专题：隧道工程地震灾害评价

地震对隧道的破坏是客观存在的。20世纪以来从世界地震震害资料可以看出，当地震烈度达7度时，就有隧道发生轻微破坏的先例，且洞身修复困难，甚至中断行车，给国民经济造成重大的损失。1906年美国旧金山发生8.3级地震，严重破坏了位于断裂带上的两座隧道；1923年日本关东发生8.2级地震，震区铁路线上82座隧道遭到破坏或变形；1952年美国克斯发生7.7级地震，穿越地震断裂带的四座铁路隧道全部都发生了严重破坏；6.1隧道的震害类型及特征6.1.1国内外隧道震害实例1983年距上海市150km以外的洋面上发生6级地震，打浦路管片上的出现了5座可见裂缝；1995年在日本阪神大地震中,地铁结构发生了很大破坏，车站结构破坏尤为明显。图6-1所示为神户高铁大开6.1隧道的震害类型及特征图6-1日本大开地铁车站在阪神地震中遭到破坏6.1隧道的震害类型及特征车站的震害情况，该车站用明挖法于1964年建成，中间柱（B400×D1000mm，3.5m）约30根完全破坏，顶板下沉约3m，隧道断面变成M形。隧道的中柱上端或下端混凝土剥落，钢筋弯曲。在线路方向及垂直方向上，轴向钢筋鼓出，箍筋也有许多破坏的，在侧壁的隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏。在阪神大地震中，山岭隧道也遭到严重的破坏。主要是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂。许多建于20世纪60年代的隧道，由于设计时未考虑浅埋地层变形的影响，隧道结构的变形性能不能承受这次大地震，拱顶部分发生较严重的剪切裂纹及剥落，隧道横断面方向发生混凝土片的剥落。如山阳新干线的六甲隧道，长16235m，横切六甲断层系，地震后隧道的水泥内壁有众多裂缝，裂缝长达数十米的地方有3处，隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝。6.1隧道的震害类型及特征1999年9月21日，我国台湾省台中地区发生了里氏7.3级地震（集集地震）,那次大地震造成2375人死亡,10000多人受伤，30000多座建筑物倒塌。地震发生后,通过对台中地区57座山岭隧道进行调查,发现除了8座隧道未受损坏外,其余49座都有不同程度的损坏,而且表现出不同形式的损坏,如衬砌开裂、衬砌剥落、洞门破坏、地下水涌入、钢筋鼓出及弯曲、衬砌移位、底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌。6.1隧道的震害类型及特征公路受损概况：造成21条高速公路、16条国省干线公路、2.4万公里农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损里程近2.8万公里（其中高速公路近200公里、国省干线公路3800公里、农村公路24100公里），损坏国省干线桥梁670座、45323延米，隧道24座、20417延米.图6-2汶川大地震公路受损示意图6.1隧道的震害类型及特征6.1.2汶川大地震隧道震害表6-1四川灾区56座公路隧道调查和评估结果（据四川省公路设计院，2008）6.1隧道的震害类型及特征表6-2按隧道长度所占震害比例统计分类（据四川省公路设计院，2008）6.1隧道的震害类型及特征都江堰－映秀：都汶高速（紫坪铺隧道、龙洞子隧道、龙溪隧道）映秀-汶川：都汶公路卧龙连接线（烧火坪隧道）都汶公路二级路段（单坎梁子隧道、草坡隧道、桃关隧道、福堂坝隧道、彻底关隧道、毛家湾隧道、皂角湾隧道）图6-3都汶公路11座隧道示意图6.1隧道的震害类型及特征1.洞口边坡滑塌与崩塌（13处）洞口边坡滑塌6.1隧道的震害类型及特征图6-4洞口边坡滑塌图6-5龙洞子隧道出口的震害6.1隧道的震害类型及特征6.1隧道的震害类型及特征图6-6龙溪隧道出口高陡边坡崩落2.洞门裂损主要发生在端墙式和柱墙式洞门结构中。6.1隧道的震害类型及特征图6-7桃关隧道圆弧形端墙开裂与松脱max:50cm洞口段坍方（5处）3.衬砌及围岩坍塌图6-8龙溪隧道K21+575-580拱部地震坍方6.1隧道的震害类型及特征图6-9龙溪隧道二衬坍落6.1隧道的震害类型及特征图6-10纵向裂缝4.衬砌开裂及错位都汶公路11座隧道中8座隧道出现了不同程度的衬砌开裂6.1隧道的震害类型及特征图6-11横向张裂6.1隧道的震害类型及特征图6-12环向破裂与错台（最大可达20cm）6.1隧道的震害类型及特征图6-13斜向剪裂6.1隧道的震害类型及特征图6-14底板强烈隆起5.底板开裂及隆起6.1隧道的震害类型及特征6.1隧道的震害类型及特征图6-15底板强烈隆起图6-16初期支护鼓出、剪裂6.初期支护变形及开裂6.1隧道的震害类型及特征图6-17初期钢架溃屈6.1隧道的震害类型及特征6.1隧道的震害类型及特征地下隧道属于几何线性结构，在地震荷载的作用下，由于周围介质的存在，其动态反应会呈现出与地面建筑不同的特性，主要变现为：1)地下隧道的振动变形受周围介质的约束作用明显,结构的动力反应一般不明显。2)在地震荷载作用下,当地下隧道结构存在明显惯性或周围介质与结构间的刚度失配时,结构会产生过度变形而破坏。3)地下隧道震害多发生在地质条件有较大变化的区域;相反如果地质条件均匀,即便震级较大,结构也较安全。4)地下隧道若穿过地质不良地带也易遭震害。5)结构断面形状及刚度发生明显变化的部位，如隧恫进出口等部位均为抗震的薄弱环节。6)地下隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝、竖向裂缝棍凝土脱落和钢筋外露等。6.1隧道的震害类型及特征(1)衬砌的剪切移位。当隧道建在断层破碎带上时,常常会发生这种形式的破坏。在台湾“9·21”地震中,位于断层带上的一座输水隧道就发生了这种破坏。由于断层的移位,该输水隧道在进水口下游180m处发生了剪切滑移,如图6-18所示,隧道在竖直方6.1隧道的震害类型及特征6.1.2隧道震害的主要表现形式向分开4m,在水平方向分开3m,整个隧道发生严重破坏。图6-18衬砌剪切移位图(2)边坡破坏造成的隧道坍塌,如图6-19所示。图6-19边坡破坏造成的隧道坍塌6.1隧道的震害类型及特征(3)衬砌开裂在地震中,衬砌开裂是最常发生的现象。这种形式的衬砌破坏又可分为纵向裂损(见图6-20)、横向裂损(见图6-21)、斜向裂损(见图6-22)、斜向裂损进一步发展所致的环向裂损(见图6-23)、底板裂损(见图6-24)以及沿着孔口如电缆槽、避车洞或避人洞发生的裂损(见图6-25)。6.1隧道的震害类型及特征图6-20衬砌纵向裂损图图6-21衬砌横向裂损图6.1隧道的震害类型及特征图6-22衬砌斜向裂损图图6-23衬砌环向裂损图图6-24底板裂损图图6-25孔口附近衬砌裂损图6.1隧道的震害类型及特征(4)边墙开裂如图6-26所示为由于显著的边墙向内变形造成的隧道破坏。这种变形可以造成边墙衬砌的大量开裂,甚至导致边沟的倒塌。图6-26边墙变形6.2隧道震害的机理及影响因素6.2.1隧道震害的机理分析现场调查表明,隧道及地下结构的震害形态的差异与地震强度、震中距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、衬砌条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等有密切关系。根据以往地下结构在地震中所表现的行为可知,地震的主要或次要效应均可使隧道结构遭受破坏。这些效应包括两个方面:6.2隧道震害的机理及影响因素(1)围岩失稳,主要指围岩的变形、差异位移、震害和液化；(2)地震惯性力,主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。因此,围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两种主要原因。对于同一程度的大地摇动而言,如果仅论及结构的惯性力,地下结构要比地面结构安全的多。这是因为地下结构处于周围地层的约束之中,并与地层一起运动。因而,地下结构在地震运动过程中,仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载,而不像地面结构那样,承担全部的惯性力。（1）横截面方向：隧道洞身段：在岩石地层中,由于地下结构的质量密度和岩石相比并没有显著差异,所以,地下结构洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低；洞身结构之所以有惯性力破坏的现象发生,主要是由于地下结构与地层之间出现了较大的空隙而消弱了地层的约束作用,因而实际上相当于提高了衬砌结构的相对质量密度,造成其分担的地震惯性力超过了极限。隧道洞口及浅埋地段：由于地层约束较弱,破坏发生的概率一般较高。地震惯性力和围岩失稳均为主要因素6.2隧道震害的机理及影响因素（2）纵向方向：长线形结构物,地震波的相位衍生应力和变形在隧道轴线方向上会发生很大变化,这实际上构成了隧道结构破坏的重要方面,而且表现为埋深越浅,破坏作用越显著。解释：隧道和围岩在地震波通过时一起运动,且随着地震波的传播,振动能量沿隧道轴线从一点移动到另一点,则在隧道结构内部同时产生纵向的拉压和横向的剪切两种作用,如果这两种作用的结果超过隧道本身的抗力极限,那么结构自然就会产生破坏。6.2隧道震害的机理及影响因素研究表明:隧道结构抵抗纵向的拉压和横向的剪切两种作用的能力,并不因结构刚度的加强而有很大改善。所以,隧道结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用,使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和相对变位,同时又不损害其承受静载的能力。一味加强结构,试图让结构去抵抗相当大的强制变位所产生的内力是不现实的。6.2隧道震害的机理及影响因素6.2.2隧道震害的影响因素6.2隧道震害的机理及影响因素1)隧道埋深及结构形式。在许多情况下,隧道的破坏随埋深增加而降低。据国外统计资料显示:在硬质岩隧道中：当埋深小于50m的时候隧道发生破坏的几率很大,高达同组的57.89%,其中严重破坏率为10%；当深度大于50m时破坏程度会明显降低,严重破坏率一般为1%～2%；当深度超过100m则几乎不会发生严重的破坏。隧道结构断面形状和刚度发生明显变化的部位容易发生破坏。如紧急停车带、支洞洞口处等。2)所处岩层类型和地质构造。隧道所处的地质条件直接影响地震作用时隧道周围介质对隧道作用力的大小和方式,而作用于隧道上力的方式对隧道的破坏形式有决定性的作用。表6-31999年台湾集集地震隧道震害统计隧道内次级断裂带两侧一定范围内，震害特别显著。如：龙溪隧道进口左洞LK22+115附近发育F8断层，震后发现在该断层两侧各约100m范围内（LK22+011~LK22+220）出现二衬砼坍落、开裂和错台以及仰拱隆起（最大达60cm）等严重震害现象。6.2隧道震害的机理及影响因素3)地震烈度大量震害资料表明:地震的震级和震中距(地震烈度)对地下结构的震害有显著影响。在相同的场地条件下平均震害率随地震烈度的增加而增加。汶川地震中，距离震中越近的隧道震害越强烈。烧火坪隧道和龙溪隧道就在震中映秀附近，因此，其震害程度非常严重；都汶公路高速段的三座隧道距离汶川地震中的直线距离小于20km，震害均为严重受损，而且随着震中距的减小隧道受损变得更加严重。6.2隧道震害的机理及影响因素4)隧道所处的空间方位①平行或是斜交于隧道洞轴线传播的地震波会引起隧道轴向变形和弯曲变形；②垂直或是近于垂直隧道洞轴线传播的地震波会引起隧道环形变形；6.2隧道震害的机理及影响因素周围岩土介质与支护结构刚度失配,容易在两者间产生较大的相互地震作用力,结构产生过度变形而破坏。隧道结构内力随衬砌厚度的增加而增大。因此增加衬砌厚度对结构抗震并不利,反而会增加成本,浪费材料。因此在进行隧道设计时,衬砌厚度的选择应该综合考虑。5)隧道结构及支护厚度图6-28龙溪隧道：振动触发地应力瞬间释放：仰拱强烈隆起、右边墙突出6)地应力6.2隧道震害的机理及影响因素（1）选址与规划设计方面在强震区避免隧道直接穿越活动断裂，穿越活动断裂带的次级断层时必须要加强抗震设防措施，在次级断裂带两侧一定范围内二次衬砌应采用钢筋混凝土结构。6.3隧道抗减震启示（3）隧道衬砌结构软岩与硬岩之间的过渡地带、围岩质量突变地带等，隧道断面发生突变处、两洞相交部位和紧急停车带等其地震动及动位移、动应力响应均与周边较大差异，易遭受破坏。抗震的薄弱环节，应加强抗震设防措施。衬砌刚度应该“刚柔平衡”