日本中越地震對隧道的影響

日本中越地震對隧道的影響

長期以來，人們認為，隧道和其他地下建筑在地震發(fā)生時不是發(fā)生的終端，而是被認為是地震波傳播的手段。此外，圍巖的足夠剛性可以確保隧道沒有發(fā)生大的變形。因此，對隧道抗震問題的重視程度不夠。但最近幾十年來發(fā)生的幾次較大的地震改變了這種傳統(tǒng)的看法。1999年臺灣集集地震后，臺灣中部距發(fā)震斷層25km范圍內(nèi)的44座受損隧道中，嚴重受損者達25%，中等受損者占25%。2004年10月23日，日本新瀉縣中越地區(qū)發(fā)生震級M6.8級地震，造成24座鐵路隧道破壞，5座隧道嚴重破壞，襯砌需要修復(fù)和加強。2008年5月12日，中國四川省汶川縣產(chǎn)生的8級強震造成109座隧道嚴重破壞，洞口處山體滑坡滾下的巨石與正經(jīng)過的21043次列車發(fā)生相撞，碰撞發(fā)生的火花引燃了機車頭，緊接著12節(jié)裝滿汽油的油罐車突然燃起熊熊烈火，這一突發(fā)事件造成寶成鐵路中斷，耽誤了抗震救災(zāi)的寶貴時間。這些事件使人們認識到，地下工程仍然會遭受地震的強烈破壞，越來越多的科技工作者開始關(guān)注和研究隧道與地下工程的震害及抗震問題。目前，這方面的研究還處于初步階段，對山嶺隧道震害特征、機制以及抗震技術(shù)等的認識還需要不斷積累資料和深入研究。1隧道破壞情況2004年10月23日，日本新瀉縣中越地區(qū)（震中位于北緯37°17′，東經(jīng)138°52′的川口町和小千谷市附近）發(fā)生M6.8級地震，造成40人死亡、4500余人受傷、10萬余人無家可歸，房屋損壞近14萬棟，財產(chǎn)損失約3萬億日元。在這次地震中，24座鐵路隧道遭到破壞，5座隧道（Uonuma,Myoken,Wanatsu,Tenno,Shin-Enokintoge）破壞嚴重，襯砌需要修復(fù)和加強。根據(jù)中越地震的統(tǒng)計資料及相關(guān)數(shù)據(jù)，隧道的基本破壞特征如表1所示。從表1可以看出：洞口處出現(xiàn)破壞的情況較少，隧道破壞的主要形式集中在襯砌破壞和施工縫的破壞，破壞嚴重程度所占的比例如圖1所示。從圖1可以看出：在21座遭受破壞的隧道中，破壞嚴重程度為中度的有13座，占絕大多數(shù)。1.1隧道破碎表面洞門破壞是一種常見的隧道破壞情形。隧道洞門由于受圍巖約束作用較小，一般埋深較淺且圍巖風(fēng)化破碎，比較容易發(fā)生襯砌開裂或洞口塌方，并堵塞隧道洞口，造成交通癱瘓。中越地震中有四處隧道的洞門發(fā)生破壞，洞口破壞的具體情況包括仰坡發(fā)生斷裂或滑坡（如圖2所示）、洞門拱頂出現(xiàn)開裂（如圖3所示）、水平和垂直地震力綜合作用使隧道側(cè)壓增大而導(dǎo)致拱部上凸并最終塌落等。1.2隧道襯砌破壞形式襯砌破壞是隧道破壞的主要形式，主要發(fā)生在圍巖較軟弱及離震源較近的隧道中。在中越地震中，遭受破壞的隧道中襯砌破壞所占比例非常高，破壞形式主要有剪切力作用導(dǎo)致隧道襯砌在軟弱地段如施工縫處發(fā)生橫向錯位（如圖4所示），橫向地震力作用使側(cè)墻砼剝落、開裂或鼓出（如圖5所示），淺埋地段的軟巖因振動失去圍巖拱效應(yīng)導(dǎo)致襯砌全部坍塌等（如圖6所示）。1.3裂等破壞破壞地震發(fā)生時產(chǎn)生的偏應(yīng)力容易使路面和仰拱出現(xiàn)隆起、開裂等破壞。在中越地震中，有多處隧道出現(xiàn)這種破壞（如圖7所示），這一破壞的主要形式有橫向開裂、縱向排水溝輕度隆起-開裂、仰拱強烈隆起-開裂、底板地基隆起等。2相關(guān)因素的分析與隧道破壞2.1中越地震中對隧道的影響隧道在地震發(fā)生過程中遭受的破壞與地震烈度及離震源的距離有密切的關(guān)系（如圖8所示）。一般來說，在地震烈度為7度、處于地震中心10km范圍以內(nèi)和地震烈度為8度、處于地震中心30km范圍以內(nèi)的隧道都會受到較嚴重的影響。中越地震中受損最嚴重的Uonuma隧道幾乎就處于震中心，其余受損較嚴重的2座隧道Myoken、Wanatsu也位于以震源為中心、半徑10km的范圍以內(nèi)。根據(jù)1992年SunilSharma和WillianR.JuddE．統(tǒng)計的隧道震害情況，大部分導(dǎo)致隧道破壞的是震級大于7級的地震，而且震級越大，隧道破損程度也越嚴重，71%的破壞震中距小于25km，將近75%的震中距在50km以內(nèi)。2.2襯砌破壞發(fā)生機理埋深較淺時，隧道周圍的圍巖經(jīng)過長期風(fēng)化作用，強度一般較低，地震作用時容易發(fā)生變形。一般常見的襯砌拱肩部分出現(xiàn)裂紋就是由于隧道埋設(shè)較淺，一旦受到地震作用，位移引起的剪力使襯砌出現(xiàn)裂紋；洞門處出現(xiàn)頂端開裂也是由于這種原因所引起。同時破壞與所處的地質(zhì)條件有密切的聯(lián)系，當隧道處于斷層帶時，地震作用下，遭受到剪切、拉伸、壓縮的綜合作用，容易發(fā)生較大位移，從而導(dǎo)致附加應(yīng)力作用于襯砌，引起襯砌破壞。中越地震中魚沼隧道共發(fā)生三處破壞，其中二處就處于埋深較淺且?guī)r層較差的地段是這一破壞的典型例子（如圖9所示）。該隧道長8624m，周圍巖層為第三系泥巖，屬于地層軟弱地帶。2.3曲墻帶仰拱一般來說，主要是受隧道襯砌形式的影響：圓形的比方形的好，因為圓形襯砌有利于力的傳遞，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象；形狀對稱的對抗震有利；曲墻帶仰拱的耐震性比直墻拱（不帶仰拱）強。Dowding、Rozen曾經(jīng)統(tǒng)計了71座鐵路隧道和水工隧道的地震破壞，認為襯砌厚度較大地段損壞的百分率大于厚度較小的地段，其中厚40cm的損害百分率為82%，厚30cm的為38%，厚20cm的為16%。3隧道洞門及結(jié)構(gòu)區(qū)域的設(shè)置建議(1）隧道設(shè)計時應(yīng)盡量避開易產(chǎn)生山坡滑動、崩壞、地層錯動的地區(qū)及斷裂帶和圍巖軟弱區(qū)。(2）山嶺隧道洞口段是地震中的薄弱地帶，對運營安全影響極大。一般從洞口進入洞內(nèi)25～30m后，圍巖和襯砌的地震反應(yīng)逐步減少并開始趨于平穩(wěn)，該距離可供山嶺隧道洞口段抗震設(shè)計時選擇設(shè)防區(qū)域參考。在設(shè)計時應(yīng)將邊坡設(shè)計、防護設(shè)計、洞門設(shè)防區(qū)域相結(jié)合，必要時可以采用鋼筋砼襯砌代替素砼襯砌。(3）設(shè)置橫向減震層和縱向減震層都能使隧道襯砌的加速度反應(yīng)與應(yīng)力傳遞系數(shù)明顯減少，應(yīng)力分布更趨于均勻，而且前者的減震效果明顯好于后者。此外，通過設(shè)置錨桿，增強圍巖整體性，也可有效減少作用在襯砌上的地震荷載，且對軟質(zhì)圍巖效果更為顯著。(4）襯砌剛度過大對隧道減震不利，現(xiàn)行設(shè)計中常采用的加大襯砌剛度抵御地震力的思路值得商榷