段曉彬,何 俊,何佳銀,荀其訓(xùn),王旭華,趙文垣
(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南昆明 650041;2.中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司,山東濟(jì)南 250399;3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031;4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)
我國(guó)的公路隧道大量修建于20世紀(jì)90年代以后,對(duì)于公路隧道抗震及減震技術(shù)的研究工作還進(jìn)行得很少,公路隧道抗震及減震技術(shù)還缺乏系統(tǒng)性?!?·12”汶川大地震對(duì)我國(guó)公路隧道進(jìn)行了一次實(shí)實(shí)在在的檢驗(yàn),在這次地震中首次出現(xiàn)了公路隧道受到嚴(yán)重破壞的情況(圖1)[1-5],因此,有必要對(duì)公路隧道的抗震及減震技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性研究。
圖1 汶川地震災(zāi)害
高烈度地震區(qū)交通運(yùn)輸通道在強(qiáng)震條件下保證暢通是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題,特別對(duì)于云貴川等地區(qū),高山、峽谷縱橫,交通運(yùn)輸通道稀少、脆弱,保證強(qiáng)震條件下交通運(yùn)輸通道暢通尤為重要,因此,本次研究以汶川“5·12”大地震公路隧道震害特征作為基礎(chǔ),以云南省新建項(xiàng)目楊林隧道為依托,開(kāi)展高地震烈度區(qū)扁平大跨特長(zhǎng)公路隧道抗減震技術(shù)研究。
楊林隧道是昆明繞城高速東南段的一座隧道,見(jiàn)圖2。楊林隧道為分離式三車(chē)道隧道,長(zhǎng)約9.4 km。隧道最大縱坡為2.899 %,隧道最大埋深約為448 m。
圖2 楊林隧道所在位置
本隧道主洞采用三心圓曲墻式斷面,內(nèi)輪廓凈寬度15.266 m、凈高度7.75 m,屬于典型的扁平大跨隧道。項(xiàng)目區(qū)域的地震動(dòng)峰值加速度大于等于0.4g,屬于高地震烈度區(qū)。楊林隧道穿越的斷層主要有火頭村-大東山斷層(f1)、草子坡-落水洞斷層(f2)、渣子田—霞連寺平移斷層(f3),其中f1和f2為活動(dòng)斷層,滑動(dòng)速率約0.5 mm/a,見(jiàn)圖3。
圖3 楊林隧道穿越斷層破碎帶
此外楊林隧道為解決特長(zhǎng)隧道通風(fēng)、空氣凈化與防災(zāi)人員疏散等問(wèn)題做了大量的工作,楊林隧道采用了較為先進(jìn)的通風(fēng)除塵裝置以及設(shè)計(jì)較為完善的疏散救援方案。然而通風(fēng)設(shè)備的安置點(diǎn)與多種形式的疏散路徑導(dǎo)致楊林隧道主洞與附屬結(jié)構(gòu)交叉的形式復(fù)雜,多洞平行交叉的問(wèn)題凸顯。
基于“5·12”汶川地震的大量隧道震害特征調(diào)查,結(jié)合楊林隧道地震烈度高、隧道跨度大、活動(dòng)斷裂多以及多洞平行交叉等特點(diǎn),為開(kāi)展高地震烈度扁平大跨特長(zhǎng)公路隧道抗減震技術(shù)研究提供依據(jù),并提出主要研究方向。
“5·12”汶川地震后對(duì)四川、甘肅、陜西三省重、極重災(zāi)區(qū)國(guó)省干線及典型縣鄉(xiāng)道路公路隧道,共計(jì)18條線路56座隧道進(jìn)行了震害調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和特征分析工作。
(1)洞口區(qū)域檢測(cè)。采用目測(cè)、攝影及測(cè)量等手段對(duì)洞口區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。
(2)隧道掉塊坍塌(坍方)情況調(diào)查。采用目測(cè)、攝影及測(cè)量等手段對(duì)隧道內(nèi)掉塊、坍塌情況進(jìn)行調(diào)查,查明掉塊、坍塌規(guī)模及影響范圍。
(3)襯砌強(qiáng)度檢測(cè)。采用超聲-回彈法對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。超聲波法采用超聲波穿透混凝土內(nèi)部,通過(guò)波速的變化來(lái)測(cè)定混凝土完整度;超聲-回彈綜合法則綜合回彈法和超聲波法的優(yōu)點(diǎn),使檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。檢測(cè)時(shí)測(cè)區(qū)布置:一般地段沿隧道縱向每50 m/測(cè)區(qū),病害明顯地段視病害輕重情況加密測(cè)區(qū)。
(4)襯砌、路面(仰拱)結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水調(diào)查。
采用目測(cè)、攝影及測(cè)量手段詳細(xì)調(diào)查隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水情況,準(zhǔn)確繪制在裂縫及滲漏情況平面展示圖。結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)背后缺陷情況分析病害產(chǎn)生的原因,評(píng)價(jià)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠度。
2.2.1 隧道結(jié)構(gòu)
隧道結(jié)構(gòu)分為斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)、洞口結(jié)構(gòu)以及普通段隧道結(jié)構(gòu)。洞口結(jié)構(gòu)包括洞外結(jié)構(gòu)(邊仰坡、洞門(mén)及明洞結(jié)構(gòu))和洞口段襯砌結(jié)構(gòu)(圖4)。
圖4 隧道結(jié)構(gòu)分類(lèi)
2.2.2 隧道震害分類(lèi)
通過(guò)震區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,公路隧道震害可分為14種類(lèi)型。
2.2.2.1 隧道拱部震害類(lèi)型
拱部襯砌結(jié)構(gòu)震害類(lèi)型:A襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰,有一定走向);B襯砌開(kāi)裂(不能確定裂縫方向,呈片狀或網(wǎng)狀);C混凝土剝落;D襯砌錯(cuò)臺(tái);E混凝土掉塊;F二次襯砌垮塌;G隧道垮塌;I施工縫開(kāi)裂;J襯砌滲水(圖5)。
2.2.2.2 隧道底部震害類(lèi)型
隧道底部震害類(lèi)型:K路面開(kāi)裂(裂縫清晰,有一定走向);L路面開(kāi)裂(不能確定裂縫方向,呈片狀或網(wǎng)狀);M仰拱錯(cuò)臺(tái);N仰拱隆起;P路面滲水(圖6)。
圖6 隧道底部震害類(lèi)型
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧道震害情況及災(zāi)后重建三階段的需要,對(duì)隧道襯砌震害程度分為5級(jí)(表1、表2)
表1 隧道襯砌震害程度
表2 鋼筋混凝土襯砌段震害評(píng)估分級(jí)
斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害以二次襯砌垮塌為主,占到了29.5 %;襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰,有一定走向)和隧道垮塌次之,分別占到了20.64 %和17.07 %;綜合隧道震害長(zhǎng)度為1 506 m,占統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度的87.51 %(圖7)。
圖7 斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害綜合統(tǒng)計(jì)
綜上,不易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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(dòng)的斷層隧道應(yīng)進(jìn)行特殊的抗震設(shè)防。
洞口淺埋段震害統(tǒng)計(jì)與分析見(jiàn)圖8、圖9。
圖8 洞口淺埋段震害統(tǒng)計(jì)
圖9 洞口過(guò)渡段震害統(tǒng)計(jì)
洞口過(guò)渡段震害以襯砌開(kāi)裂(裂縫清晰,有一定走向)為主,占43.13 %;路面開(kāi)裂(裂縫清晰,有一定走向)次之,占到了31.54 %;出現(xiàn)了二次襯砌垮塌震害,占3.32 %。綜合隧道震害長(zhǎng)度為881 m,占統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度的79.16 %。洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌,這主要與圍巖存在軟硬交界面,同時(shí)由于處于隧道深埋段。
(1)按7度設(shè)防的隧道洞口段襯砌在地震烈度為8度及8度以下時(shí)震害較輕(少數(shù)隧道出現(xiàn)輕微裂縫),未出現(xiàn)二襯垮塌、隧道垮塌等嚴(yán)重震害;在地震烈度為9~10度時(shí),出現(xiàn)了二襯垮塌嚴(yán)重的震害類(lèi)型,但未出現(xiàn)隧道垮塌;在地震烈度為11度時(shí),出現(xiàn)了隧道垮塌最為嚴(yán)重的震害類(lèi)型。
(2)軟巖隧道洞口淺埋段由于考慮了抗震設(shè)防,未出現(xiàn)二次襯砌垮塌這樣嚴(yán)重的震害類(lèi)型;軟巖隧道洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌嚴(yán)重的震害類(lèi)型(龍溪隧道和酒家埡隧道)。
(1)滑動(dòng)斷層隧道:出現(xiàn)了二襯垮塌、圍巖垮塌等嚴(yán)重的震害類(lèi)型。
(2)非滑動(dòng)斷層隧道:出現(xiàn)了二襯垮塌等震害類(lèi)型,但破壞程度與出現(xiàn)頻率低于滑動(dòng)斷層。
通過(guò)對(duì)“5·12”汶川地震后川、甘、陜?nèi)≈亍O重災(zāi)區(qū)國(guó)省干線及典型縣鄉(xiāng)道路公路隧道,共計(jì)18條線路56座隧道進(jìn)行了震害調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和特征分析,得出如下結(jié)論:
(1)隨著地震烈度的增加,隧道破壞得越嚴(yán)重。
(2)斷層破碎帶的主要震害特征是二襯垮塌、圍巖垮塌等,斷層錯(cuò)動(dòng)引起的強(qiáng)制位移是斷層震害的主要原因,此外圍巖條件軟弱、斷層帶寬度及二次襯砌剛度不足也會(huì)加劇震害程度。
(3)洞口段震害與地震烈度有關(guān),地震烈度9度以上有二襯垮塌和圍巖垮塌等現(xiàn)象。軟巖隧道洞口過(guò)渡段出現(xiàn)了二次襯砌垮塌的嚴(yán)重震害類(lèi)型,應(yīng)考慮抗震設(shè)防。
目前,隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保和防災(zāi)救災(zāi)方面日益重視,特長(zhǎng)公路隧道內(nèi)復(fù)雜多樣的通風(fēng)除塵和人員疏散所需使隧道斷面變化極大。隧道斷面不連續(xù)性是隧道結(jié)構(gòu)震害擴(kuò)大的原因,目前相關(guān)研究較少,值得進(jìn)一步研究。