斷層破碎帶段隧道抗減震及震后修復(fù)技術(shù)研究

蘇 鵬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，100多年來我國發(fā)生的地震多達(dá)上百次，其中強(qiáng)、大地震就有11次。每次強(qiáng)、大地震都給人民生命財(cái)產(chǎn)及國家基礎(chǔ)設(shè)施造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

每次強(qiáng)大地震的發(fā)生都是對我國公路隧道建設(shè)的檢驗(yàn)，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(xiàn)了多座公路隧道嚴(yán)重破壞的情況，特別是斷層破碎帶段的隧道出現(xiàn)了大量的二次襯砌垮塌，襯砌錯(cuò)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(shù)以及震后修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究[1]。

1 隧道震害評估方法

1.1 隧道震害的分類

根據(jù)震后隧道破壞的位置將震區(qū)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(jié)構(gòu)震害類型有8種：a）襯砌開裂；b）混凝土剝落；c）襯砌錯(cuò)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(cuò)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(jié)為兩點(diǎn)：一是地震慣性力；二是強(qiáng)制位移。地震慣性力和強(qiáng)制位移使得斷層破碎帶的巖體發(fā)生坍塌松動，出現(xiàn)涌水，斷層錯(cuò)動加之由于二次襯砌的設(shè)計(jì)不足從而引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種類型的震害現(xiàn)象。

1.3 隧道震害評估方法[2]

地震災(zāi)害發(fā)生后，根據(jù)搶通、保通、恢復(fù)重建3個(gè)階段的不同需要進(jìn)行工程搶險(xiǎn)。根據(jù)震后隧道的震害情況以及災(zāi)后搶險(xiǎn)3個(gè)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(fù)重建3個(gè)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(gè)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(shí)，首先要根據(jù)隧道的震害情況對隧道震害等級進(jìn)行合理定級，并根據(jù)不同階段的不同特點(diǎn)、不同目標(biāo)及不同處治重點(diǎn)制定合理、安全、經(jīng)濟(jì)的處治方案。

2 震害特征及機(jī)理[1]

2.1 震害特征

國內(nèi)有關(guān)專家對斷層破碎帶段隧道的震害特征進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)，尤其是王明年教授對汶川地震發(fā)生后四川省境內(nèi)的位于斷層處的隧道震害特征進(jìn)行了詳細(xì)、全面、系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：a）無錯(cuò)動斷層破碎帶段隧道的震害情況輕微，錯(cuò)動斷層破碎帶段隧道的震害程度要比無錯(cuò)動斷層破碎帶段隧道的震害程度嚴(yán)重很多；b）斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀）再次之，占13.66%，其他震害現(xiàn)象也有發(fā)生但較少。

圖1 震害特征圖

2.2 震害分析

a）斷層錯(cuò)動是引起斷層破碎帶隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)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(yán)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(shè)計(jì)不足也是引起斷層破碎帶隧道嚴(yán)重震害的一個(gè)原因。

綜合分析，引起斷層破碎帶隧道結(jié)構(gòu)震害的原因是斷層錯(cuò)動、圍巖條件軟弱、斷層破碎帶寬度及二次襯砌設(shè)計(jì)不足。另外，不易發(fā)生錯(cuò)動的斷層隧道不需要進(jìn)行特別的抗震設(shè)防；易發(fā)生錯(cuò)動的斷層隧道應(yīng)進(jìn)行特殊的抗震設(shè)防。

2.3 震害機(jī)理

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

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

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

綜合分析：引起無錯(cuò)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(cuò)動斷層破碎帶段隧道震害的主要原因是強(qiáng)制位移作用，該強(qiáng)制位移對隧道作用主要是沿隧道縱向。錯(cuò)動斷層破碎帶的寬帶只影響隧道震害的規(guī)模和強(qiáng)度，不影響其震害的類型。

3 隧道抗減震技術(shù)

由于錯(cuò)動斷層破碎帶段隧道的震害情況嚴(yán)重，因此將其作為設(shè)防重點(diǎn)。目前，隧道的抗減震設(shè)計(jì)主要通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和圍巖加固兩種措施進(jìn)行。

3.1 減震技術(shù)

錯(cuò)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(shè)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(shù)見表3～表5，計(jì)算工況見表6，監(jiān)控點(diǎn)布置見圖3。

表3 圍巖參數(shù)

表4 材料參數(shù)

表5 減震縫參數(shù)

表6 計(jì)算工況

圖2 結(jié)構(gòu)模型 （單位：m）

圖3 監(jiān)控點(diǎn)布置圖

取上下盤距離斷層錯(cuò)動面5 m、15 m、25 m處6個(gè)斷面。提取每個(gè)斷面上4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的軸力和彎矩，求出各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)，取每個(gè)斷面中各監(jiān)控點(diǎn)中的最小安全系數(shù)作為該斷面的安全系數(shù)，各工況下各斷面的安全系數(shù)見表7。

表7 各工況下各斷面的安全系數(shù)最小值

分析表7可知，各工況下，離斷層越近，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)越小，反之，結(jié)構(gòu)越安全；同一斷面上，隨著減震縫間距的增大，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)減小，減震縫間距在10～12 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)在1.8～2.0，滿足《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的混凝土在地震力作用下，主拉應(yīng)力控制的最小安全系數(shù)為1.8的規(guī)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(shù)見表8，計(jì)算工況見表9。

圖4 減震層示意圖

表8 減震層參數(shù)

表9 計(jì)算工況

取上下盤距離斷層錯(cuò)動面5 m、15 m、25 m處6個(gè)斷面。提取每個(gè)斷面上4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的軸力和彎矩，求出各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)，取每個(gè)斷面中各監(jiān)控點(diǎn)中的最小安全系數(shù)作為該斷面的安全系數(shù)，各工況下各斷面的安全系數(shù)見表10。

表10 各工況下各斷面的安全系數(shù)最小值

分析表10可知，各工況下，離斷層越近，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)越小，反之，結(jié)構(gòu)越安全；同一斷面上，隨著減震層厚度的增大，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)增大，在厚度超過10 cm后，安全系數(shù)反而降低了，說明了減震層過厚會影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性。雖然在各工況下，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均滿足《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的混凝土在地震力作用下，主拉應(yīng)力控制的最小安全系數(shù)為1.8的規(guī)定[4]，但出于安全和經(jīng)濟(jì)的要求，推薦減震層厚度為10 cm。

3.2 抗震技術(shù)

采用FLAC3D建立模型，模型尺寸見圖5。圍巖參數(shù)和材料參數(shù)見表3～表4，注漿參數(shù)見表11，計(jì)算工況見表12。

圖5 結(jié)構(gòu)模型圖

表11 注漿參數(shù)

表12 計(jì)算工況

提取監(jiān)測斷面上4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的軸力和彎矩，求出各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)，取監(jiān)測斷面中各監(jiān)控點(diǎn)中的最小安全系數(shù)作為該斷面的安全系數(shù)，各工況下的安全系數(shù)見表13。

表13 各工況下監(jiān)測斷面的安全系數(shù)最小值

分析表13可知：注漿區(qū)厚度和注漿區(qū)距初支的距離對隧道結(jié)構(gòu)的抗震均有一定的影響。注漿厚度越大，結(jié)構(gòu)越安全，但是在注漿厚度超過10 m后，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。注漿區(qū)距初支結(jié)構(gòu)一定距離比緊貼初支更有利于結(jié)構(gòu)抗震，注漿區(qū)離結(jié)構(gòu)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(qū)厚度為10 m，距結(jié)構(gòu)的距離為2～5 m。

4 震后修復(fù)技術(shù)

根據(jù)震害評估方法，震后隧道修復(fù)按搶通、保通和恢復(fù)重建3個(gè)階段制定不同的處治對策。

a）搶通階段 首先，運(yùn)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(jìn)行洞口清理。第三，對洞口襯砌震害進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分級，根據(jù)分級進(jìn)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(jìn)行掉塊、垮塌體清理，接著可采用噴混凝土或安設(shè)型鋼鋼架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

b）保通階段 通過專業(yè)儀器設(shè)備對震后隧道進(jìn)行全面詳細(xì)地檢測評估，根據(jù)檢測結(jié)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(yán)重開裂、掉塊、垮塌段可采用鋼管支撐、型鋼鋼架與混凝土聯(lián)合支護(hù)。對于隧道內(nèi)存在的短塌方段，可采用管棚法、WNF法和WF法。

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

5 結(jié)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(jī)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(qū)的最佳厚度為10 m；加固區(qū)距隧道結(jié)構(gòu)的合理間距為2～5 m。震后修復(fù)應(yīng)根據(jù)震害的評估方法，按階段制定相應(yīng)的震害修復(fù)措施，結(jié)合相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)。