汶川地震后10年公路明(棚)洞病害及處治工程的啟示

袁 松, 鄭國強, 張 生, 黎良仆

(四川省交通勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610017)

0 引言

我國西部地區地形地質條件極其復雜，山高坡陡，地震頻發，加之極端氣候頻現，山體滑坡、高位崩塌落石等次生地質災害頻繁，對公路的安全運營造成了巨大威脅。“5·12”汶川地震以后，應對高位崩塌的技術對策引起高度重視，在原位恢復重建中，因明洞、棚洞本身具有較強的防護能力，被認為是最為有效的解決方案。因此，在四川山區公路災后重建中修建了大量明(棚)洞結構，為保障公路安全運營發揮了巨大的作用。

近年來，眾多學者在明(棚)洞結構及其相關領域做了大量工作。四川省交通運輸廳2011年立項《山區公路防災減災鋼棚洞設計建造技術研究》、2013年立項《公路棚洞提高抗落石沖擊能力關鍵技術應用性研究》、2018年立項《裝配式鋼箱棚洞的研究與開發》，對鋼棚洞、混凝土棚洞、裝配式鋼棚洞進行了系列研究，通過原型試驗與數值模擬相結合的方法得到了棚洞抗沖擊性能的變化規律； 文獻[1-2]采用模型試驗對拱形棚洞、框架型棚洞抵抗落石沖擊的力學性能進行了研究； 文獻[3]通過數值模擬對5種不同結構類型的棚洞進行了抗落石沖擊的對比研究； 文獻[4-5]利用動力有限元模擬了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料換填回填土層，研究了明洞結構的受力及緩沖性能； 文獻[6]對山區公路大跨異型棚洞結構進行了系統研究； 文獻[7-8]主要是對隧道病害進行研究； 文獻[9-12]主要集中于對明(棚)洞結構承載能力的研究； 文獻[13-15]主要集中于對明(棚)洞抗落石沖擊能力的研究。以上文獻缺乏對明(棚)洞病害形態、特征的現場普查及系統研究。明(棚)洞主要應對的崩塌落石等次生災害具有很大的不確定性，因此了解和掌握明(棚)洞的病害形態，分析病害產生的原因，對正確采取對策具有重要意義。本文通過對“5·12”汶川地震后建設的40余座明(棚)洞10余年間經歷地震、暴雨后產生病害的跟蹤調查，初步統計病害情況，系統性地描述各種病害類型，分析病害產生的原因，簡述并評價修復措施及效果，得出防災減災明(棚)洞建設的教訓及啟示。

1 公路明(棚)洞病害形式及概況

1.1 明(棚)洞病害形式

明(棚)洞主要是為了防御高位崩塌落石、泥石流等邊坡問題而設置，其長度及洞口位置的選擇受主觀因素影響較多，但往往地質條件都比較差，多為嚴重風化的巖體，且覆蓋層較薄，其病害主要體現在洞口、上下邊坡及結構3個部位。

1.2 明(棚)洞病害概況

通過對G213映汶路、G213川汶路、G317汶馬路、G245烏甘路、S209龍三路、S463亞三路6條公路上40余座“5·12”汶川地震后建成的鋼筋混凝土明(棚)洞在經歷2013年“4·20”蘆山地震、2017年“8·8”九寨溝地震、連續余震以及眾多暴雨等災害以后的跟蹤調查，獲得了第一手的公路明(棚)洞病害及破壞資料。各種病害分布及所占比例如圖1所示。表1列出了明(棚)洞病害的主要形式，推斷了造成各種病害的原因，并給出了建議處理措施，以供明(棚)洞病害整治參考。各明(棚)洞的基本情況及發生過的主要病害情況見表2。

圖1 各類病害分布圖

圖1、表2中所列病害是有記錄的較嚴重的病害，其他小型病害如零星落石、細微裂縫等不計其數，未納入統計中。從統計結果來看：

1)洞口或開孔被掩埋所占比例超過50%，是最主要的病害類型，充分體現了設置明(棚)洞的必要性。

2)結構開裂、結構破壞均屬于結構受損，是對明(棚)洞運營安全有重要影響的類型，二者以受損程度進行區分，共同占比約22%。

3)下邊坡失穩發生的概率最低，不足10%。

表1 明(棚)洞病害類型及建議處理措施

表2 明(棚)洞基本情況及病害統計

2 明(棚)洞高危病害案例分析及建議

明(棚)洞各類病害中，以洞口或開孔被掩埋、下邊坡失穩、結構破壞對公路交通與明(棚)洞本身的影響最大，是需要重點關注的3種類型。下面通過具體案例對各類病害進行分析，并提出相應建議。

2.1 七星關明洞洞口被掩埋分析

2.1.1 病害情況

G213川汶路南新鎮白巖子路段在汶川地震災后重建時，為防治高位崩塌建設了100 m長的七星關明洞，2011年初基本竣工，汶川地震時該段邊坡崩塌體堆積的現場情況如圖2所示。2015年9月30日下午4時許，茂縣南新鎮白巖子邊坡發生大規模高位崩塌，導致七星關明洞汶川端洞口落石、飛石嚴重；川主寺端

洞口及多處開孔被埋，同時垮塌的堆積體還將路基段掩埋約100 m長，導致G213公路中斷，垮塌后的邊坡全景如圖3所示。

圖2 汶川地震未修筑七星關明洞時的崩塌體

Fig. 2 Collapse in Wenchuan Earthquake when Qixingguan Opencut Tunnel had not been built

圖3 七星關明洞內側邊坡概貌及工程地質分區

2.1.2 病害機制簡析

2008年“5·12”汶川地震時僅A區發生了較大規模的崩塌(見圖2)，因此七星關明洞最初的長度僅設置了100 m以防治A區的崩塌。

汶川地震后，上萬次余震、特大山洪泥石流、“4·20”蘆山地震等災害的不斷影響下，原本破碎且風化嚴重的山體崩塌范圍逐步擴大，最終導致A、B、C區發生大規模崩塌，D區受到崩塌的影響出現松動跡象(見圖3)。

2.1.3 處理措施及效果

通過對各個邊坡區域危害程度的分析，最終采取在A區左側接長50 m明洞，B、C區接長150 m明洞，D區進行坡面防護的工程措施。

該處理措施能徹底解決A、B、C區再次發生高位崩塌的威脅。D區坡面防護在2016年初實施完成以后，經受住了2017年“8·8”九寨溝地震及特大暴雨的考驗，但還需對其坡面穩定性隨時進行監測，保障公路行車安全。

2.2 麻柳灣明洞下邊坡失穩分析

2.2.1 病害情況

G213映汶路麻柳灣段位于岷江左岸，地形陡峻，內側基巖裸露。2008年“5·12”汶川地震誘發麻柳灣路段內側高位崩塌，崩積體侵占了約1/6的岷江河道，阻斷交通，后期發展為坡面泥石流； 同時，麻柳灣對岸關山溝發生更大規模泥石流，其堆積扇侵占了約2/3的岷江河道，致使麻柳灣路段路基下邊坡成為頂沖岸。2009年6月，防御麻柳灣坡面泥石流及崩塌體的麻柳灣明洞竣工，但為滿足汶川地震周年紀念時映汶路全線貫通的要求，未及時實施側墻下的樁基；2010年岷江爆發“8·13”特大山洪泥石流，明洞側墻與拱形襯砌處出現2～3 cm豎向貫通裂縫，側墻有傾覆跡象，路基下邊坡沖刷嚴重。麻柳灣明洞下邊坡從明洞施工前到防沖墻建成以后的整個演變過程如圖4所示。

(a) 明洞施工前外側較寬(2008-11)

(b) 無防沖墻下邊坡沖刷嚴重(2010-08)

(c) 設防沖墻后下邊坡基本穩定(2011-07)

圖4麻柳灣明洞下邊坡沖刷演化過程

Fig. 4 Erosion evolution process of lower slope of Maliuwan Opencut Tunnel

2.2.2 病害機制簡析

1)麻柳灣明洞外側為汶川地震崩塌堆積體，結構松散，側墻置于堆積體上而明洞結構內側大部置于原老路路基上，側墻與明洞發生不均勻沉降。

2)明洞建設時未及時按設計實施側墻下的樁基，不能有效控制明洞側墻發生變形。

3)“8·13”特大山洪泥石流來勢兇猛，麻柳灣明洞對岸關山溝也爆發大型泥石流，河道被嚴重壓縮，麻柳灣明洞路基下邊坡為頂沖岸，下邊坡沖刷嚴重。

2.2.3 處理措施及效果

通過病害機制分析，控制沉降、防治沖刷為明洞下邊坡病害整治方案設計的要點。麻柳灣明洞對應下邊坡采用8 m高重力式防沖墻(埋入河床以下4 m)，防沖墻上部設15 m高實體護坡，并設置12 m錨筋加固下邊坡。

在2011年初完成以上方案施工以后，麻柳灣明洞下邊坡經受住了多次山洪泥石流的考驗，至今未出現沖刷及失穩的情況，保證了明洞的安全穩定。

2.3 大岐棚洞結構破壞分析

2.3.1 病害情況

大岐滑坡為G317汶馬路內邊坡之上的高勢能滑坡，滑體體積約200萬m3，滑坡前緣垮塌和飛石嚴重威脅著車輛和行人的安全。2002年遵循不直接對滑坡體進行整治，采用棚洞臨時防護方案攔截坡面飛石，保證公路的正常運營的原則，修建了大岐棚洞。該棚洞頂部為獨立簡支橫向主梁及縱向板的結構形式。

2008年“5·12”汶川地震時大岐棚洞未受損，但其前后路段因有落石飛石威脅，在災后重建中進行了加長棚洞處理；2012年、2016年棚洞2次被高位飛石砸中，沖擊能量巨大，均發生3～4片主梁及外側排架嚴重破壞的病害，2012年棚洞破壞情況如圖5所示； 2017年棚洞再次被飛石砸中，發生縱向板破損及排架縱梁開裂的結構損傷。

(a) 飛石砸壞頂梁時的破壞

(b) 修復時挖除破損結構

(c) 修復加固完成以后的情況

圖5大岐棚洞結構2012年被砸壞及修復的情況

Fig. 5 Structural damage and repairing situation of Daqi Opencut Tunnels

2.3.2 病害機制簡析

1)大岐滑坡本身為高位高勢能滑坡，邊坡頂部有較多的松散堆積體，具備產生高沖擊能量飛石及高位崩塌的條件。

2)2002年初次整治時受經濟條件所制約，大岐棚洞原設計的定位僅為臨時防護方案，其防護能力有限，不能抵抗過高的沖擊能量； 同時，未對滑坡進行直接整治，不能消除產生高能沖擊的原始條件。

3)盡管大岐棚洞建成近10年未發生大型破壞，但其威脅仍然存在，在經歷汶川地震及余震、多次暴雨沖刷等災害以后，邊坡上部松散堆積體出現進一步松動跡象，接連發生落石飛石等災害。

2.3.3 處理措施及效果

由于落石飛石沖擊具有很大的不確定性，因此采用全面加固處理的方式不合理，最終擬定對砸壞的頂梁以及縱向排架均采用拆除重建的方式原位恢復，在不降低公路通行能力的情況下，盡量提高防護能力。具體措施為將原有的獨立簡支梁+縱向板的頂部結構調整為現澆整體T梁頂板結構，外側排架縱梁中間增設支頂結構，可以有效提高結構整體性及抗沖擊能力。

原位重建以后，相同位置至今未發生再次破壞。但這并不意味著結構一定安全，仍然有被高能沖擊破壞的風險。

3 結論與建議

根據對汶川地震震后10年明(棚)洞病害的跟蹤調查與分析，得出對于防災減災明(棚)洞應總結經驗和教訓，建議從選址、設計到施工做好以下工作：

1)做好明(棚)洞選址及調查工作。用發展變化的眼光看待邊坡地質病害，綜合區域地質情況、巖體層面結構、風化程度等因素，科學確定明(棚)洞設置位置及防護長度。

2)合理估算沖擊荷載，選擇合適的明(棚)洞結構。借助無人機攝影等先進技術手段，基本掌握上邊坡危巖發育情況，估算出合理的沖擊荷載，指導結構選型。

3)設置可靠的防沖結構，確保路基下邊坡穩定。充分考慮山區河流沖刷嚴重的特點，結合河流形態、水電站設置情況等影響因素，確定沖刷深度。

4)加強明(棚)洞結構抗沖擊能力研究，科學設置經濟、有效的回填緩沖層，提高結構安全冗余度；同時明(棚)洞設計可考慮易拆換結構，在其受到嚴重破壞時便于快速修復。

5)重視施工期間的安全防護，確保施工質量。

以上建議主要基于跟蹤調查結果提出，未深入分析崩塌落石對明(棚)洞的沖擊力學問題，今后可在沖擊荷載估算、結構抗沖擊能力提高等方面進一步探討與研究。