地震對(duì)地下工程的損害

段 樂(lè) 齋

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 1966年邢臺(tái)地震(中)

1.1 地震概況

邢臺(tái)地區(qū)位于河北省南部。該區(qū)西部為太行山及其山前地帶，地勢(shì)西高東低。東部為洪積沖積平源，地勢(shì)平坦，海撥高程在20～100m之間。主要河流為滏陽(yáng)河，由東南向北東橫貫全區(qū)。1966年3月，邢臺(tái)地區(qū)接連發(fā)生強(qiáng)烈地震。3月8日晨5時(shí)29分，于北緯37°35′，東經(jīng)114°55′發(fā)生6.8級(jí)地震，震中在隆堯縣馬蘭、任村一帶，震源深度10km，震中烈度Ⅸ；3月22日16時(shí)11分及19分，在相距不遠(yuǎn)處，即北緯37°53′，東經(jīng)115°05′，又相繼發(fā)生6.7級(jí)及7.2級(jí)地震，震中在寧晉縣東汪鎮(zhèn)一帶，震源深度10km，地震烈度Ⅹ度。

這幾次地震使該區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)的350個(gè)村嚴(yán)重受災(zāi)，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大損失。地震引起地形地貌變化，地裂縫和噴水冒砂普遍，地裂縫成帶狀，滏陽(yáng)河畔裂縫很多，裂縫上、下錯(cuò)動(dòng)。最大冒砂水直徑達(dá)1.2m，冒出的泥砂厚達(dá)1.3m。

1.2 地下洞室損壞情況

邢臺(tái)地震使邢臺(tái)煤礦地面烈度達(dá)Ⅶ度左右，邯鄲煤礦地面烈度為Ⅵ度左右。據(jù)震后調(diào)查，地面與地下對(duì)地震反映明顯不同。地下破壞與地面相比要輕的多，并且隨著礦的深度增大，地震影響速減。地震造成的工程受損為：

(1)邯鄲牛兒莊礦。地面共有房屋3 950間，破壞22間，裂損471間。宿舍屋頂煙囪約有40%遭受破壞，大多數(shù)頂部掉落磚瓦，洗煤樓墻面裂縫，寬0.7～0.8cm，長(zhǎng)10余m。而地下礦井副井東北角支柱傾斜3cm，主井架向南傾鈄1.6cm，頂板冒落兩處，傷6人。副井70層鋼架的料石鼓出，第14至15層間1.5m寬、2m長(zhǎng)的范圍內(nèi)料石變形，頂板壓力增大，致使207對(duì)支撐架中的173對(duì)產(chǎn)生裂縫，裂縫最寬達(dá)0.6m，10對(duì)折斷。礦井涌水量增大一倍，并有11處冒水。

(2)邯鄲蔣樹(shù)礦。地面共有房屋2 510間，破壞95間，裂損215間。地下巷道裂50余條，頂板冒落多處。裂縫寬0.2～0.3m，長(zhǎng)4m。頂板壓力增大，壓倒10對(duì)水泥支柱。

(3)邯鄲羊渠河礦。地面共有房屋4 669間，破壞243間，裂損1 482間。礦井下有20多條裂縫，一處冒頂，一處巷道壁變形，一處鋼架壓彎。裂縫最長(zhǎng)達(dá)14m，寬0.2～0.4cm。

(4)邢臺(tái)媒礦。3月8日地震時(shí)，張寬礦主井筒出規(guī)了三條環(huán)形裂縫，并向外噴水。井下76m處的裂縫噴水范圍達(dá)3.4m遠(yuǎn)；131m處的裂縫噴水范圍達(dá)1～1.5m遠(yuǎn)；134m處的噴水范圍達(dá)0.5m遠(yuǎn)。總水量比震前增加20m3/h。3月22日地震時(shí)，地表混凝土房頂與磚墻脫離，鐵工房隔墻、機(jī)電房門(mén)頭裂縫，縫寬58cm，山墻外倒。磚房3 000余間，裂損65%。農(nóng)村磚房2 000余間，倒塌3%、破壞30%，普遍裂損。地下情況，在距地表300m左右的井下，大部分人感覺(jué)到地震，局部坑木支護(hù)的橫梁掉下，并有折斷。

2 1975年海城地震 (中)

2.1 地震概況

海城縣位于遼東半島的西北部。該區(qū)東部為低山丘陵地帶，西部為河流沖積、濱海沉積的平原區(qū)。屬郊城～營(yíng)口地震帶的北段。據(jù)歷史記載，16世紀(jì)以來(lái)曾發(fā)生過(guò)14次5級(jí)以上的地震。1975年2月4日，在誨城、營(yíng)口一帶發(fā)生了7.3級(jí)地震，是該區(qū)有史以來(lái)最大的一次地震。

該區(qū)人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，現(xiàn)代工業(yè)較集中的地區(qū)。在地震烈度Ⅶ范圍內(nèi)，有城市三座、縣城11個(gè)，人口834.8萬(wàn)人。據(jù)統(tǒng)計(jì)地震破壞城鎮(zhèn)房屋508萬(wàn)m2、農(nóng)村民房86.7萬(wàn)間，各類(lèi)管道和線路169萬(wàn)m；橋梁2 000余座；水利設(shè)施700多處；噴砂埋蓋農(nóng)田180km2。經(jīng)濟(jì)損失約8.1億元，人口傷亡達(dá)18 308人，其中死亡1 328人。

平原區(qū)砂土液化是這次地震的一個(gè)突出點(diǎn)，發(fā)生噴砂冒水地區(qū)達(dá)3 000km，由此導(dǎo)致河岸滑坡、橋梁破壞、排灌站傾斜及地下管道破壞等。一般基巖上的震害比覆蓋層上輕。坐落在覆層較薄山坡上的房屋受害較輕，坐落在山下沖積層上的受害較重；余震觀測(cè)也表明地面加速度在后一種情況比較大。

2.2 地下洞室

(1)隧道工程。該區(qū)有鐵路隧道和人行隧洞各一條，兩隧道相距4km。前者位于地震烈度Ⅸ，后者位于Ⅷ區(qū)。鐵路隧道全長(zhǎng)310.7m，隧道圍巖為風(fēng)化頁(yè)巖和風(fēng)化白云巖，無(wú)水屬Ⅲ～Ⅳ類(lèi)圍巖。全洞均采用壓注水泥砂漿加固。洞口擋墻采用現(xiàn)澆素混凝土。震后調(diào)查，隧洞未遭到破壞；人行隧道，長(zhǎng)約400m，圍巖為完整的石灰?guī)r，屬Ⅴ類(lèi)。凈寬3m，圍巖(積土層)厚34m，斷面為馬蹄型，襯砌厚20～30cm，洞口為擋墻，均為混凝土澆筑，估計(jì)約有一半洞長(zhǎng)無(wú)襯砌。震后未發(fā)現(xiàn)損壞。該兩條洞說(shuō)明，埋深較大者，只要不穿過(guò)斷層或流砂等不良地質(zhì)地段，洞身部分在Ⅸ度區(qū)，即是不襯護(hù)，遭地震破壞亦很輕微。

(2)礦山地下坑道。據(jù)震后調(diào)查，坑道埋深愈淺破壞就愈重一些；坑道外許多房屋倒塌破壞，而坑道內(nèi)只有輕微損壞。如2月16日，5.6級(jí)余震時(shí)，坑道外有破壞，而坑道內(nèi)作業(yè)的工人未感覺(jué)到地震。巖石坑道內(nèi)的破壞要比坑道外輕，其抗震性能較好。

(3)地下井的情況。該區(qū)有不少水井，埋深為40～1 200m，震后調(diào)查，除下遼河地區(qū)靠近渤海的油井和氣井有些損壞外，其余所有井沒(méi)有損壞。水井口用地上式泵房者嚴(yán)重破壞，而采用地下式泵房的，泵房破壞較輕微。所有的破壞及變形，都限于地表及其附近，而且很大程度上與軟弱地基有關(guān)。地下井的震害則說(shuō)明深層土的地形變化小于表層。一般講，井體越向地下，地震對(duì)其影響越小。

3 1976年唐山地震(中)

3.1 地震概況

1976年7月28日在河北省境內(nèi)，人口達(dá)百余萬(wàn)的工業(yè)城市——唐山發(fā)生了7.8級(jí)的強(qiáng)烈地震。震中位于唐山市路南區(qū)，震源深度約11km，有明顯的斷裂貫通全區(qū)。市區(qū)大都為地震烈度高達(dá)Ⅺ度的極震區(qū)，地面建筑物普遍倒塌，幸存者甚少，震害遍布唐山外圍十余縣，波及百余公里的北京、天津、秦皇島等重要城市。環(huán)繞唐山的道路、橋梁及公用設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞，交通梗阻，訊息不通，供應(yīng)斷絕。在唐山東北45km的灤縣發(fā)生了7.1級(jí)地震，同年11月15日在天津市寧河縣發(fā)生了6.9級(jí)地震。這兩次地震在局部地區(qū)加重了震害。唐山市地下有規(guī)模宏大的煤礦和眾多的人防工程。地下工程種類(lèi)多、分布廣、延伸長(zhǎng)、埋深有淺有深，構(gòu)成一個(gè)立體的地下工程網(wǎng)，天津市地面以下的市政、人防和地鐵工程稍密，在唐山大地震后，留下了豐富，真實(shí)地下工程震害現(xiàn)象，亦為地下工程的抗震能力提供了一次檢驗(yàn)。

3.2 開(kāi)灤井巷工程

開(kāi)灤煤礦始建于1878年，己有百年的開(kāi)采歷史，礦區(qū)東西長(zhǎng)約45km，東北部寬約10km，面積達(dá)65km2。礦區(qū)有7個(gè)生產(chǎn)礦，和一個(gè)即將建成投產(chǎn)的礦，這8個(gè)礦全部為大型礦。井田走向最長(zhǎng)的達(dá)10km，最寬達(dá)4.5km。面積最大的為36.6km2。開(kāi)采最大垂直深度1 000m以上。煤田成煤于石炭二迭系，呈一向鈄構(gòu)造，兩翼不對(duì)稱(chēng)，上覆沖積層厚度由數(shù)米到數(shù)百米，最厚達(dá)620m，可采煤層最大厚度達(dá)23m。各礦井正常涌水量為0.11～1.43m3/s。礦區(qū)處于唐山地震的Ⅸ～Ⅺ度區(qū)。震后調(diào)查，地表附近的井壁襯砌混凝土剝落，井壁內(nèi)鼓，深處地下錨噴支護(hù)，沒(méi)有明顯損壞。

3.3 車(chē)輛巷道及交岔點(diǎn)

唐山礦共11個(gè)水平運(yùn)輸巷和19個(gè)巷道交岔點(diǎn)，最大跨度為8.9m，埋深638m，處于夾有煤層的頁(yè)巖中，圍巖較破碎。采用鋼筋網(wǎng)砂漿錨桿噴150mm厚的混凝土支護(hù)，震后檢查完好無(wú)損。

3.4 地下洞室

所有洞室未遭到損壞，雖有許多洞室被水淹沒(méi)，但排水后大多完好無(wú)損。且洞內(nèi)設(shè)備亦未遭到損壞。

3.5 大巷工程

大巷是指各個(gè)開(kāi)采水平的運(yùn)輸及通風(fēng)巷道。斷面形狀多為半圓拱或三心拱，支護(hù)形式有錨噴、混凝土砌圈。這類(lèi)巷道一般均選在比較穩(wěn)定堅(jiān)硬的巖層中，受動(dòng)壓影響小，平時(shí)維護(hù)也較好。部分大巷由于穿越斷層，局部洞段處于松軟破碎的巖層或煤層中，有的大巷施工質(zhì)量較差。震后在排出礦井積水后的調(diào)查表明，大部分大巷基本完好，無(wú)顯著震害，只是局部洞段出現(xiàn)拱頂裂縫、下沉、剝落、擠裂、脫頂、墻體內(nèi)鼓、開(kāi)裂和底鼓等現(xiàn)象。

4 2008年汶川大地震

2008年5月12日汶川特大地震，涉及面特別大，由汶川—都江堰—成都—北川等地，地震中心在汶川縣城映秀鎮(zhèn)。地震破壞力度特大，波及范圍廣，是新中國(guó)成立以來(lái)最嚴(yán)重的地震災(zāi)害。地震摧毀了房屋、公路、橋梁，無(wú)數(shù)生命被掩埋于廢墟之中。映秀鎮(zhèn)全部被掩埋，成了一堆廢墟。在映秀鎮(zhèn)附近，岷江上游有太平驛、福堂水電站，下游有紫坪鋪水庫(kù)，映秀周?chē)校河承銥?、漁子溪一級(jí)和二級(jí)水電站。地面建筑物全被摧毀。幾座水電站地下工程，建筑物基本完好，如太平驛水電站地下調(diào)壓井，內(nèi)徑30m、噴錨厚度20cm，完好無(wú)損。其他幾座水電站的隧洞和地下廠房?jī)?nèi)的人員及設(shè)備沒(méi)有損失，特別是人員無(wú)一傷亡。

5 日本地震損壞情況

日本是一個(gè)多地震國(guó)家，境內(nèi)及近海經(jīng)常遭受地震，自有文字記載的416年間的地震以來(lái)，在1 500多年內(nèi)，平均每年有十多次破壞性地震發(fā)生，近百年來(lái)平均每年約發(fā)生7級(jí)以上地震一次。日本地震分為太平洋側(cè)、內(nèi)陸和日本海側(cè)三個(gè)地震區(qū)帶，大部分地震發(fā)生在太平洋側(cè)，地震給日本造成了嚴(yán)重災(zāi)害。

(1)鐵路隧道震害情況 震后調(diào)查情況如表1所示：

表1 鐵路隧道震害概況

(2)水電站地下工程震后動(dòng)態(tài)特征。日本電力開(kāi)發(fā)公司(EPDC)擁有11個(gè)地下水電站，根據(jù)日本的地震特征、地質(zhì)條件、地下洞室尺寸及其維護(hù)條件等，在三個(gè)電廠內(nèi)裝設(shè)了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以觀測(cè)地震運(yùn)動(dòng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果反映：①洞壁受臨近巖體位移的制約，洞壁和臨近巖體表現(xiàn)為整體；②地下洞室邊墻的位移在某種程度上可根據(jù)巖體的位移來(lái)計(jì)算；③洞墻特征在很大程度上取決于震中距；④在某些地震中，水平運(yùn)動(dòng)使邊墻呈現(xiàn)出非平行特征。⑤地下位移的峰值，相當(dāng)于大地能譜的2%～3%。

日本雖是多地震國(guó)家，但據(jù)“日本山嶺隧道技術(shù)規(guī)范及解釋”稱(chēng)，“日本隧道受到重大震害的實(shí)例還沒(méi)有。日本過(guò)去受地震破壞的隧道幾乎都是洞口或洞口附件發(fā)生變形、崩塌，其原因是因地震造成洞口附近滑坡，巖體崩塌而產(chǎn)生擠壓所致”。

(3)2011年日本東海岸發(fā)生特大地震，日本以及世界一些國(guó)家都受到了損害，地震、山體滑坡、核電站污染等，余震級(jí)別亦很高，近期難以平息。但對(duì)地下工程未見(jiàn)報(bào)道，從其救災(zāi)情況的圖片中可以看到鐵路隧道中火車(chē)正常運(yùn)行， 從未聽(tīng)到地下工程有損害的報(bào)道。

6 美國(guó)地下工程

美國(guó)是世界上多地震國(guó)家之一，如1906年舊金山發(fā)主8.0級(jí)地震、1952年克恩發(fā)生7.6級(jí)地震及1971年圣佛南部發(fā)生6.6級(jí)地震，近百年來(lái)發(fā)生破壞性地震己達(dá)20余次。美國(guó)專(zhuān)家預(yù)言，到2025年沿加州的圣安德烈斯斷層會(huì)再產(chǎn)生一次災(zāi)難性地震。

(1)1966年4月18日舊金山西部發(fā)生8.3級(jí)特大地震，震中烈度Ⅺ度，地震造成七八百人死亡，損失8000萬(wàn)美元，供水設(shè)施破壞損失4億美元。舊金山系統(tǒng)中有三個(gè)主要水庫(kù)。震后調(diào)查，蓄水庫(kù)、土壩和一個(gè)混凝土壩都保存完好。

(2)1954年12月1～6日內(nèi)華達(dá)州發(fā)生了7.1級(jí)和6.8級(jí)兩次地震，該兩次地震值得注意的有：①斷層破壞對(duì)震中烈度影響大，兩條斷層破壞處震中烈度為Ⅹ度，但結(jié)構(gòu)破壞僅達(dá)Ⅶ度；②這次地震產(chǎn)生的地震波，在近距離內(nèi)未引起破壞，但在300km的遠(yuǎn)距離加州省府有不同程度的破壞。

(3)1940年和1979年地震。1940年5月18日發(fā)生了7.1級(jí)地震，1979年10月15日的6.6級(jí)地震，雖然震級(jí)不大，但對(duì)水渠破壞嚴(yán)重。

(4)1964年3月27日阿拉斯加州發(fā)生了8.3級(jí)地震，震中在安科雷奇市東約120km海邊，震源深度約20km，死亡125人，損失3億多美元，該次地震特點(diǎn)：①地面變形大，海底隆起達(dá)10m，陸地多處下沉數(shù)米，海嘯范圍廣；②強(qiáng)震動(dòng)周期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，估計(jì)震動(dòng)周期大于0.5s，持續(xù)時(shí)間達(dá)3min左右；③液化引起的震害嚴(yán)重；④震中區(qū)地震烈度分布零亂。

該次地震引起的滑坡、地面下沉和海嘯給鐵路路基、橋梁造成極大損失，修復(fù)工程進(jìn)行了兩年，耗資2 200萬(wàn)元。但對(duì)于隧道震害極輕，不影響正常運(yùn)行。

(5)1952年7月21日在克恩縣發(fā)生了7.6級(jí)地震，地表斷裂至少長(zhǎng)22km，震源深16km，8月27日發(fā)生了5.8級(jí)的余震，該次地震特點(diǎn)：①斷層破壞對(duì)震中烈度有影響；②破壞有積累效應(yīng)，如7月21日對(duì)城市破壞嚴(yán)重，而8月27日1次5.8級(jí)的余震，對(duì)誠(chéng)市破壞卻更加嚴(yán)重；③無(wú)筋磚結(jié)構(gòu)震害重，而采用配有豎向筋者震害就輕得多。

7 必須高度重視強(qiáng)震對(duì)地下工程的影響

地震時(shí)對(duì)地面工程造成的嚴(yán)重破壞是眾所周知的，而對(duì)地下工程的破壞如何呢？過(guò)去由于地下工程所受的損害也較低，所以人們對(duì)地下工程的抗震重視、研究的程度相應(yīng)地低于地面建筑。但近一二十年來(lái)，由于廣泛應(yīng)用了地下工程，促使人們對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，到目前為止，其成果甚少。根據(jù)上列資料看，雖然人們?cè)趶?qiáng)震區(qū)修建了不少地下工程，但是仍須高度重視，建議充分做好以下幾個(gè)方面的工作。

(1)加強(qiáng)地質(zhì)工作，搞清高邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題、砂土液化等地段，并應(yīng)盡量避開(kāi)，若不能避開(kāi)時(shí)，必須采取工程措施。如傍山隧洞應(yīng)盡量靠山體內(nèi)部，保持有足夠的覆蓋厚度，洞門(mén)設(shè)計(jì)除考慮滑坡的影響外，并應(yīng)考慮地震滑坡后堆積物的超載和堆碴堵塞洞口等；

(2)查明地下工程所遇到的斷層的活動(dòng)特性，如活動(dòng)方式、斷層長(zhǎng)度、活動(dòng)速率等，借以推斷斷層在工程使用期內(nèi)是否會(huì)發(fā)生地震及可能的震級(jí)、產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)量，從而對(duì)地下工程提出避開(kāi)、設(shè)防或按一定規(guī)定進(jìn)行加固；

(3)對(duì)需要設(shè)防的斷層帶，可采取反拱使斷面閉合、襯砌與圍巖之間必須進(jìn)行灌漿，不許留有空腔，采用柔性好的鋼筋網(wǎng)或鋼纖維噴混凝土支護(hù)措施，以適應(yīng)大的變形；

(4)在地下工程所跨越的活動(dòng)性較大的斷層上，應(yīng)布設(shè)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)斷層活動(dòng)情況。加強(qiáng)正常的維護(hù)工作，在地震將要發(fā)生時(shí)，對(duì)地下工程的運(yùn)行管理采取相應(yīng)措施，以避免和減輕損失；

(5)隧洞及地下廠房交通洞的洞口、明洞、洞口段、淺埋隧洞、偏壓及不良地質(zhì)段，均應(yīng)采取整體的鋼筋混凝土襯砌，對(duì)軟弱圍巖亦應(yīng)進(jìn)行加固措施；

(6)對(duì)洞內(nèi)支護(hù)，宜采用柔性大的支護(hù)，并采用吸收振動(dòng)能量的粘滯性材料進(jìn)行回填，使襯砌與圍巖密貼，形成整體，增加抗震性能。

綜上所述，地下工程本身都有一定的抗震性能，只要充分考慮和利用地下工程有利的條件，在強(qiáng)震區(qū)(烈度≥Ⅵ)對(duì)地下工程加強(qiáng)維修，發(fā)生地震也不會(huì)造成大的損壞。

8 對(duì)瀑布溝地下工程提出一些建議

(1)地下工程中所有的襯砌與圍巖之間必須進(jìn)行回填灌漿，回填灌漿形成的水泥結(jié)石，應(yīng)能使圍巖與襯砌成為整體結(jié)構(gòu)，滿足傳遞抗力的要求；

(2)地下廠房的頂拱與邊墻，應(yīng)加強(qiáng)與圍巖的連接，以防巨震脫開(kāi)；

(3)洞口、特別是地下廠房交通洞口，不應(yīng)布設(shè)建筑物，洞口附近的邊坡，特別是高邊坡，應(yīng)進(jìn)行加固，加固深度應(yīng)大于卸荷帶深度；

(4)在巨震時(shí)，出線井雖設(shè)有電梯、樓梯等、井口有啟吊設(shè)備，遇地震時(shí)，必要關(guān)閉電源，電梯停用。井口安全不能保證，故豎井不能作為安全通道。因此建議利用施工支洞，另設(shè)一安全出口；

(5)對(duì)于地下廠房的關(guān)鍵洞段，要進(jìn)行固結(jié)灌漿，加強(qiáng)巖體的整體性；

(6)對(duì)壩前河道右岸的拉裂體，除加固外，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)儀器，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，一旦遇有特殊變化，必須立即處理。