日本中越地震对隧道的影响

日本中越地震对隧道的影响

长期以来，人们认为，隧道和其他地下建筑在地震发生时不是发生的终端，而是被认为是地震波传播的手段。此外，围岩的足够刚性可以确保隧道没有发生大的变形。因此，对隧道抗震问题的重视程度不够。但最近几十年来发生的几次较大的地震改变了这种传统的看法。1999年台湾集集地震后，台湾中部距发震断层25km范围内的44座受损隧道中，严重受损者达25%，中等受损者占25%。2004年10月23日，日本新瀉县中越地区发生震级M6.8级地震，造成24座铁路隧道破坏，5座隧道严重破坏，衬砌需要修复和加强。2008年5月12日，中国四川省汶川县产生的8级强震造成109座隧道严重破坏，洞口处山体滑坡滚下的巨石与正经过的21043次列车发生相撞，碰撞发生的火花引燃了机车头，紧接着12节装满汽油的油罐车突然燃起熊熊烈火，这一突发事件造成宝成铁路中断，耽误了抗震救灾的宝贵时间。这些事件使人们认识到，地下工程仍然会遭受地震的强烈破坏，越来越多的科技工作者开始关注和研究隧道与地下工程的震害及抗震问题。目前，这方面的研究还处于初步阶段，对山岭隧道震害特征、机制以及抗震技术等的认识还需要不断积累资料和深入研究。1隧道破坏情况2004年10月23日，日本新瀉县中越地区（震中位于北纬37°17′，东经138°52′的川口町和小千谷市附近）发生M6.8级地震，造成40人死亡、4500余人受伤、10万余人无家可归，房屋损坏近14万栋，财产损失约3万亿日元。在这次地震中，24座铁路隧道遭到破坏，5座隧道（Uonuma,Myoken,Wanatsu,Tenno,Shin-Enokintoge）破坏严重，衬砌需要修复和加强。根据中越地震的统计资料及相关数据，隧道的基本破坏特征如表1所示。从表1可以看出：洞口处出现破坏的情况较少，隧道破坏的主要形式集中在衬砌破坏和施工缝的破坏，破坏严重程度所占的比例如图1所示。从图1可以看出：在21座遭受破坏的隧道中，破坏严重程度为中度的有13座，占绝大多数。1.1隧道破碎表面洞门破坏是一种常见的隧道破坏情形。隧道洞门由于受围岩约束作用较小，一般埋深较浅且围岩风化破碎，比较容易发生衬砌开裂或洞口塌方，并堵塞隧道洞口，造成交通瘫痪。中越地震中有四处隧道的洞门发生破坏，洞口破坏的具体情况包括仰坡发生断裂或滑坡（如图2所示）、洞门拱顶出现开裂（如图3所示）、水平和垂直地震力综合作用使隧道侧压增大而导致拱部上凸并最终塌落等。1.2隧道衬砌破坏形式衬砌破坏是隧道破坏的主要形式，主要发生在围岩较软弱及离震源较近的隧道中。在中越地震中，遭受破坏的隧道中衬砌破坏所占比例非常高，破坏形式主要有剪切力作用导致隧道衬砌在软弱地段如施工缝处发生横向错位（如图4所示），横向地震力作用使侧墙砼剥落、开裂或鼓出（如图5所示），浅埋地段的软岩因振动失去围岩拱效应导致衬砌全部坍塌等（如图6所示）。1.3裂等破坏破坏地震发生时产生的偏应力容易使路面和仰拱出现隆起、开裂等破坏。在中越地震中，有多处隧道出现这种破坏（如图7所示），这一破坏的主要形式有横向开裂、纵向排水沟轻度隆起-开裂、仰拱强烈隆起-开裂、底板地基隆起等。2相关因素的分析与隧道破坏2.1中越地震中对隧道的影响隧道在地震发生过程中遭受的破坏与地震烈度及离震源的距离有密切的关系（如图8所示）。一般来说，在地震烈度为7度、处于地震中心10km范围以内和地震烈度为8度、处于地震中心30km范围以内的隧道都会受到较严重的影响。中越地震中受损最严重的Uonuma隧道几乎就处于震中心，其余受损较严重的2座隧道Myoken、Wanatsu也位于以震源为中心、半径10km的范围以内。根据1992年SunilSharma和WillianR.JuddE．统计的隧道震害情况，大部分导致隧道破坏的是震级大于7级的地震，而且震级越大，隧道破损程度也越严重，71%的破坏震中距小于25km，将近75%的震中距在50km以内。2.2衬砌破坏发生机理埋深较浅时，隧道周围的围岩经过长期风化作用，强度一般较低，地震作用时容易发生变形。一般常见的衬砌拱肩部分出现裂纹就是由于隧道埋设较浅，一旦受到地震作用，位移引起的剪力使衬砌出现裂纹；洞门处出现顶端开裂也是由于这种原因所引起。同时破坏与所处的地质条件有密切的联系，当隧道处于断层带时，地震作用下，遭受到剪切、拉伸、压缩的综合作用，容易发生较大位移，从而导致附加应力作用于衬砌，引起衬砌破坏。中越地震中鱼沼隧道共发生三处破坏，其中二处就处于埋深较浅且岩层较差的地段是这一破坏的典型例子（如图9所示）。该隧道长8624m，周围岩层为第三系泥岩，属于地层软弱地带。2.3曲墙带仰拱一般来说，主要是受隧道衬砌形式的影响：圆形的比方形的好，因为圆形衬砌有利于力的传递，减少应力集中现象；形状对称的对抗震有利；曲墙带仰拱的耐震性比直墙拱（不带仰拱）强。Dowding、Rozen曾经统计了71座铁路隧道和水工隧道的地震破坏，认为衬砌厚度较大地段损坏的百分率大于厚度较小的地段，其中厚40cm的损害百分率为82%，厚30cm的为38%，厚20cm的为16%。3隧道洞门及结构区域的设置建议(1）隧道设计时应尽量避开易产生山坡滑动、崩坏、地层错动的地区及断裂带和围岩软弱区。(2）山岭隧道洞口段是地震中的薄弱地带，对运营安全影响极大。一般从洞口进入洞内25～30m后，围岩和衬砌的地震反应逐步减少并开始趋于平稳，该距离可供山岭隧道洞口段抗震设计时选择设防区域参考。在设计时应将边坡设计、防护设计、洞门设防区域相结合，必要时可以采用钢筋砼衬砌代替素砼衬砌。(3）设置横向减震层和纵向减震层都能使隧道衬砌的加速度反应与应力传递系数明显减少，应力分布更趋于均匀，而且前者的减震效果明显好于后者。此外，通过设置锚杆，增强围岩整体性，也可有效减少作用在衬砌上的地震荷载，且对软质围岩效果更为显著。(4）衬砌刚度过大对隧道减震不利，现行设计中常采用的加大衬砌刚度抵御地震力的思路值得商榷