隧道震害和地表變形相關性的實例分析

張學朋，蔡 躍，蔣宇靜，劉保國，欒恒杰

(1.礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室(培育)(山東科技大學)，山東 青島 266590； 2.長崎大學 工學院，日本長崎市文教町1-14，8528521； 3.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；4.城市地下工程教育部重點實驗室(北京交通大學), 北京 100044)

一般認為，與地面建筑相比，隧道等地下結構在地震時由于受到圍巖約束，震動幅度小且震動次數少，抗震性較好.因此，以往關于隧道的抗震設計相對較少.然而，近幾十年來發生的隧道震害表明了該認識具有片面性，例如，1995年日本阪神地震、2008年中國四川汶川地震以及2016年日本熊本地震等.震區內大量隧道受到了不同程度的破壞：阪神地震的震害隧道主要集中在20世紀60年代建的淺埋隧道，比如山陽新干線的六甲隧道，其拱頂產生了橫向剪切裂縫，另外拱墻交接處有壓縮性裂縫[1]；2008年汶川地震震區中隧道震害，除襯砌裂縫外，比較突出的還有隧道洞口部的坍塌[2]；而2016年日本熊本地震，隧道的破壞形式又有新的特點，環形裂縫均勻分布[3].以上實例表明，地震導致的隧道破壞受多種因素影響，機理相對復雜.研究隧道等地下結構受地震力作用下的破壞特征和規律，對其防震減災有重要的現實意義.

從細部研究隧道的震害，著重于力學方面的探討，是隧道震害研究的一個重要方面.但因地質條件的復雜性以及地震波的不確定性，這種方法受到很大制約.受地震作用影響下，地表變形運動是一種直接有效的地震作用機制觀測方法.有研究表明，2016年熊本地震中，地面震動和變形可能會對長大型結構(如巖體)造成巨大的影響[4]，然而該研究沒有給出明確的研究結果.

為此，擬從地震前后地表變形角度，探討分析隧道的破壞特征，探求其兩者之間的相關信息，以便通過地表變形特征劃分地下結構的震害影響區域，用于隧道等地下工程的防災減災.

目前，分析地表變形時常用的數據是高清晰度垂直和傾斜航空照片以及機載激光測量數據(LiDAR)[5-8].機載激光測量系統由集成航空定位系統和機載激光掃描器構成，其測量數據可以過濾植被影響，最近在巖土工程中的應用越來越廣泛[9-13].目前為止，山嶺隧道的地震破壞研究中，相應的定量分析研究還很少，且地表運動與地下結構變形之間的相關性鮮有研究.本文通過實例分析，考察隧道周邊地表變形運動分布特征，對比其與俵山隧道震害的空間分布特征，探討地表變形與隧道震害之間的相關性.

1 2016年熊本地震簡介

2016年4月14日21點26分(日本標準時間，東九區時間)，日本熊本縣熊本地區發生震級6.5(Mj)的逆斷層型地震，震源深度約為11 km (2016年熊本地震前震)，地震源于日奈久斷層的錯位.2016年4月16日凌晨1點25分，由于布田川斷層發生走滑型破裂，該地區再次發生震級7.3(Mj)地震，震源深度約為12 km(2016年熊本地震主震).日本氣象廳將該一系列地震命名為“平成28年(2016年)熊本地震”.圖1為2016年熊本地震各地震震源分布圖(數據來源：日本國土交通省氣象廳，2016).

圖2為主震發生時熊本西區春日觀測點加速度波形，該地震波形分為南北方向(NS)、東西方向(EW)和上下方向(UD)3個分量.由圖2可知，該觀測點地震加速度波形水平分量(NS和EW分量)大于上下分量，NS分量峰值為605.9 cm/s2，EW分量峰值為551.5 cm/s2，而上下分量峰值僅為405.2 cm/s2；另外該監測點NS分量大于EW分量，表明該區域地表運動方向以南北向運動為主.表1給出了熊本震區內多個觀測點最大加速度值的水平和垂直分量，可以看出，水平分量大于上下分量(南阿蘇中松觀測點除外)，水平分量中南北分量和東西分量的比重所占不同，表明地震波由于地形條件差異等因素的影響，在各個區域的傳播方向會有所不同，如春日觀測點區域以南北向傳播為主，而上天草市大矢野町區域以東西向傳播為主.

圖1 2016年熊本地震各地震震源分布

Fig.1 Epicenter distribution map of the 2016 Kumamoto earthquake

圖2 主震發生時熊本西區春日觀測點加速度波形

Fig.2 Acceleration of mainshock wave in KASUGA when the mainshock of Kumamoto earthquake occurred

表1 熊本地區各觀測點最大加速度值(2016年4月16日主震)

Tab.1 Measured maximum ground acceleration at different observation sites induced by themainshock of Kumamoto earthquake (April 16, 2016)

觀測點名震央距離/ km 最大加速度/(cm·s-2)南北分量東西分量垂直分量熊本西區春日7.5606.0551.6405.3宇城市松橋町14.2492.8342.6313.9南阿蘇村中松32.3794.5606.8653.1上天草市大矢野町36.3262.1334.4122.3八代市平山新町34.6171.8175.682.5蘆北町蘆北56.9138.6124.941.4人吉市西間下町61.2111.7102.050.4

本次前震與主震最大烈度皆為烈度7，是日本自1949年設立烈度7以來，繼1995年阪神大地震、2004年新瀉縣中越地震和2011年311大地震后第4，5次觀測到烈度7的地震，也是日本自1949年來第1次數日內在同一區域連續兩次觀測到烈度7的地震.

2 俵山隧道概況及震害調查

俵山隧道位于熊本高森線(縣道)上，全長2.057 km，呈東西走向，是連接西原村和南阿蘇村的交通要道.該隧道距主震震中直線距離為22.4 km，如圖3所示.在2016年熊本地震中遭受嚴重損壞.

圖3 俵山隧道概況

地震發生后，在日本國土交通省九州分局熊本水川國道事務所的幫助下，筆者和研究小組率先進入震區，對隧道震害進行了詳細調查，取得了第一手現場資料.調查發現，該隧道的基本地震破壞特征可分為5種模式：襯砌裂縫(圖4(a))，施工縫損傷(圖4(b))，地下水滲漏(圖4(c))，混凝土襯砌剝落、坍塌(圖4(d))以及路面損壞(圖4(b)).在詳細調查之后，繪制了隧道損壞的全景視圖以進行進一步評估.圖5為S157-S190跨的隧道震害破損全景圖(此處S指代隧道跨度).

圖4 俵山隧道震害類型

圖5 俵山隧道的震害破損全景圖(S157-S190)[3]

Fig.5 Panorama view of the seismic damages to the Tawarayama tunnel (S157-S190)[3]

3 地表地形數據和研究方法

熊本地震發生后，日本政府和很多民間機構對災區進行了基礎測繪，通過高精度的航空拍攝和衛星遙感等技術，取得了地震后的基本地形數據.由于機載激光測量技術的高穿透性，該技術能夠過濾地表覆蓋植被的影響.因此，本研究中采用機載激光測量數據.

分析隧道周邊地表變形時，利用的數據是2016年地震發生前和地震發生后測量的數字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM).震前的數據由日本國土地理院提供，測量時間為2013年1月—2月，柵格為1.0 m；震后的數據來自日本林業局，測量的時間為2016年4月—7月，柵格為0.5 m.為方便論述，這里把2013年的數據稱為震前DEM，2016年的稱為震后DEM.利用柵格為1.0 m的DEM，通過合適的計算方法，地表變形計算精度可達0.1 m.

采用組合分類迭代最近點(CCICP)算法計算地震前后的地形變動特征.該算法最初是為了標定移動測繪系統(mobile mapping system，簡稱MMS)的點陣而開發[15].其基本原理為相同區域通過MMS掃描多次時，捕捉有差異點集合，分析處理點陣的變化，可得到地形的變化.文中將震前DEM設為S，震后DEM設為T，地表變形的計算過程如下：

1)將S和T按照等間隔間距劃分為小的點集合數據區域；

2)根據Demantke等提出的主成分分析法(principal component analysis，簡稱PCA法)[16-17]，對每個點集合進行分類.其基本原理為：首先根據點所處位置以及周圍點的分布，計算出各個點的特征值λ1,λ2和λ3，按照特征將點分為線性點集，平面點集和散點集；然后通過特征值的協方差矩陣對點的位置進行評價，如果點集之間是線-面關系或散點-面關系時，則認為二者坐標系不匹配，如果點集之間是點點關系或者面-面關系，則認為二者坐標系匹配，可進行下一步計算;

3)計算地震前后點-點集合和面-面集合之間的最小距離.點-點距離DPT_PT以及點-面距離DPT_PL的計算公式如下[15-17]：

(1)

(2)

式中：T為齊次坐標系中的變換矩陣；ps為震前點集合，pt為震后點集合；nt為PCA方法計算后pt的法向向量.T的表達式為

(3)

式中：αij(i,j=1,2,3)為旋轉量，tx,ty,tz為平移量.

4)通過反復迭代S和T中對應點坐標系之間的距離平方差，獲取S和T之間平方差之和的最小值，以此作為S和T的配準，最終獲取地震前后地表變形三維分布特征.

4 結果和討論

4.1 地震前后的地形變化

圖6為通過CCICP算法計算得到的地表水平變形位移.可以看出，俵山隧道東側地表變形主要是以東北-西南向為主，而隧道西側地表變形主要是以東-西向為主.同時，將本文計算結果與前人計算結果作對比以驗證該研究方法的有效性.圖7為Mukoyama等采用3D-GIV(geomorphic image velocity)方法計算得到的隧道周邊位移分布[18].比較二者之間的分布特征可以發現兩種研究方法的結果基本吻合.

此外，為了進一步驗證該研究方法的準確性，將附近的長陽(Chouyou)基準觀測點(編號為 EL04930274901，經緯度坐標為32.870 N,130.9962E)作為研究對象.圖6同時給出了地震前后長陽(Chouyou)基準點附近的水平位移分布.藍色為本研究的計算值，紅色為日本國土地理院公布的觀測值.地震后，基準點向西南方向移動了0.97 m.該基準點周邊6個計算點水平位移的平均值也為0.97 m，由此可以看出本研究方法計算得到的地表位移值和觀測值基本一致，從而驗證了該研究方法的有效性和準確性.

藍色為CCICP計算水平位移值，紅色為日本國土地理院(GEONET)公布的電子基準值，單位：m

圖6 地表水平變形分布CCICP計算值

Fig.6 Horizontal displacement calculated by CCICP algorithm

黑色箭頭代表水平位移，Mukoyama et al.,2017年[18]

4.2 地形變形特征與隧道震害之間相關性分析

圖8為俵山隧道震害分布與地表垂直變形對應關系.正值代表地表隆起變形，負值代表地表沉降變形.為便于觀測，沿著東西方向設置等間隔監測線，由西向東命名為L_1，L_2,…,L_21.由圖8(b)可知，地震導致的地表隆起和沉降比較小.在隧道的西側入口，地表的沉降為0.57 m，隧道上方其他部位的隆起和沉降比較平緩，最大值為0.5 m.由表1可以看出，各個觀測點加速度的垂直分量遠遠小于水平分量，由此也可以說明地表的垂直變形較小.

隧道震害調查結果表明，隧道襯砌結構由于豎直方向作用導致的震害較少(圖7(a)).由此可以看出，該案例中地表垂直變形與隧道襯砌結構震害之間的相關性較弱.

圖9為俵山隧道震害分布與地表水平變形對應關系.由圖9(b)可以看出，位于隧道西側入口(L_1～L_6)上方地表變形的水平位移較大，平均值為1.15 m；位于隧道中部和東部(L_7～L_21)上方的地形，水平位移值逐漸減小，平均值為0.88 m.現場調查結果表明，隧道西側(S001～S050，對應于地表檢測線L1～L6)，由于水平擠壓、張拉或剪切作用，隧道襯砌開裂、剝落現象嚴重，隧道襯砌施工縫、路面也出現大量破損.由此猜想地表水平變形特征能夠在一定程度上反映地下結構變形特征和震害分布特征，兩者之間的相關信息便于劃分地下結構的震害影響區域，用于隧道的防災減災.

圖8 俵山隧道震害分布與地表垂直變形對應關系

Fig.8 Relation between ground vertical displacement and seismic damages of the Tawarayama Tunnel

圖9 俵山隧道震害分布與地表水平變形對應關系

Fig.9 Relation between ground horizontal displacement and seismic damages of the Tawarayama Tunnel

為探討地表變形和隧道震害之間的相關性，沿俵山隧道軸線方向作兩條輔助線：北側測線(North_detection_line，簡稱 N_L)和南端線(South_detection_line，簡稱 S_L)，如圖9(b)所示.N_L測線上監測點采用紅色方塊標記，S_L測線上監測點采用黑色實心圓標記.N_L測線和S_L測線上各個監測點的南北向和東西向位移分量如圖10(a)，(b)所示.此外，定義地表水平位移與隧道軸線夾角的銳角(<90°)為θ.圖10(c)為兩條測線上監測點水平位移矢量與隧道軸向夾角θ沿隧道軸向的分布情況.

由圖10可知，在隧道西端的地表變形中(L_1～L_6)，東西方向的水平位移大于南北方向的值，地表水平運動方向與隧道軸向夾角小于10°.隧道震害調查結果表明，該區域隧道襯砌呈現較明顯的東西向軸向拉壓變形破壞特征，如圖4(b)所示的跨度S012與跨度S013之間襯砌施工縫壓縮破壞和路面受壓隆起破壞，圖11所示的跨度S001與跨度S002之間襯砌施工縫張拉破壞.同時，隧道洞口段坑道向西移位10 cm，并且由于擠壓作用導致隧道西側出口處路面隆起15 cm，如圖12所示.除此之外，如圖9(b)所示，在L_1和L_2處，發現了往北0.19和0.13 m的位移，而其他部分的位移則都往南，地形南北向運動方向發生改變，容易導致地層發生錯位.隧道震害調查結果發現，在該地形位移南北方向轉變位置的下方，隧道襯砌在施工縫處發生南北向錯位，如圖13所示.可以看出，強烈的地表水平變形運動特征能夠在一定程度上反映地下結構震害的真實情況，如襯砌、路面和施工縫等各種結構的破壞特征，這將有助于劃分地下結構的震害影響區域，用于隧道的防災減災.

圖10 北側測線 (N_L)和南側測線(S_L)上的位移分量和隧道軸線夾角θ的對應關系

Fig.10 Displacement components on both detection lines and variation of angleθalong the axis of the tunnel

圖12 隧道出口處的路面破損(西原村側)

Fig.12 Portal pavement damage of the Tawarayama tunnel (Nishihara Village side)

圖13 跨度S001和跨度S002之間的施工縫處錯動

Fig.13 Dislocation of the construction joint between S001 and S002

由圖9可以看出，隧道中東部上方的地形 (L_7～L_21, 南阿蘇村方向)，東西向水平位移逐漸減小，南北向水平位移逐漸增大，且位移值超過東西向位移值，θ表現出增大趨勢，表明該區域地表變形方向為西南-東北方向.表1中南阿蘇村中松觀測點位于隧道東部區域的東北側，該觀測點的南北向峰值加速度值大于東西向峰值加速度值，這與地表變形特征吻合，從而表明地表變形運動的方向能夠在一定條件下(如排除地震斷層等特定地質構造的影響等條件)反映地震波的傳播方向.

地表西南-東北向運動特征表明地震波的傳播方向與隧道軸線方向斜交(如圖10(c)所示，θ介于20°和90°)，與隧道東西向軸線方向斜交.該結論驗證了文獻[3]關于地震波傳播方向的猜想.現場調查結果表明，雖然該區域地表的水平變形遠遠小于隧道西端，但由于襯砌質量、巖體的地質條件等因素，該區域隧道破壞仍然較為嚴重.如沿著隧道軸向約23.4%的跨度內出現均勻分布的環形裂縫(圖6)，間隔為10 m左右.地表變形特征表明地震波的傳播方向斜交于隧道軸線方向，容易引起隧道軸向拉伸、壓縮變形，會導致橫/斜/環向裂縫；加之致密安山巖和破碎安山巖成層交替分布，導致隧道呈現規律性環向裂縫，如圖14所示.

圖14 混凝土襯砌環向裂縫[3]

5 結 論

基于高精度航空機載激光測量數據(LiDAR)，通過分類迭代法技術獲取受2016年日本熊本地震影響作用下俵山隧道周邊地表變形分布特征.計算結果與日本國土地理院公布的實測值一致，表明該研究方法的有效性和準確性.

研究分析了隧道周邊地表空間變形和隧道破壞的關系，發現隧道周邊的地表水平變形和隧道的破壞模式有較強的相關性，而垂直變形的相關性不大.

強烈的地表水平變形運動特征能夠在一定程度上反映地下結構震害的真實情況，如襯砌、路面和施工縫等各種結構的破壞特征.地表水平變形運動的方向能夠在一定條件下(如排除地震斷層等特定地質構造的影響等條件)反映地震波的傳播方向.這一發現也驗證了俵山隧道出現的均勻分布環向裂縫關于地震波傳播方向的猜測.

在一定程度上，掌握地震變形場的詳細信息，特別是地表變形的方向，便于劃分地下結構的震害影響區域，對于了解地下結構的地震力學反應和抗震減震具有一定的應用價值.