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1、文档供参考，可复制、编制，期待您的好评与关注！ _原创论文 强地震下山岭隧道受损特征和影响的因素 陈之毅.施诚.李天诚.袁勇摘要 经研究十起强地震中受损的81座山岭隧道，发现其典型受损特征可分为六种类型：衬砌开裂、衬砌裂损、因坡身不稳引起的隧道坍塌、隧道口破裂、渗漏以及侧壁/倒拱的变形。山岭隧道的影响因素也会做进一步的调查讨论，包括地震参数、构造信息以及岩石条件。另外，本文也提出一些抗震减震的建议。关键词：山岭隧道 震害特征 影响因素 破坏机理 抗震1 绪论除了因滑坡引起的交叉于断层中的剪切裂纹和隧道口破裂外，人们普遍认为山岭隧道很难在地震中受损，因为他们位于深处的石岩中。然而，最近山岭隧道的
2、严重受损表明事实并非总是如此。例如，在1999年台湾的集集地震（王et al.2001）和四川的汶川地震（李 2008）中，不少山岭隧道出现裂纹，衬砌倒塌，钢铁甚至出现弯曲。这对设计山岭隧道的抗震性能具有激励作用。收集、组织并划分地震中的受损数据对隧道的抗震研究具有重要作用。道丁和罗斯（1978）、沙玛和贾德（1991）以及马力等人（1998）已经做了明显的努力。道丁和罗斯（1978）调查了71例在日本和美国的加利福尼亚及阿拉斯加的受损直径为3直6米的隧道，他们指出三个隧道受损机理：断层、由地震引起的表层受损（塌方或隧道口液化）以及隧道结构振动所产生的地震波。沙玛和贾德（1991）研究了85场
3、地震中192个受损山岭并建立了一个数据库分析影响地下结构稳定性的主要因素：受损程度、表土负荷度、岩石种类、支撑方式、所在位置、震级以及震中距。最近，大型破坏力地震在全世界发生的更加频繁，这导致基础设施和财产的大面积受损并对人类健康产生不利影响。尽管先前研究人员建立的数据库在过去带来巨大的利益，但是因为不能正确反映地下结构的现状，这些数据已缺乏正确性了。一些数据库，例如沙玛和贾德（1991）创建的数据库在那时包含很多可用信息，然而沙玛和贾德的分析只是集中于几个直接影响结构稳定性的因素,并没有详细描述的破坏特点，也没有对你机理进行研究。鉴于此种情况，陈和王（2011）收集了在20世纪17起强地震中
4、遭到破坏的地下结构的全面详细的信息。他们建立了一个地下结构损坏的数据库,这方便了搜索地震细节(包括日期、位置、震级、震源的位置和深度以及总体地震破坏度)和结构损伤的细节、特征以及不同种类地下结构的影响机制。本研究收集分析了10起地震（表1）中81个山岭隧道的受损情况。选择这10起地震的愿意是存在详细记录的信息。因此，受损特征能被明确的描述、分析、分类学习受损背后的影响因素。此外，抗震减灾的建议也被提议在未来的山岭隧道设计中。2. 山岭隧道的受损特征迄今为止，隧道的受损情况还没统一的分类。道丁和罗斯（1978）提出了在地震中隧道受损的三种情况：因地震导致地表塌陷而引起的受损，例如隧道口的液化和滑
5、坡，因断层位移而引起的受损以及因地面震动引起的受损。王等人（2003）把受损情况分为四类：衬砌开裂、衬砌裂损、因坡身不稳引起的隧道坍塌以及内壁变形。调查了成都至汶川线路上的11个铁路隧道，李（2008）把受损特征分为六种：缺口坍塌、隧道口破裂、衬砌和围岩的受损、衬砌开裂和错位、倒转受损和隆起以及主要支撑结构出现裂缝和变形。本文根据受损的结构方式总结了六种普遍受损特征：衬砌开裂、衬砌裂损、因坡身不稳引起的坍塌、隧道口破裂、泄漏、内壁变形以及倒转受损。图表一总结了呈现上述损伤的隧道数量。其中，最频繁的受损是衬砌开裂；不常见的是衬砌裂损和隧道口破裂；最难得的是破身不稳而引起的隧道坍塌和内壁变形及倒转
6、受损，每个受损特征和近期的研究会在以下部分详细描述。表1地震的总体信息地震日期地点震级受损的总体表述神户1995年1月日本7.2地震破坏了5 个车站和近3公里长的地铁线路，神户地铁和运营隧道的水泥墙面出现了超过100多处的裂痕。在隧道检查时，刘家隧道出现了长10米的裂痕，这个裂痕又扩展了进100米。旧金山1906年4月美国8.3穿越圣安德列斯断层的两个隧道受到了严重的破坏，三个水管也被毁坏了。关东1923年9月日本7.9本东海道、横滨、横须贺和其他的铁路线上有近150个隧道收到影响，出现了很多倒塌。116条铁路隧道中的82条被毁或出现了畸形、井壁坍塌,衬里破解。克恩县1952年7月美国7.7四
7、条南太平洋铁路隧道遭受了严重毁坏严重摧毁 图 1 分布的损害 图 2 衬砌裂缝图 3 水平裂缝详细描述这些危害特点及当前研究的每个以下各节。2.1 衬砌开裂 在受损总数中达到46%，衬砌开裂是地震引起的隧道受损中最频繁的模式。根据裂缝类型，他们可分为纵向、横向、斜破损，环破损以及斜破损引起的倒转裂缝（王等人2003），如表二所示。1932年9月1日在日本发生的关东地震中，穿过折叠玄武岩的Namutani隧道出现了纵向、横向、斜裂缝（龚2007）。被王等人的论文（2007）调查的44个隧道中，31个隧道在1999年9月21日台湾发生的集集地震中出现了严重的裂缝，除了两个无衬砌隧道有岩崩倾向，剩下
8、的隧道都出现了轻微的裂缝。2008年5月12日发生汶川地震后，处在成都至汶川线路上的11个隧道中的八个出现了严重的衬砌裂缝（李2008）。几乎所以友谊隧道中的施工缝都出现了开裂，最宽的裂缝长达30毫米（表3），而且整个隧道中的二次衬砌也没有完整的部分。主要的损坏都集中在两侧的拱墙和拱顶上，最严重的受损切面是距离映秀入口的180至380米之间，而且延长140米；拱墙中的钢铁出现变形，衬砌中的混凝土出现开裂，部分甚至出现倒塌，而且二次衬砌也不再完整。受到损伤的区域有四百米；混凝土保护层出现坍塌，钢铁曝露出来，而且钢筋出现了轻微的弯曲。二次衬砌的完整性受到严重破坏，而且承受力也大大下降（李2008）
9、。总结了地震中受损隧道的相关信息后，潘（1996）发现衬砌在水平方向发生巨大变形，过度的挤压导致衬砌的坍塌，而且过度的张力致使衬砌开裂、钢铁屈曲。根据力模式，沈等人（2009）把裂缝分为压缩型、张力型和剪切裂缝。压缩型裂缝出现在压碎的边缘，严重的压缩型裂缝里有鳞状碎片、压缩的带状裂口和松散材料等等。有了不规则的发张方向时，裂缝会出现闭或开的圆，如果是斜向、横向、纵向的裂缝，那他们会出现交错分裂。拉力型裂缝总是有齐整的边缘，而且大多数都是垂直方向发展，某些这种裂缝的产生是斜拉力的作用。在深度上，拉力型裂缝通常有径向特性，随着宽度的减少，深度会增加；如果拉力断裂严重的，这些裂缝会出现错位。然而剪切
10、裂缝中很下面的宽度机会跟其表面的宽度是一样的，衬砌裂缝旁边的剪切方向上存在着一些错位。剪切裂缝总是与拉力型和压缩型裂纹有关联。2.2 衬砌裂损不像衬砌斜裂缝，衬砌裂损是一种山岭隧道在地震中更加严重的破坏。它主要发生在断层地带，以破裂、混凝土脱落及剪切力下钢铁剥离的形式出现。在关于山岭隧道的地震数据统计中，衬砌裂损占受损总数的15%。图 4 位移龙溪隧道变形衬砌1906年4月18日在旧金山地震中，两个穿过圣安德烈亚斯断层的隧道因衬砌开裂而严重受损。长达214米的赖特第一隧道拥有木制衬；隧道顶部和两侧都坍塌了，轨道上升，轨枕遭到破坏，而且出现1.37米的横向错位（道丁和罗斯1978）。1930年1
11、1月26日日本发生北伊地震，当时在建的丹那隧道的内壁出现几处裂缝，而且在埃娜断层地带出现2.39米的横向位移和0.6米的垂直位移（道丁和罗斯1978）。汶川地震后，陇西隧道因出现1米的垂直错位不能再被使用，这是由于地面错位导致衬砌拱坍塌引起的（表4）。二次衬砌的错位长达40厘米，就跟这次地震中白云顶隧道的情况一样。环向钢筋的大面积突出和混凝土构造的坍塌，都使二次衬砌失去其结构的完整性。隧道基地下陷，地板满是裂缝，并且错位达到20厘米。受损长度约有30米，这会导致严重的交通安全问题。同样的，在白云顶隧道的映秀地段下的45米基石里有个断层带；该断层带斜着穿过隧道轴，并在地震后有着形迹滑距。从统计的
12、资料中明显可以看出，穿过断层带的隧道无法避免被剪切和位移。临近断层的衬砌在隧道轴正上方表面会形成水平和垂直方向的错位。至今为止，众多研究都集中在断层导致的隧道剪切破坏。然而，不穿过断层的隧道也值得一提，因为他也有可能遭到位移的破坏。例如，1952年6月21日加利福尼亚的克恩县地震中，第四南太平洋隧道因隧道轴线上地表条件的不一而发生了水平方向上的位移（潘1996）。此外，在随后的关东大地震中，伴随着岩石在地震力的作用下沿隧道轴发生了水平方向的错位，长坂隧道出现了垂直方向的位移；这导致在拱和壁的连接区域出现了位移裂缝。2.3 因破身不稳引起的隧道坍塌与水下隧道和城市隧道相比，山岭隧道更易于受到这种
13、情况的破坏。如果出现强地震而周围土地不能维持完整性的话，靠近斜坡的隧道因破身不稳可能会出现坍塌。第8号台湾线和清水线在1999年集集地震中遭到的破坏，就是这类破坏中的典型例子。图表5的两幅图分别展示了隧道在地震前后的情况（王等人2001）。2.4 隧道口破裂隧道口破裂经常发生在内侧壁和柱壁结构类型的隧道口，而且沿着电缆沟和避车洞隧道口的裂缝也属于这种类型。圣安德烈亚斯大坝集水隧道口在旧金山地震中所遭破坏长度达8.5米，穿过圣克鲁斯山的铁路隧道受到类似方式的破坏（沙玛和贾德1991）。在集集地震中，44个隧道中的11个发生了隧道口破裂，防空洞裂缝如表6所示。隧道口衬砌的方向和宽度的改变使得它在地
14、震时受到的压力加重，这就是它比其它部分遭到破坏严重的多的原因。汶川地震后，桃关隧道的两侧拱壁可看见长达50厘米宽的裂缝（表7）。沈等人（2008）进行了衬砌模型在多种施工状态下的破坏模式的实验，他们发现模型隧道口区域的土层中出现了大小不一的裂缝，而且都从隧道顶部偏的45度的地方开始，朝斜上方破裂。这说明喷射混凝土保护层应该做在隧道口区域，特别是在不良地质条件的地方，用以防止继发性损坏，如地震产生的滑坡。隧道模型（覆盖厚度是21.3厘米）中裂缝在土地表层的形成表明，裂缝的数量随着覆盖厚度的增加而减少。如果隧道口覆盖厚度少于6.4米，斜坡的喷射混凝土保护层会减少对隧道结构和表层的继发性破坏。2.5
15、 渗漏当该区域有丰富的地下水时，地震中的山岭破坏常有水渗漏。渗漏在山岭破坏中所占的比例为13%，正如表一所示。渗漏会导致衬砌所受的水压增加，因而内部压力也增大了，与此同时，渗漏还可能影响着环境因素，例如隧道内的湿度，结构的耐用性和设备的安全操作风险，因此，适时的检查和维护是必要的。国际隧道协会（1991）分析了48例隧道受损情况，得出的结论都是受水和周边环境的影响。该协会把影响分为以下几种：（1）表层的影响，只影响了隧道的表层，并没影响结构；（2）结构的影响，影响结构适应性的利用，包括灰浆的消耗、钢铁锈蚀、混凝土强度的下降、地层移动引起的隧道隆起或扭转以及地表的上升；（3）功能的影响，影响隧道的功能，钢铁或衬砌的化学锈蚀、抛光面的损坏、内服设施的腐蚀、地板的破裂等等。1999年的集集地震中，观音隧道的二、三号线和旧的谷关隧道出现了大面积的渗漏，表8所示的是汶川地震后的隧道渗漏。2.6 侧壁/倒拱的变形早期研究显示当侧压力比（水平压力与垂直压力之比）小于1时，主要破坏出现在隧道两壁；当侧压力比大于1时，主要破坏出现拱部和底端；当侧压力比等于1
