結(jié)構(gòu)不具有抵抗地震慣性力的作用，同時(shí)提出了地下結(jié)構(gòu)不喪失承載靜荷載力的設(shè)計(jì)思想[1]。

(二)國內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者通過借鑒國外學(xué)者的研究成果和相關(guān)隧道抗減震設(shè)計(jì)規(guī)范。在上世紀(jì)50年代制定了基于擬靜力法的鐵路隧道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]。90年代，邵根大[1]等采用模擬實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算的方法闡明了作用了在隧道襯砌上的地震力產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)。潘昌實(shí)[3]總結(jié)了隧道及地下結(jié)構(gòu)的破壞情況和一些影響因素的關(guān)系，介紹了質(zhì)量-彈簧模型和有限元進(jìn)行地震反應(yīng)分析的方法。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國家對西部山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重視，大量的山區(qū)隧道的修建，一些高烈度地震區(qū)隧道抗震減震的設(shè)計(jì)問題提上了議程，特別是在汶川地震發(fā)生后。王崢崢[4]等提出在隧道洞口段的圍巖采用不同的圍巖加固方案，并對每一種注漿方案進(jìn)行了建模分析，得出了不同注漿方式對隧道抗震的影響。周德培[5]研究了在高烈度地震區(qū)的軟弱破碎巖體中修建淺埋大跨度隧道時(shí),采取何種施工技術(shù)和選用什么樣的抗震材料，才能滿足抗震性方面的要求的問題。李育樞[6]通過對山嶺隧道地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究，利用有限元差分法得出了山嶺隧道的震害破壞機(jī)理。這些研究對隧道洞口段仰坡的施工和采取減震措施具有指導(dǎo)意義。

由此可以看出，國內(nèi)外對隧道地震技術(shù)的研究已經(jīng)取得了重大的突破，但依然有很多的不足。我國的地下抗震設(shè)計(jì)規(guī)范沒有實(shí)施，相關(guān)設(shè)計(jì)依然要借鑒地面結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范；國內(nèi)學(xué)者對強(qiáng)震區(qū)山嶺隧道的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究不是太多，也忽略了對地震響應(yīng)時(shí)間的分析；在隧道地震圍巖破壞機(jī)理分析，選用地震波分析較單一，在工程實(shí)際中應(yīng)用較少，難以取得預(yù)期效果。國內(nèi)學(xué)者對高烈度地震區(qū)山嶺隧道的震害機(jī)理研究不足，難以進(jìn)行后續(xù)研究，也很難對某一工程問題給予良好的參考。

三、高烈度地震區(qū)山嶺隧道抗震問題

(一)高烈度地震區(qū)山嶺隧道破壞形式

西部山區(qū)的山嶺隧道絕大多數(shù)是修建在歐亞板塊的地震帶上，極易高烈度地震，由于地質(zhì)復(fù)雜，斷裂帶眾多，在隧道設(shè)計(jì)中不可避免的就要考慮隧道的抗震問題。我國“5.12”汶川大地震調(diào)查結(jié)果表明：位于斷層帶的隧道絕大多數(shù)都遭到了不同程度的損壞，離震中距越近所受的影響較大，而較遠(yuǎn)處幾乎沒有大的破壞：隧道的洞口段和邊坡是最容易受到破壞的部位，因?yàn)樯戏酵馏w薄，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，極易發(fā)生失穩(wěn)：其次硬巖隧道的震害較輕，軟弱圍巖隧道的震害明顯比硬巖隧道嚴(yán)重，尤其是在隧道圍巖發(fā)生較大變化地段，如在淺埋偏壓段、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶或松散堆積體地段等[8]。汶川地震發(fā)生后，國內(nèi)學(xué)者在距震中50km范圍內(nèi)的調(diào)研表明，隧道的破壞主要集中在洞口的邊坡變形，洞身襯砌的開裂和仰拱的隆起等方面，還涉及到地下水的積聚，瓦斯隧道出現(xiàn)瓦斯等。值得指出的是，洞身初期支護(hù)和二次襯砌發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害地段大多數(shù)處于高地應(yīng)力區(qū)段或者穿越軟弱破碎帶區(qū)[9]。

(二)高烈度地震區(qū)山嶺隧道破壞原因及啟示

對以往地震中隧道結(jié)構(gòu)的震害研究表明，隧道的斷裂帶處、不同級(jí)別的圍巖交界處、淺埋隧道和偏壓隧道處、洞門處極易發(fā)生破壞。對這些隧道的破壞情況進(jìn)行分析，高烈度地震區(qū)山嶺隧道的地震效應(yīng)可以分為以下幾類。在地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過隧道時(shí)在隧道的軸線方向上會(huì)發(fā)生很大變化，使隧道結(jié)構(gòu)體發(fā)生劇烈震動(dòng)和擺動(dòng)，隧道圍巖部分的地應(yīng)力發(fā)生破壞，隧道結(jié)構(gòu)不能支撐地應(yīng)力的改變對隧道結(jié)構(gòu)體的力的作用，導(dǎo)致隧道的襯砌破壞，在高地應(yīng)力區(qū)尤其明顯。地震作用時(shí)隧道周圍的土體會(huì)發(fā)生液化，使隧道周圍的土體發(fā)生變形、塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致隧道周圍的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生變化，圍巖不能支撐隧道結(jié)構(gòu)體導(dǎo)致隧道塌陷。地震波在斷層地區(qū)時(shí)，特別是兩側(cè)巖體剛度相差較大時(shí)，地震波在此處的轉(zhuǎn)播速率會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致此處隧道襯砌的錯(cuò)動(dòng)，巖體對隧道的約束降低，使隧道垮塌。因此在高烈度地震區(qū)修建隧道時(shí)，在圍巖破碎區(qū)域要進(jìn)行注漿加固以達(dá)到抗震設(shè)防要求，在斷層破碎帶、軟硬圍巖交界處應(yīng)采用合適的抗震或減震材料進(jìn)行加固。強(qiáng)震區(qū)山嶺隧道建設(shè)中必須高度重視洞口邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和防護(hù)設(shè)計(jì),將邊坡防護(hù)、洞口明洞和洞門結(jié)構(gòu)作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),在條件允許的情況下盡可能采用削竹式洞門這種抗震性能較好的洞門結(jié)構(gòu)[10]。這些措施的實(shí)施可以有效地解決震害問題，同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者應(yīng)加大對不良地質(zhì)條件下的抗震設(shè)防研究。

四、研究與探討

在地質(zhì)情況復(fù)雜的地震區(qū)修建山嶺隧道極易遇到軟弱圍巖地區(qū)，圍巖狀況的好壞很大程度上決定著隧道在地震作用下是否發(fā)生破壞。而襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)很大程度上依賴于圍巖，所產(chǎn)生的附加應(yīng)力和變形主要是由圍巖的相對位移引起的[11-12]。所以，采用哪種隧道圍巖加固方式是一個(gè)非常值得探討的問題，可以為以后的隧道具有良好的借鑒作用。常見的圍巖加固措施有周邊圍巖注漿加固和錨桿加固。圍巖注漿加固可以使圍巖和初期支護(hù)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，以提高圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和自承能力，能夠減小襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，減輕震害的作用[13]。而隧道圍巖的加固形式不同，抗震減震效果也相差較大。

工程中隧道圍巖的常見的圍巖注漿形式有局部注漿、全環(huán)接觸注漿、全環(huán)間隔注漿[14]。在相同隧道的地質(zhì)情況和隧道斷面形式等條件下，采用不同的注漿形式，來研究隧道襯砌在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，取得最佳抗震減震效果的方式。由于采用實(shí)體模型耗費(fèi)巨大，時(shí)間久，不可控因素多，因此采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模分析，許增會(huì)等利用ANSYS軟件的譜分析研究地震對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律的結(jié)論進(jìn)行建模分析[15-16]。利用有限元軟件對不同的地質(zhì)情況進(jìn)行模擬，得出施工過程中進(jìn)行圍巖加固采用全環(huán)間隔注漿的效果最好，局部注漿效果最差。因此，對圍巖注漿可以明顯的提高隧道的抗震能力。在以后的高烈度地震區(qū)山嶺隧道的設(shè)計(jì)過程中可以先利用有限元軟件進(jìn)行建模分析，輸入設(shè)計(jì)地區(qū)的地質(zhì)條件和隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)得出具體的參數(shù)，從而選用適合該地區(qū)的圍巖注漿加固方案。

五、結(jié)論

我國在山嶺隧道的抗震方面研究比較少，沒有取得顯著地成果，在過去進(jìn)行的一些研究中，沒有較好結(jié)合震害實(shí)例進(jìn)行理論分析，也與學(xué)者對抗震研究不夠重視導(dǎo)致的。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展較緩慢，利用有限元軟件對山嶺隧道抗震減震模擬實(shí)驗(yàn)起步較晚，不能很好的利用有限元軟件，同時(shí)基于有限元軟件的二次開發(fā)研究較少，不能有效的應(yīng)用難以對工程問題提供好的解決方案，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)加大地震作用對地下構(gòu)造物影響的研究。