公路交通体系中的抗震问题
2018-02-26中交第一公路工程局郭海阳
文/中交第一公路工程局 郭海阳
地震灾害会造成严重的人员伤亡和财产损失,公路交通体系造价高昂,同时承担震后救援的主要通道作用,是重要的生命线工程。保证公路交通在一定强度的地震作用下继续发挥作用,并在遭受高强震作用损坏后能够得到快速修复,必须在公路交通的选线、勘察、设计、施工和后期维护全周期考虑地震影响。
主要震害
国内外多次震后调查表明,公路结构物的结构类型直接关系到其所受地震影响的程度。分析公路交通体系的震害时,首先要对将公路交通体系按结构类型分类。本文按道路、桥梁和隧道分类,依次分析各结构类型的震害特点。
道路震害
道路主要由路基、路面、支挡结构和路基边坡等若干部分组成。地震对道路的破坏可以分为直接破坏和间接破坏。路基受地震直接破坏的影响,主要可分为震陷变形和滑塌变形两类。震陷变形是较为普遍的路基震害形式。滑塌变形仅发生在一侧有临空面的公路路基情况。在高烈度地震区,公路路基的震陷量可达到几十厘米,不同性质的土体在地震作用下,会产生不同程度的震陷变形。短距离内频繁的不均匀路基变形,会严重影响道路发挥正常功能。
土体与结构物的变形不协调,也会对公路正常使用产生影响。桥梁在地震作用下的沉降量,通常小于路基土体的震陷量,在交界处会引起路面显著的高度差。土体与支挡结构的相互脱离,会降低支挡结构所受被动土压力,造成支挡结构的滑移和倾覆破坏。支挡结构还会受到地震的间接破坏,地震动造成的山体滑坡会对支挡结构造成冲垮破坏,松动或有发育结构面的岩体发生崩塌,会破坏及砸毁道路支挡结构。路基边坡也会在高强度的地震作用下发生滑动破坏。
公路交通中道路部分的震害特点是范围广、震害点多。路面本身的震害较易修复,山体崩塌后的巨量土石方掩埋和道路整体垮塌是震后修复的难点。
公路桥梁震害
公路桥梁震害可以分为直接震害和间接震害。桥梁直接震害是指桥梁结构无法承担地震动的作用而发生的破坏。桥梁间接震害是指地震地质灾害引发岩土体移位对桥梁造成的损坏。对桥梁的震后调查表明,桥梁的震害与很多因素有关,包括桥梁结构类型、桥长河桥墩类型。具体表现为:弯斜桥比直线桥更易受破坏,长桥比短桥更易受破坏,圆形桥墩的桥梁破坏比矩形桥墩桥梁更易受破坏。
桥梁的直接震害主要有全桥垮塌、落梁、桥梁支座位移、桥墩破坏、主梁移位等。间接震害主要有山体垮塌和边坡滑坡造成岩土体移位对桥梁结构的损害,泥石流和河流对桥梁的冲毁等,此类破坏在山区地震中表现更为明显。桥梁震害修复难度较大,一些严重的震害几乎无法修复继续使用,是整个公路震害的关键点。
公路隧道震害
公路隧道震害可按震害发生的部位划分,主要分为洞外结构震害、隧道拱部震害和隧道底部震害。洞外结构震害有洞口岩土体滑落堵塞洞口、洞口护坡开裂等。隧道拱部震害主要有隧道垮塌、结构缝开裂和衬砌错台等。隧道底部震害有路面开裂、仰拱隆起等。经验表明,相对于地上结构,地下结构受到的地震影响偏小。历次破坏性的大地震中,地下结构很少发生严重的塌落,隧道的主体结构也很少遭受破坏。
地震破坏的程度与评价
地震发生后,公路交通体系中,部分结构没有遭受破坏,部分结构遭受了破坏。在遭受了破坏的结构中,又存在破坏程度的区分:部分结构修复后可以继续使用,部分结构则需要重新设计建造。在对公路交通体系进行的震后调查中,评估公路结构物的破坏程度可以准确把握地震损失,指导后续修复工作,对高效、经济地恢复公路交通体系的功能有重要作用。
历次破坏性的大地震中,隧道地下结构很少发生严重的塌落,隧道的主体结构也很少遭受破坏。
公路结构地震破坏程度的评价标准有两个方面:定性和定量。定性的评价主要考虑结构物整体的破坏程度、车辆行驶受影响程度和修复的难易程度,与地震烈度的概念相对应。定量的评价需要测量可以量化的指标,比如裂缝的宽度和长度、位错的大小和沉降量等,与地震震动大小的概念相对应。
结构物损坏程度判断需要结合定性评价和定量评价,我国在汶川地震后发布的国家标准《生命线工程地震破坏等级划分》中就是采用的这种方法。对道路划分了五个破坏等级,各个等级的标准以定性描述为主,结合了定量描述。比如,地震破坏等级为Ⅱ级的道路路肩、挡土墙、垒面、路堑有细裂缝,路面轻微下陷或隆起,出现细裂缝或小于15cm的下沉,造成一定的行车障碍,但仍可通行。
震害的预测与防治
公路交通体系震害的灾前预测
预测模型主要基于发生在我国数次较大地震的震害统计分析。调查与公路震害相关的因素,通过关联各因素与已有震害,确定各因素和公路震害的联系,建立公路震害预测模型,实现对公路交通体系各组成部分在特定地震条件下的震害预测。预测结果可以为高地震风险区的公路交通工程抗震,提供加固依据。
公路交通体系的震害防治
公路交通体系震害防治方法有两部分含义:一是在公路的选线、勘察、设计和施工阶段,将地震看做重要的破坏因素;二是在地震对公路交通造成破坏后,恢复公路交通的正常功能。
厘清线路范围内的断层情况,公路路线应尽可能规避活动断层,如果无法避免,公路线路应以最大角度穿过断层。扩大勘察范围,调查线路较广范围内的地质条件,远离不良地质发育的地区。提高关键节点结构的抗震设防等级,数次大震的震后调查表明,实际发生的地震烈度远远高于规范中规定的抗震设防烈度。这其中有地区地质条件的影响,但也应当引起其他地区公路项目的重视。
震后迅速打通公路交通线,对于挽救生命和地震灾区恢复有重要作用,所以对公路交通震害的修复应有两方面的考量:一是对应于救灾人员的进入和受伤人员的转出;二是基于长久的抗震目标。第二点和公路最初勘察设计阶段的目标差别不大,但是要特别注意因地震造成的地质条件恶化。震后72小时为救援的黄金时间,快速打通灾区公路交通的意义不言而喻,也是公路作为生命线工程的最重要内含。这个阶段的公路修复宜采用临时性的措施使道路迅速通车,比如对于路基的坍塌和沉陷,可以就地取材进行填埋处理;对于边坡的破坏,可以采用临时支护措施。
历次强震灾害表明,公路交通体系对于震后救灾的快速有效展开有着极其重要的作用,震后灾区生产生活恢复在很大程度上依赖于公路交通体系的正常运转,应在勘察设计阶段重视地震对公路交通的影响,且应对强震作用下公路可能发生的震害有清晰认识。