断层破碎带段隧道抗减震及震后修复技术研究

苏 鹏

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

我国是一个地震多发的国家，100多年来我国发生的地震多达上百次，其中强、大地震就有11次。每次强、大地震都给人民生命财产及国家基础设施造成了巨大的经济损失。

每次强大地震的发生都是对我国公路隧道建设的检验，尤其是近年来四川汶川大地震，青海玉树大地震和雅安庐山大地震中，出现了多座公路隧道严重破坏的情况，特别是断层破碎带段的隧道出现了大量的二次衬砌垮塌，衬砌错台甚至是隧道垮塌的情况。因此有必要对断层破碎带段公路隧道的抗震及减震技术以及震后修复技术进行研究[1]。

1 隧道震害评估方法

1.1 隧道震害的分类

根据震后隧道破坏的位置将震区公路隧道震害分为两大类：隧道拱墙衬砌震害和隧道底部震害。拱墙衬砌结构震害类型有8种：a）衬砌开裂；b）混凝土剥落；c）衬砌错台；d）混凝土掉块；e）二衬垮塌；f）施工缝开裂；g）隧道垮塌；h）衬砌渗水。隧道底部震害类型有 4 种：a）路面开裂；b）仰拱错台；c）仰拱隆起；d）路面渗水。

1.2 影响隧道震害的主要因素

分析大量隧道的震害类型可以将引起隧道震害的主要原因归结为两点：一是地震惯性力；二是强制位移。地震惯性力和强制位移使得断层破碎带的岩体发生坍塌松动，出现涌水，断层错动加之由于二次衬砌的设计不足从而引起隧道结构产生各种类型的震害现象。

1.3 隧道震害评估方法[2]

地震灾害发生后，根据抢通、保通、恢复重建3个阶段的不同需要进行工程抢险。根据震后隧道的震害情况以及灾后抢险3个阶段的需要，可将断层破碎带段隧道（二次衬砌为钢筋混凝土）震害程度分为5级，如表1所示。

钢筋混凝土衬砌隧道按抢通、保通、恢复重建3个阶段不同需要处治的震害等级如表2所示。

表2 钢筋混凝土衬砌隧道3个阶段需要处治的震害等级

因此，在制定隧道震害处治方案时，首先要根据隧道的震害情况对隧道震害等级进行合理定级，并根据不同阶段的不同特点、不同目标及不同处治重点制定合理、安全、经济的处治方案。

2 震害特征及机理[1]

2.1 震害特征

国内有关专家对断层破碎带段隧道的震害特征进行了大量的统计，尤其是王明年教授对汶川地震发生后四川省境内的位于断层处的隧道震害特征进行了详细、全面、系统的统计，其统计结果显示：a）无错动断层破碎带段隧道的震害情况轻微，错动断层破碎带段隧道的震害程度要比无错动断层破碎带段隧道的震害程度严重很多；b）断层破碎带段隧道结构震害特征主要以二次衬砌垮塌为主，占到了29.5%；衬砌开裂（裂纹清晰，有一定走向）和隧道垮塌次之，分别占到了20.64%和17.07%；路面开裂（不能确定裂纹方向，呈片状或网状）再次之，占13.66%，其他震害现象也有发生但较少。

图1 震害特征图

2.2 震害分析

a）断层错动是引起断层破碎带隧道结构严重震害的主要原因。

b）断层上下盘围岩软弱是引起断层破碎带隧道震害严重的另一原因。

c）断层破碎带的宽度对隧道震害也有一定的影响。

d）二次衬砌设计不足也是引起断层破碎带隧道严重震害的一个原因。

综合分析，引起断层破碎带隧道结构震害的原因是断层错动、围岩条件软弱、断层破碎带宽度及二次衬砌设计不足。另外，不易发生错动的断层隧道不需要进行特别的抗震设防；易发生错动的断层隧道应进行特殊的抗震设防。

2.3 震害机理

王明年教授对汶川地震发生后四川省境内的位于断层处的隧道震害机理的研究成果表明，隧道穿越断层有两种情况，即无错动断层破碎带及错动断层破碎带。分析两种情况下隧道震害机理需对两种情况下的隧道进行结构受力和变形规律的研究，限于篇幅本文仅对两种情况下的震害机理进行简单叙述。

a）与普通段隧道相比，无错动断层破碎带隧道在9度区，其二次衬砌最大主应力峰值比普通段大16%，安全系数降低了20.5%，变形增加较小。无错动断层破碎带隧道破坏规模和程度虽比普通段隧道大，但其并没有出现二次衬砌垮塌或隧道垮塌等严重破坏形式。说明无错动断层破碎带隧道震害主要是惯性力导致，强制变形影响不大。无错动断层破碎带隧道不是抗震设防的重点。

b）与普通段隧道相比，错动断层破碎带隧道在9度区，其二次衬砌最大主应力峰值比普通段增加了121.6%，安全系数降低了74.4%，隧道轴向力增加了436%，变形增加了28.6%。错动断层破碎带隧道不但出现二次衬砌垮塌，而且出现了隧道垮塌等严重破坏形式。说明错动断层破碎带导致隧道位移变化量增大，隧道轴向力急剧增大，因此，错动断层破碎带隧道是抗震设防的重点。

综合分析：引起无错动断层破碎带段隧道震害的主要原因是地震惯性力作用。引起错动断层破碎带段隧道震害的主要原因是强制位移作用，该强制位移对隧道作用主要是沿隧道纵向。错动断层破碎带的宽带只影响隧道震害的规模和强度，不影响其震害的类型。

3 隧道抗减震技术

由于错动断层破碎带段隧道的震害情况严重，因此将其作为设防重点。目前，隧道的抗减震设计主要通过结构加强和围岩加固两种措施进行。

3.1 减震技术

错动断层破碎带段隧道的震害以二次衬砌垮塌为主，因此本文从设置纵向减震缝和横向减震层两种措施研究减震效果[3]。采用FLAC3D建立模型，模型尺寸见图2。地震波采用汶川地震加速度波，各参数见表3～表5，计算工况见表6，监控点布置见图3。

表3 围岩参数

表4 材料参数

表5 减震缝参数

表6 计算工况

图2 结构模型 （单位：m）

图3 监控点布置图

取上下盘距离断层错动面5 m、15 m、25 m处6个断面。提取每个断面上4个监控点的轴力和弯矩，求出各监控点的安全系数，取每个断面中各监控点中的最小安全系数作为该断面的安全系数，各工况下各断面的安全系数见表7。

表7 各工况下各断面的安全系数最小值

分析表7可知，各工况下，离断层越近，结构安全系数越小，反之，结构越安全；同一断面上，随着减震缝间距的增大，结构的安全系数减小，减震缝间距在10～12 m时，结构的最小安全系数在1.8～2.0，满足《公路工程抗震设计规范》中的混凝土在地震力作用下，主拉应力控制的最小安全系数为1.8的规定[4]。因此推荐减震缝间距为10～12 m。

减震层示意图见图4，减震层参数见表8，计算工况见表9。

图4 减震层示意图

表8 减震层参数

表9 计算工况

取上下盘距离断层错动面5 m、15 m、25 m处6个断面。提取每个断面上4个监控点的轴力和弯矩，求出各监控点的安全系数，取每个断面中各监控点中的最小安全系数作为该断面的安全系数，各工况下各断面的安全系数见表10。

表10 各工况下各断面的安全系数最小值

分析表10可知，各工况下，离断层越近，结构安全系数越小，反之，结构越安全；同一断面上，随着减震层厚度的增大，结构的安全系数增大，在厚度超过10 cm后，安全系数反而降低了，说明了减震层过厚会影响隧道结构的安全性。虽然在各工况下，结构的最小安全系数均满足《公路工程抗震设计规范》中的混凝土在地震力作用下，主拉应力控制的最小安全系数为1.8的规定[4]，但出于安全和经济的要求，推荐减震层厚度为10 cm。

3.2 抗震技术

采用FLAC3D建立模型，模型尺寸见图5。围岩参数和材料参数见表3～表4，注浆参数见表11，计算工况见表12。

图5 结构模型图

表11 注浆参数

表12 计算工况

提取监测断面上4个监控点的轴力和弯矩，求出各监控点的安全系数，取监测断面中各监控点中的最小安全系数作为该断面的安全系数，各工况下的安全系数见表13。

表13 各工况下监测断面的安全系数最小值

分析表13可知：注浆区厚度和注浆区距初支的距离对隧道结构的抗震均有一定的影响。注浆厚度越大，结构越安全，但是在注浆厚度超过10 m后，结构的安全系数基本趋于稳定。注浆区距初支结构一定距离比紧贴初支更有利于结构抗震，注浆区离结构超过一定距离，抗震效果没有明显提高，反而略有下降。因此，推荐注浆区厚度为10 m，距结构的距离为2～5 m。

4 震后修复技术

根据震害评估方法，震后隧道修复按抢通、保通和恢复重建3个阶段制定不同的处治对策。

a）抢通阶段 首先，运用目测、物探等手段判断震害隧道是否适合抢通。其次，对适宜抢通的隧道中的洞口存在落石或存在边仰坡及上部山体垮塌体掩埋洞口的隧道进行洞口清理。第三，对洞口衬砌震害进行快速准确的分级，根据分级进行震害整治。第四，对于衬砌开裂，在此阶段不处理，对于二次混凝土剥落、掉块或局部垮塌的段落，首先进行掉块、垮塌体清理，接着可采用喷混凝土或安设型钢钢架进行临时支护。

b）保通阶段 通过专业仪器设备对震后隧道进行全面详细地检测评估，根据检测结果提出可行的加固方案，加固要兼顾长期效果。对于二次衬砌严重开裂、掉块、垮塌段可采用钢管支撑、型钢钢架与混凝土联合支护。对于隧道内存在的短塌方段，可采用管棚法、WNF法和WF法。

c）恢复重建阶段 在详细检测、全面评估的基础上，开展加固设计，形成较完善的设计文件。对于衬砌渗漏水，应按隧道渗漏水形式不同采取相应的处治措施；对于衬砌少的裂缝可用嵌补方法或者外贴碳纤维布法加固；对于衬砌开裂严重，可采用面层加固和钢拱架进行加固；对于二次垮塌，应采用套拱加固、换拱加固以及注浆加管棚的方法进行处治。

5 结论

本文通过对隧道震害的分类，分析其影响因素，给出了隧道震害的评估方法。分析断层破碎带段隧道震害的特征和机理，给出了合理的抗减震措施：减震缝的最佳间距为10～12 m；减震层的最佳厚度为10 cm；加固区的最佳厚度为10 m；加固区距隧道结构的合理间距为2～5 m。震后修复应根据震害的评估方法，按阶段制定相应的震害修复措施，结合相应的修复技术。