汶川地震后10年公路明(棚)洞病害及处治工程的启示

袁 松, 郑国强, 张 生, 黎良仆

(四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610017)

0 引言

我国西部地区地形地质条件极其复杂，山高坡陡，地震频发，加之极端气候频现，山体滑坡、高位崩塌落石等次生地质灾害频繁，对公路的安全运营造成了巨大威胁。“5·12”汶川地震以后，应对高位崩塌的技术对策引起高度重视，在原位恢复重建中，因明洞、棚洞本身具有较强的防护能力，被认为是最为有效的解决方案。因此，在四川山区公路灾后重建中修建了大量明(棚)洞结构，为保障公路安全运营发挥了巨大的作用。

近年来，众多学者在明(棚)洞结构及其相关领域做了大量工作。四川省交通运输厅2011年立项《山区公路防灾减灾钢棚洞设计建造技术研究》、2013年立项《公路棚洞提高抗落石冲击能力关键技术应用性研究》、2018年立项《装配式钢箱棚洞的研究与开发》，对钢棚洞、混凝土棚洞、装配式钢棚洞进行了系列研究，通过原型试验与数值模拟相结合的方法得到了棚洞抗冲击性能的变化规律； 文献[1-2]采用模型试验对拱形棚洞、框架型棚洞抵抗落石冲击的力学性能进行了研究； 文献[3]通过数值模拟对5种不同结构类型的棚洞进行了抗落石冲击的对比研究； 文献[4-5]利用动力有限元模拟了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料换填回填土层，研究了明洞结构的受力及缓冲性能； 文献[6]对山区公路大跨异型棚洞结构进行了系统研究； 文献[7-8]主要是对隧道病害进行研究； 文献[9-12]主要集中于对明(棚)洞结构承载能力的研究； 文献[13-15]主要集中于对明(棚)洞抗落石冲击能力的研究。以上文献缺乏对明(棚)洞病害形态、特征的现场普查及系统研究。明(棚)洞主要应对的崩塌落石等次生灾害具有很大的不确定性，因此了解和掌握明(棚)洞的病害形态，分析病害产生的原因，对正确采取对策具有重要意义。本文通过对“5·12”汶川地震后建设的40余座明(棚)洞10余年间经历地震、暴雨后产生病害的跟踪调查，初步统计病害情况，系统性地描述各种病害类型，分析病害产生的原因，简述并评价修复措施及效果，得出防灾减灾明(棚)洞建设的教训及启示。

1 公路明(棚)洞病害形式及概况

1.1 明(棚)洞病害形式

明(棚)洞主要是为了防御高位崩塌落石、泥石流等边坡问题而设置，其长度及洞口位置的选择受主观因素影响较多，但往往地质条件都比较差，多为严重风化的岩体，且覆盖层较薄，其病害主要体现在洞口、上下边坡及结构3个部位。

1.2 明(棚)洞病害概况

通过对G213映汶路、G213川汶路、G317汶马路、G245乌甘路、S209龙三路、S463亚三路6条公路上40余座“5·12”汶川地震后建成的钢筋混凝土明(棚)洞在经历2013年“4·20”芦山地震、2017年“8·8”九寨沟地震、连续余震以及众多暴雨等灾害以后的跟踪调查，获得了第一手的公路明(棚)洞病害及破坏资料。各种病害分布及所占比例如图1所示。表1列出了明(棚)洞病害的主要形式，推断了造成各种病害的原因，并给出了建议处理措施，以供明(棚)洞病害整治参考。各明(棚)洞的基本情况及发生过的主要病害情况见表2。

图1 各类病害分布图

图1、表2中所列病害是有记录的较严重的病害，其他小型病害如零星落石、细微裂缝等不计其数，未纳入统计中。从统计结果来看：

1)洞口或开孔被掩埋所占比例超过50%，是最主要的病害类型，充分体现了设置明(棚)洞的必要性。

2)结构开裂、结构破坏均属于结构受损，是对明(棚)洞运营安全有重要影响的类型，二者以受损程度进行区分，共同占比约22%。

3)下边坡失稳发生的概率最低，不足10%。

表1 明(棚)洞病害类型及建议处理措施

表2 明(棚)洞基本情况及病害统计

2 明(棚)洞高危病害案例分析及建议

明(棚)洞各类病害中，以洞口或开孔被掩埋、下边坡失稳、结构破坏对公路交通与明(棚)洞本身的影响最大，是需要重点关注的3种类型。下面通过具体案例对各类病害进行分析，并提出相应建议。

2.1 七星关明洞洞口被掩埋分析

2.1.1 病害情况

G213川汶路南新镇白岩子路段在汶川地震灾后重建时，为防治高位崩塌建设了100 m长的七星关明洞，2011年初基本竣工，汶川地震时该段边坡崩塌体堆积的现场情况如图2所示。2015年9月30日下午4时许，茂县南新镇白岩子边坡发生大规模高位崩塌，导致七星关明洞汶川端洞口落石、飞石严重；川主寺端

洞口及多处开孔被埋，同时垮塌的堆积体还将路基段掩埋约100 m长，导致G213公路中断，垮塌后的边坡全景如图3所示。

图2 汶川地震未修筑七星关明洞时的崩塌体

Fig. 2 Collapse in Wenchuan Earthquake when Qixingguan Opencut Tunnel had not been built

图3 七星关明洞内侧边坡概貌及工程地质分区

2.1.2 病害机制简析

2008年“5·12”汶川地震时仅A区发生了较大规模的崩塌(见图2)，因此七星关明洞最初的长度仅设置了100 m以防治A区的崩塌。

汶川地震后，上万次余震、特大山洪泥石流、“4·20”芦山地震等灾害的不断影响下，原本破碎且风化严重的山体崩塌范围逐步扩大，最终导致A、B、C区发生大规模崩塌，D区受到崩塌的影响出现松动迹象(见图3)。

2.1.3 处理措施及效果

通过对各个边坡区域危害程度的分析，最终采取在A区左侧接长50 m明洞，B、C区接长150 m明洞，D区进行坡面防护的工程措施。

该处理措施能彻底解决A、B、C区再次发生高位崩塌的威胁。D区坡面防护在2016年初实施完成以后，经受住了2017年“8·8”九寨沟地震及特大暴雨的考验，但还需对其坡面稳定性随时进行监测，保障公路行车安全。

2.2 麻柳湾明洞下边坡失稳分析

2.2.1 病害情况

G213映汶路麻柳湾段位于岷江左岸，地形陡峻，内侧基岩裸露。2008年“5·12”汶川地震诱发麻柳湾路段内侧高位崩塌，崩积体侵占了约1/6的岷江河道，阻断交通，后期发展为坡面泥石流； 同时，麻柳湾对岸关山沟发生更大规模泥石流，其堆积扇侵占了约2/3的岷江河道，致使麻柳湾路段路基下边坡成为顶冲岸。2009年6月，防御麻柳湾坡面泥石流及崩塌体的麻柳湾明洞竣工，但为满足汶川地震周年纪念时映汶路全线贯通的要求，未及时实施侧墙下的桩基；2010年岷江爆发“8·13”特大山洪泥石流，明洞侧墙与拱形衬砌处出现2～3 cm竖向贯通裂缝，侧墙有倾覆迹象，路基下边坡冲刷严重。麻柳湾明洞下边坡从明洞施工前到防冲墙建成以后的整个演变过程如图4所示。

(a) 明洞施工前外侧较宽(2008-11)

(b) 无防冲墙下边坡冲刷严重(2010-08)

(c) 设防冲墙后下边坡基本稳定(2011-07)

图4麻柳湾明洞下边坡冲刷演化过程

Fig. 4 Erosion evolution process of lower slope of Maliuwan Opencut Tunnel

2.2.2 病害机制简析

1)麻柳湾明洞外侧为汶川地震崩塌堆积体，结构松散，侧墙置于堆积体上而明洞结构内侧大部置于原老路路基上，侧墙与明洞发生不均匀沉降。

2)明洞建设时未及时按设计实施侧墙下的桩基，不能有效控制明洞侧墙发生变形。

3)“8·13”特大山洪泥石流来势凶猛，麻柳湾明洞对岸关山沟也爆发大型泥石流，河道被严重压缩，麻柳湾明洞路基下边坡为顶冲岸，下边坡冲刷严重。

2.2.3 处理措施及效果

通过病害机制分析，控制沉降、防治冲刷为明洞下边坡病害整治方案设计的要点。麻柳湾明洞对应下边坡采用8 m高重力式防冲墙(埋入河床以下4 m)，防冲墙上部设15 m高实体护坡，并设置12 m锚筋加固下边坡。

在2011年初完成以上方案施工以后，麻柳湾明洞下边坡经受住了多次山洪泥石流的考验，至今未出现冲刷及失稳的情况，保证了明洞的安全稳定。

2.3 大岐棚洞结构破坏分析

2.3.1 病害情况

大岐滑坡为G317汶马路内边坡之上的高势能滑坡，滑体体积约200万m3，滑坡前缘垮塌和飞石严重威胁着车辆和行人的安全。2002年遵循不直接对滑坡体进行整治，采用棚洞临时防护方案拦截坡面飞石，保证公路的正常运营的原则，修建了大岐棚洞。该棚洞顶部为独立简支横向主梁及纵向板的结构形式。

2008年“5·12”汶川地震时大岐棚洞未受损，但其前后路段因有落石飞石威胁，在灾后重建中进行了加长棚洞处理；2012年、2016年棚洞2次被高位飞石砸中，冲击能量巨大，均发生3～4片主梁及外侧排架严重破坏的病害，2012年棚洞破坏情况如图5所示； 2017年棚洞再次被飞石砸中，发生纵向板破损及排架纵梁开裂的结构损伤。

(a) 飞石砸坏顶梁时的破坏

(b) 修复时挖除破损结构

(c) 修复加固完成以后的情况

图5大岐棚洞结构2012年被砸坏及修复的情况

Fig. 5 Structural damage and repairing situation of Daqi Opencut Tunnels

2.3.2 病害机制简析

1)大岐滑坡本身为高位高势能滑坡，边坡顶部有较多的松散堆积体，具备产生高冲击能量飞石及高位崩塌的条件。

2)2002年初次整治时受经济条件所制约，大岐棚洞原设计的定位仅为临时防护方案，其防护能力有限，不能抵抗过高的冲击能量； 同时，未对滑坡进行直接整治，不能消除产生高能冲击的原始条件。

3)尽管大岐棚洞建成近10年未发生大型破坏，但其威胁仍然存在，在经历汶川地震及余震、多次暴雨冲刷等灾害以后，边坡上部松散堆积体出现进一步松动迹象，接连发生落石飞石等灾害。

2.3.3 处理措施及效果

由于落石飞石冲击具有很大的不确定性，因此采用全面加固处理的方式不合理，最终拟定对砸坏的顶梁以及纵向排架均采用拆除重建的方式原位恢复，在不降低公路通行能力的情况下，尽量提高防护能力。具体措施为将原有的独立简支梁+纵向板的顶部结构调整为现浇整体T梁顶板结构，外侧排架纵梁中间增设支顶结构，可以有效提高结构整体性及抗冲击能力。

原位重建以后，相同位置至今未发生再次破坏。但这并不意味着结构一定安全，仍然有被高能冲击破坏的风险。

3 结论与建议

根据对汶川地震震后10年明(棚)洞病害的跟踪调查与分析，得出对于防灾减灾明(棚)洞应总结经验和教训，建议从选址、设计到施工做好以下工作：

1)做好明(棚)洞选址及调查工作。用发展变化的眼光看待边坡地质病害，综合区域地质情况、岩体层面结构、风化程度等因素，科学确定明(棚)洞设置位置及防护长度。

2)合理估算冲击荷载，选择合适的明(棚)洞结构。借助无人机摄影等先进技术手段，基本掌握上边坡危岩发育情况，估算出合理的冲击荷载，指导结构选型。

3)设置可靠的防冲结构，确保路基下边坡稳定。充分考虑山区河流冲刷严重的特点，结合河流形态、水电站设置情况等影响因素，确定冲刷深度。

4)加强明(棚)洞结构抗冲击能力研究，科学设置经济、有效的回填缓冲层，提高结构安全冗余度；同时明(棚)洞设计可考虑易拆换结构，在其受到严重破坏时便于快速修复。

5)重视施工期间的安全防护，确保施工质量。

以上建议主要基于跟踪调查结果提出，未深入分析崩塌落石对明(棚)洞的冲击力学问题，今后可在冲击荷载估算、结构抗冲击能力提高等方面进一步探讨与研究。