山岭隧道结构破坏震害研究

山岭隧道结构破坏震害研究

曹鹏1

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

[摘要]通过对山岭隧道震害实例进行分析后对山岭隧道的震害影响因素进行了分类，对众多震害实例进行分析得出对造成山岭隧道震害影响的相关因素进行了归纳分析。

[关键词]山岭隧道；震害类型；影响因素；抗震；规范

1 山岭隧道震害影响因素分析

通过对国内外众多山岭隧道在遭受地震后经过现场的震害调查与分析，造成震区隧道严重受损的可能因素包括以下几个方面：

1.1 震级和震中距的影响

2007年赵国良[1]在其地理教育中指出，里氏震级超过 6 级的地震 将会造成隧道严重破坏，震级越大，地震一次性释放的能量就越大，隧道的受损程度越严重。地震对隧道的影响程度除了震级以外，与震中距和震源深度亦有关系。同样震级大小的地震，距离震中越近的地方，影响及破坏程度越严重[16]。都映段高速公路段的四座隧道距离震中的直线距离均小于 20km。

1.2 地形条件与地质构造的影响

① 隧道洞口边坡的地形条件以及地质状况对洞口的抗震能力影响比较大[2]。隧道洞口地段埋深浅，覆盖层多为强风化的堆积体，当强烈地震发生时，容易造成滑坡、崩塌、洞门开裂、衬砌变形等震害。

② 当隧道洞身段所处地层由软岩过渡到硬岩、地层刚性发生突变、存在固结度小的松散堆积体或软弱破碎岩体时，地层的应力、位移响应亦有较大的不同，容易造成隧道结构的开裂、剥落，乃至崩塌。龙溪隧道的地质条件复杂，位于软硬岩交界处的隧道洞身，其震害程度比较大[3]。

13 断层的影响

龙溪隧道左线（LK22+115）附近发育 F8 断层，震后调研发现，断层两侧均出现了衬砌拱顶混凝土崩塌，仰拱隆起等严重破坏。断层切线方向与水平面的夹角越小，地震时断层对隧道纵向应力和位移的扰动范围就越大，隧道沿纵轴方向越不稳定[4]。

1.4 隧道埋深的影响

地层位移和隧道表层土自身惯性力产生的振动是影响浅埋隧道地震响应的两个重要因素。陈正勋、黄灿辉等[5]人提出，埋深小于 50m 的浅埋隧道，当其位于Ⅳ类围岩或更差的围岩条件内时容易发生地震破坏，随着隧道埋深的逐渐增加，位于Ⅴ类岩体内的隧道可能发生地震破坏。以此类推，当埋置深度大于 500m 时，隧道很难发生震害。一般而言，深埋隧道的围岩地质条件较好，故隧道的震害案例很少。然而，汶川地震中龙溪隧道洞身段埋深为500m 处仍发生了衬砌混凝土大面积塌落、结构开裂等破坏。因此，覆土层的厚度、地层条件、基岩面的深度共同影响着隧道的受震行为。

1.5 隧道构造条件的影响

① 隧道断面的变化处、隧道分叉处或是汇合处、与不同结构物的结合处、急曲线处、急坡处等都是隧道构造抗震上的薄弱环节[6]。根据龙溪隧道的典型震害分布可以看出，龙溪隧道在行车横洞和紧急停车带附近均出现了较为严重的震害。

② 汶川地震中龙溪隧道普通段发生了多处崩塌破坏，这种情况在配有钢筋的混凝土衬砌结构中不易发生，即使有小块的混凝土掉落，其影响也比较小。然而对于无筋混凝土衬砌而言，则有可能发生立即崩塌的危险，进而衍生出严重灾害。

③ 当衬砌背面存在空洞或拱顶衬砌厚度不足时，地震作用下围岩不能对衬砌结构形成有效支撑、不能抑制结构的变形，因此，可能导致衬砌的拱顶开裂、混凝土剥落，甚至坍塌。经过震害调查，龙溪隧道左线发生的串珠式塌方最长达到 79m，塌渣体的高度大于 25m，塌腔的规模比较大。此外，对于采用无筋混凝土衬砌的隧道，衬砌厚度较大地段的震害程度高于衬砌厚度相对较小的地段。

1.6 地震波传播特性的影响

① 地震动沿着水平方向传播，由于传播时间不同，隧道可能产生沿其纵向的相位差。即使地层条件、隧道构造条件等均相同，沿着隧道纵轴方向上不同的两点，地震动的传播仍存在着相位差，地层波速越小，相位差的影响就越大。

② 地震波的入射方向与地震荷载的关系。以往的研究结果表明，地震时若剪切波以 45º 方向入射，则隧道衬砌的拱顶、拱墙等部位容易产生较大的轴力和弯矩；若剪切波以 90º 方向入射，则隧道衬砌的拱肩部位弯矩值会比较大。

1.7 地应力的影响

龙溪隧道所在地层的应力场以水平应力为主，在完整的砂岩或泥岩地段内隧道的地应力数值相对较高。龙溪隧道的最大埋深为 840m，原地应力的测量结果显示，越岭地段的最大水平主应力强度大于 30Mpa，是具有发生岩爆的地应力条件。因此,在强烈地震作用下，聚集在破碎岩体中的高地应力释放，围岩变形松弛产生裂隙[18]，极有可能触发或加剧围岩失稳和结构破坏。

1.8 施工条件的影响

龙溪隧道在施工过程中曾经多次出现过围岩大变形，隧道的支护结构严重受损。震后，施工中出现事故的隧道区段再次出现了严重破坏，因此隧道前期的施工条件也是造成隧道震害的一个主要因素。

结论

通过对不同的山岭隧道的在地震作用下震害受影响因素进行分类分析，得出了山岭隧道震害影响因素有震级、震中距、地形条件、地质构造、地质断层、隧道埋深、地应力、施工条件等的结论。

参考文献

[1]赵国良.震级与烈度[J].地理教育, 2007.

[2]杨德平.顺层岩质边坡对隧道洞口段支护结构稳定性影响研究[D].重庆交通大学[2024-03-31].

[3]毛永强,阳俊,李红君,et al.滑坡松散堆积体软弱围岩大变形隧道施工技术[J].广东建材, 2021, 037(007):69-71,56.

[4]李科.穿越断层带隧道建设关键力学问题研究[D].上海交通大学,2013.

[5]陈正勋,王泰典,黄灿辉.山岭隧道受震损害类型与原因之案例研究[J].岩石力学与工程学报, 2011.

[6]蔡来炳.软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究[D].同济大学,2008.