地震对地下工程的损害

2014-03-20段乐斋

水电站设计 2014年1期

段乐斋

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 1966年邢台地震(中)

1.1 地震概况

邢台地区位于河北省南部。该区西部为太行山及其山前地带，地势西高东低。东部为洪积冲积平源，地势平坦，海拨高程在20～100m之间。主要河流为滏阳河，由东南向北东横贯全区。1966年3月，邢台地区接连发生强烈地震。3月8日晨5时29分，于北纬37°35′，东经114°55′发生6.8级地震，震中在隆尧县马兰、任村一带，震源深度10km，震中烈度Ⅸ；3月22日16时11分及19分，在相距不远处，即北纬37°53′，东经115°05′，又相继发生6.7级及7.2级地震，震中在宁晋县东汪镇一带，震源深度10km，地震烈度Ⅹ度。

这几次地震使该区30个乡的350个村严重受灾，给人民生命财产带来极大损失。地震引起地形地貌变化，地裂缝和喷水冒砂普遍，地裂缝成带状，滏阳河畔裂缝很多，裂缝上、下错动。最大冒砂水直径达1.2m，冒出的泥砂厚达1.3m。

1.2 地下洞室损坏情况

邢台地震使邢台煤矿地面烈度达Ⅶ度左右，邯郸煤矿地面烈度为Ⅵ度左右。据震后调查，地面与地下对地震反映明显不同。地下破坏与地面相比要轻的多，并且随着矿的深度增大，地震影响速减。地震造成的工程受损为：

(1)邯郸牛儿庄矿。地面共有房屋3 950间，破坏22间，裂损471间。宿舍屋顶烟囱约有40%遭受破坏，大多数顶部掉落砖瓦，洗煤楼墙面裂缝，宽0.7～0.8cm，长10余m。而地下矿井副井东北角支柱倾斜3cm，主井架向南倾钭1.6cm，顶板冒落两处，伤6人。副井70层钢架的料石鼓出，第14至15层间1.5m宽、2m长的范围内料石变形，顶板压力增大，致使207对支撑架中的173对产生裂缝，裂缝最宽达0.6m，10对折断。矿井涌水量增大一倍，并有11处冒水。

(2)邯郸蒋树矿。地面共有房屋2 510间，破坏95间，裂损215间。地下巷道裂50余条，顶板冒落多处。裂缝宽0.2～0.3m，长4m。顶板压力增大，压倒10对水泥支柱。

(3)邯郸羊渠河矿。地面共有房屋4 669间，破坏243间，裂损1 482间。矿井下有20多条裂缝，一处冒顶，一处巷道壁变形，一处钢架压弯。裂缝最长达14m，宽0.2～0.4cm。

(4)邢台媒矿。3月8日地震时，张宽矿主井筒出规了三条环形裂缝，并向外喷水。井下76m处的裂缝喷水范围达3.4m远；131m处的裂缝喷水范围达1～1.5m远；134m处的喷水范围达0.5m远。总水量比震前增加20m3/h。3月22日地震时，地表混凝土房顶与砖墙脱离，铁工房隔墙、机电房门头裂缝，缝宽58cm，山墙外倒。砖房3 000余间，裂损65%。农村砖房2 000余间，倒塌3%、破坏30%，普遍裂损。地下情况，在距地表300m左右的井下，大部分人感觉到地震，局部坑木支护的横梁掉下，并有折断。

2 1975年海城地震 (中)

2.1 地震概况

海城县位于辽东半岛的西北部。该区东部为低山丘陵地带，西部为河流冲积、滨海沉积的平原区。属郊城～营口地震带的北段。据历史记载，16世纪以来曾发生过14次5级以上的地震。1975年2月4日，在诲城、营口一带发生了7.3级地震，是该区有史以来最大的一次地震。

该区人口密集，经济发达，现代工业较集中的地区。在地震烈度Ⅶ范围内，有城市三座、县城11个，人口834.8万人。据统计地震破坏城镇房屋508万m2、农村民房86.7万间，各类管道和线路169万m；桥梁2 000余座；水利设施700多处；喷砂埋盖农田180km2。经济损失约8.1亿元，人口伤亡达18 308人，其中死亡1 328人。

平原区砂土液化是这次地震的一个突出点，发生喷砂冒水地区达3 000km，由此导致河岸滑坡、桥梁破坏、排灌站倾斜及地下管道破坏等。一般基岩上的震害比覆盖层上轻。坐落在覆层较薄山坡上的房屋受害较轻，坐落在山下冲积层上的受害较重；余震观测也表明地面加速度在后一种情况比较大。

2.2 地下洞室

(1)隧道工程。该区有铁路隧道和人行隧洞各一条，两隧道相距4km。前者位于地震烈度Ⅸ，后者位于Ⅷ区。铁路隧道全长310.7m，隧道围岩为风化页岩和风化白云岩，无水属Ⅲ～Ⅳ类围岩。全洞均采用压注水泥砂浆加固。洞口挡墙采用现浇素混凝土。震后调查，隧洞未遭到破坏；人行隧道，长约400m，围岩为完整的石灰岩，属Ⅴ类。净宽3m，围岩(积土层)厚34m，断面为马蹄型，衬砌厚20～30cm，洞口为挡墙，均为混凝土浇筑，估计约有一半洞长无衬砌。震后未发现损坏。该两条洞说明，埋深较大者，只要不穿过断层或流砂等不良地质地段，洞身部分在Ⅸ度区，即是不衬护，遭地震破坏亦很轻微。

(2)矿山地下坑道。据震后调查，坑道埋深愈浅破坏就愈重一些；坑道外许多房屋倒塌破坏，而坑道内只有轻微损坏。如2月16日，5.6级余震时，坑道外有破坏，而坑道内作业的工人未感觉到地震。岩石坑道内的破坏要比坑道外轻，其抗震性能较好。

(3)地下井的情况。该区有不少水井，埋深为40～1 200m，震后调查，除下辽河地区靠近渤海的油井和气井有些损坏外，其余所有井没有损坏。水井口用地上式泵房者严重破坏，而采用地下式泵房的，泵房破坏较轻微。所有的破坏及变形，都限于地表及其附近，而且很大程度上与软弱地基有关。地下井的震害则说明深层土的地形变化小于表层。一般讲，井体越向地下，地震对其影响越小。

3 1976年唐山地震(中)

3.1 地震概况

1976年7月28日在河北省境内，人口达百余万的工业城市——唐山发生了7.8级的强烈地震。震中位于唐山市路南区，震源深度约11km，有明显的断裂贯通全区。市区大都为地震烈度高达Ⅺ度的极震区，地面建筑物普遍倒塌，幸存者甚少，震害遍布唐山外围十余县，波及百余公里的北京、天津、秦皇岛等重要城市。环绕唐山的道路、桥梁及公用设施严重损坏，交通梗阻，讯息不通，供应断绝。在唐山东北45km的滦县发生了7.1级地震，同年11月15日在天津市宁河县发生了6.9级地震。这两次地震在局部地区加重了震害。唐山市地下有规模宏大的煤矿和众多的人防工程。地下工程种类多、分布广、延伸长、埋深有浅有深，构成一个立体的地下工程网，天津市地面以下的市政、人防和地铁工程稍密，在唐山大地震后，留下了丰富，真实地下工程震害现象，亦为地下工程的抗震能力提供了一次检验。

3.2 开滦井巷工程

开滦煤矿始建于1878年，己有百年的开采历史，矿区东西长约45km，东北部宽约10km，面积达65km2。矿区有7个生产矿，和一个即将建成投产的矿，这8个矿全部为大型矿。井田走向最长的达10km，最宽达4.5km。面积最大的为36.6km2。开采最大垂直深度1 000m以上。煤田成煤于石炭二迭系，呈一向钭构造，两翼不对称，上覆冲积层厚度由数米到数百米，最厚达620m，可采煤层最大厚度达23m。各矿井正常涌水量为0.11～1.43m3/s。矿区处于唐山地震的Ⅸ～Ⅺ度区。震后调查，地表附近的井壁衬砌混凝土剥落，井壁内鼓，深处地下锚喷支护，没有明显损坏。

3.3 车辆巷道及交岔点

唐山矿共11个水平运输巷和19个巷道交岔点，最大跨度为8.9m，埋深638m，处于夹有煤层的页岩中，围岩较破碎。采用钢筋网砂浆锚杆喷150mm厚的混凝土支护，震后检查完好无损。

3.4 地下洞室

所有洞室未遭到损坏，虽有许多洞室被水淹没，但排水后大多完好无损。且洞内设备亦未遭到损坏。

3.5 大巷工程

大巷是指各个开采水平的运输及通风巷道。断面形状多为半圆拱或三心拱，支护形式有锚喷、混凝土砌圈。这类巷道一般均选在比较稳定坚硬的岩层中，受动压影响小，平时维护也较好。部分大巷由于穿越断层，局部洞段处于松软破碎的岩层或煤层中，有的大巷施工质量较差。震后在排出矿井积水后的调查表明，大部分大巷基本完好，无显著震害，只是局部洞段出现拱顶裂缝、下沉、剥落、挤裂、脱顶、墙体内鼓、开裂和底鼓等现象。

4 2008年汶川大地震

2008年5月12日汶川特大地震，涉及面特别大，由汶川—都江堰—成都—北川等地，地震中心在汶川县城映秀镇。地震破坏力度特大，波及范围广，是新中国成立以来最严重的地震灾害。地震摧毁了房屋、公路、桥梁，无数生命被掩埋于废墟之中。映秀镇全部被掩埋，成了一堆废墟。在映秀镇附近，岷江上游有太平驿、福堂水电站，下游有紫坪铺水库，映秀周围有：映秀湾、渔子溪一级和二级水电站。地面建筑物全被摧毁。几座水电站地下工程，建筑物基本完好，如太平驿水电站地下调压井，内径30m、喷锚厚度20cm，完好无损。其他几座水电站的隧洞和地下厂房内的人员及设备没有损失，特别是人员无一伤亡。

5 日本地震损坏情况

日本是一个多地震国家，境内及近海经常遭受地震，自有文字记载的416年间的地震以来，在1 500多年内，平均每年有十多次破坏性地震发生，近百年来平均每年约发生7级以上地震一次。日本地震分为太平洋侧、内陆和日本海侧三个地震区带，大部分地震发生在太平洋侧，地震给日本造成了严重灾害。

(1)铁路隧道震害情况震后调查情况如表1所示：

表1 铁路隧道震害概况

(2)水电站地下工程震后动态特征。日本电力开发公司(EPDC)拥有11个地下水电站，根据日本的地震特征、地质条件、地下洞室尺寸及其维护条件等，在三个电厂内装设了地震监测系统，用以观测地震运动。监测结果反映：①洞壁受临近岩体位移的制约，洞壁和临近岩体表现为整体；②地下洞室边墙的位移在某种程度上可根据岩体的位移来计算；③洞墙特征在很大程度上取决于震中距；④在某些地震中，水平运动使边墙呈现出非平行特征。⑤地下位移的峰值，相当于大地能谱的2%～3%。

日本虽是多地震国家，但据“日本山岭隧道技术规范及解释”称，“日本隧道受到重大震害的实例还没有。日本过去受地震破坏的隧道几乎都是洞口或洞口附件发生变形、崩塌，其原因是因地震造成洞口附近滑坡，岩体崩塌而产生挤压所致”。

(3)2011年日本东海岸发生特大地震，日本以及世界一些国家都受到了损害，地震、山体滑坡、核电站污染等，余震级别亦很高，近期难以平息。但对地下工程未见报道，从其救灾情况的图片中可以看到铁路隧道中火车正常运行，从未听到地下工程有损害的报道。

6 美国地下工程

美国是世界上多地震国家之一，如1906年旧金山发主8.0级地震、1952年克恩发生7.6级地震及1971年圣佛南部发生6.6级地震，近百年来发生破坏性地震己达20余次。美国专家预言，到2025年沿加州的圣安德烈斯断层会再产生一次灾难性地震。

(1)1966年4月18日旧金山西部发生8.3级特大地震，震中烈度Ⅺ度，地震造成七八百人死亡，损失8000万美元，供水设施破坏损失4亿美元。旧金山系统中有三个主要水库。震后调查，蓄水库、土坝和一个混凝土坝都保存完好。

(2)1954年12月1～6日内华达州发生了7.1级和6.8级两次地震，该两次地震值得注意的有：①断层破坏对震中烈度影响大，两条断层破坏处震中烈度为Ⅹ度，但结构破坏仅达Ⅶ度；②这次地震产生的地震波，在近距离内未引起破坏，但在300km的远距离加州省府有不同程度的破坏。

(3)1940年和1979年地震。1940年5月18日发生了7.1级地震，1979年10月15日的6.6级地震，虽然震级不大，但对水渠破坏严重。

(4)1964年3月27日阿拉斯加州发生了8.3级地震，震中在安科雷奇市东约120km海边，震源深度约20km，死亡125人，损失3亿多美元，该次地震特点：①地面变形大，海底隆起达10m，陆地多处下沉数米，海啸范围广；②强震动周期持续时间长，估计震动周期大于0.5s，持续时间达3min左右；③液化引起的震害严重；④震中区地震烈度分布零乱。

该次地震引起的滑坡、地面下沉和海啸给铁路路基、桥梁造成极大损失，修复工程进行了两年，耗资2 200万元。但对于隧道震害极轻，不影响正常运行。

(5)1952年7月21日在克恩县发生了7.6级地震，地表断裂至少长22km，震源深16km，8月27日发生了5.8级的余震，该次地震特点：①断层破坏对震中烈度有影响；②破坏有积累效应，如7月21日对城市破坏严重，而8月27日1次5.8级的余震，对诚市破坏却更加严重；③无筋砖结构震害重，而采用配有竖向筋者震害就轻得多。

7 必须高度重视强震对地下工程的影响

地震时对地面工程造成的严重破坏是众所周知的，而对地下工程的破坏如何呢？过去由于地下工程所受的损害也较低，所以人们对地下工程的抗震重视、研究的程度相应地低于地面建筑。但近一二十年来，由于广泛应用了地下工程，促使人们对这一问题进行了研究，到目前为止，其成果甚少。根据上列资料看，虽然人们在强震区修建了不少地下工程，但是仍须高度重视，建议充分做好以下几个方面的工作。

(1)加强地质工作，搞清高边坡的稳定问题、砂土液化等地段，并应尽量避开，若不能避开时，必须采取工程措施。如傍山隧洞应尽量靠山体内部，保持有足够的覆盖厚度，洞门设计除考虑滑坡的影响外，并应考虑地震滑坡后堆积物的超载和堆碴堵塞洞口等；

(2)查明地下工程所遇到的断层的活动特性，如活动方式、断层长度、活动速率等，借以推断断层在工程使用期内是否会发生地震及可能的震级、产生的错动量，从而对地下工程提出避开、设防或按一定规定进行加固；

(3)对需要设防的断层带，可采取反拱使断面闭合、衬砌与围岩之间必须进行灌浆，不许留有空腔，采用柔性好的钢筋网或钢纤维喷混凝土支护措施，以适应大的变形；

(4)在地下工程所跨越的活动性较大的断层上，应布设专门的监测系统，监测断层活动情况。加强正常的维护工作，在地震将要发生时，对地下工程的运行管理采取相应措施，以避免和减轻损失；

(5)隧洞及地下厂房交通洞的洞口、明洞、洞口段、浅埋隧洞、偏压及不良地质段，均应采取整体的钢筋混凝土衬砌，对软弱围岩亦应进行加固措施；

(6)对洞内支护，宜采用柔性大的支护，并采用吸收振动能量的粘滞性材料进行回填，使衬砌与围岩密贴，形成整体，增加抗震性能。

综上所述，地下工程本身都有一定的抗震性能，只要充分考虑和利用地下工程有利的条件，在强震区(烈度≥Ⅵ)对地下工程加强维修，发生地震也不会造成大的损坏。