青海门源M6.9地震典型隧道破坏特征分析与启示

张 威,李 明,姬云平,李国良,赵录学,李守刚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,甘肃 兰州 730000)

0 引言

普遍认为隧道结构具有良好的抗震性能,地震对隧道结构的破坏也较为轻微。1995年日本阪神地震及1999年台湾省集集地震对地下结构造成严重破坏,逐步改变了人们对地下结构耐震性的认识。2008年“5.12”汶川地震对震区公路隧道造成了严重的坡坏,跨活动断层段的隧道震害尤为显著。现有关活断层错动造成隧道破坏的研究多利用模型试验、数值仿真等方法对跨断层隧道近似模拟分析,往往无法全面考虑围岩内部节理、裂隙及区域构造特征,以致相关研究有待进一步完善[1];以调查为基础的研究,多分析区域内隧道的宏观震害现象[2-3],未对活动断层错动造成线位偏移现象、断层破坏影响范围、典型震害特征规律等进行深入研究;此外,左旋走滑逆断层错动造成隧道严重破坏的案例,目前未见相关报道。

本文以2022年青海门源6.9级地震震害严重的兰新高铁大梁隧道为典型案例,通过现场调查,研究并总结左旋走滑逆断层造成的隧道震害特征,从中得到启发性认识,以期为同类工程研究、设计及建造提供借鉴。

1 地震概况

2022年1月8日1时45分青海省门源县发生M6.9地震,震源深度10 km。发震断裂为青藏高原北东缘祁连—海原断裂中西段的冷龙岭断裂(F5),该断裂具左旋走滑性质。震中位于F5断层南侧约3～4 km,距兰新高铁大梁隧道最近距离约4.5 km。震中、断层及铁路位置关系如图1所示。

震后地表形成一条横穿大梁隧道出口仰坡山体的主裂缝,裂缝近东西向延伸,长约21.5 km,最大位错量约3.1 m。地震造成G227国道、引磺济金输水隧洞、兰新高铁大梁隧道等工程发生严重破坏(图2),其中G227国道路面开裂宽度达10 cm,引磺济金输水隧洞局部段落整体垮塌,兰新高铁大梁隧道跨活动断层段线位严重偏移、边墙挤出错断、二衬压溃,道床隆起,排水系统淤塞,电力、通信设备破坏[4]。

图2 地震诱发典型震害Fig.2 Typical seismic damages induced by earthquake

中国地震局于1月11日发布了《青海门源6.9级地震烈度图》[5],根据最新烈度变化范围,兰新高铁大梁隧道K1965+525.24～K1967+418调整为8度区,K1967+418至K1972+093.06调整为9度区。

2 隧道概况

2.1 设计概况

大梁隧道地处青海省海北州门源县,隧址位于祁连山中高山区,最高海拔约4 430 m,隧道最大埋深约800 m,起迄里程为K1965+525.24～K1972+093.06,全长6 567.82 m,采用双线断面,线间距5 m。隧道于线路左侧K1968+584处设一座永久斜井,长1 070 m,隧道进口段、洞身、出口段分别设置三处泄水洞及三处临时辅助施工平导[6]。详见大梁隧道平面示意图3。

图3 大梁隧道平面示意图Fig.3 Plane of Daliang tunnel

2.2 地质概况

隧道洞身地层岩性主要为奥陶系中统灰岩夹板岩、板岩夹砂岩,断层破碎带主要为碎裂岩,两端洞口主要为第四系坡积粉土、细角砾土、卵石土、碎石土等。

隧道穿越北祁连褶皱带,由于受强新构造运动影响,该区发生多次构造变形,地质构造复杂,断裂及褶皱发育。工程区发育1条断层,1个向斜。

(1) 断层

F5断层为左旋走滑逆断层,总体走向N60°W～EW,产状N60°～80°W/50°～70°S,在大梁隧道出口段通过。门源6.9级地震后,根据地表裂缝和洞内破坏程度,判定F5断层在线路里程K1971+400～K1971+680段通过,宽约280 m,倾角50°～70°S,与线路平面夹角70°,为第四系全新世活动断裂(图4)。断层上盘地层为奥陶系结晶灰岩夹条带状板岩,下盘为二叠系浅白色、灰白色砂岩,该断层形成于加里东期,燕山期复活,破碎带内以断层角砾为主。

图4 地表主裂缝、断层及隧道位置关系图Fig.4 Positional relationship of main surface cracks,fault,and tunnel

(2) 褶皱

洞身发育有五牛河脑—托拉沟上游向斜,北西西向缓波状分布于冷龙岭南坡,五牛河脑—老虎沟脑—托拉沟上游一带。断裂切割其南北两侧,构造形态不完整,两翼不对称,表现为北陡、南缓,倾角一般分别约70°～75°,50°～65°,核部岩性主要为灰岩夹板岩。该褶皱为一紧密线性褶皱,轴脊线波状起伏,轴面略北东倾,总体呈西端扬起之势。

3 隧道震害调查

3.1 正洞震害情况

根据现场调查,K1971+341～K1971+691段隧道震害表现严重,隧道出口K1971+691～K1972+093及洞身K1970+695～K1971+341段震害表现较严重,其余地段震害总体轻微,各段落震害特征具体如下:

(1) K1971+341～K1971+691段隧道线位严重错动,水平最大偏移量约1.78 m,最大抬升高度约0.68 m;道床隆起严重,最大隆起高度约0.7 m,钢轨呈蛇形扭曲或悬空,扣件崩落,轨道板整体侧掀破坏;两侧水沟盖板挤压上鼓,水沟侧壁倾斜,局部压碎,部分段落衬砌拱部连续压溃碎裂。断层上盘边界错断处衬砌边墙挤出破坏,其中右边墙内挤最大位错约1.8 m,左边墙内挤最大位错约1.5 m,钢筋扭曲变形,防水板撕裂外露,接触网吊柱倾垂欲落,左旋走滑特点显著(图5),断层下盘及其它位置未发生明显挤出破坏。

图5 震害严重段现场调查照片Fig.5 Site investigation photos of severely damaged section

(2) K1970+695～K1971+341、K1971+691～K1972+093段震害主要为衬砌错台,局部剥落掉块,拱部及边墙环向、纵向或斜向不连续开裂,个别位置渗水,仰拱填充层多段纵向连续开裂,部分附属洞室内墙开裂(图6)。

图6 震害较严重段现场调查照片Fig.6 Site investigation photos of relatively serious damaged section

以上震害中错台1处,宽约10 cm,为左边墙受挤压作用形成;严重剥落掉块10处,每处长1.5～10 m不等,掉块面积0.5～15 m2不等,外露钢筋弯曲变形,总体表现为拱部与左边墙受损相对严重;其余典型震害为裂缝,衬砌裂缝多沿环向分布,裂缝宽度多小于3 mm,每处裂缝一般少于3条。

震害较严重段明显受断层左旋挤压作用影响,但影响程度显著弱于断层破碎带。

3.2 泄水洞震害情况

根据现场调查,进口泄水洞及高位泄水洞结构基本完好,无明显震损,洞内排水顺畅。出口泄水洞靠近断层,震害突出,主要表现为结构压溃、掉块,边墙内挤错台,拱部及边墙大段落分布有纵向、斜向长裂缝,最大宽约12 mm。挤压严重地段,底板最大隆起高度可达1.6 m,拱部大面积压溃塌落,导致洞内严重堵塞(图7)

图7 泄水洞震害现场调查照片Fig.7 Site investigation photos of seismic damage of drain cavern

3.3 辅助坑道震害情况

(1) 平导

平导震害主要集中在隧道出口靠近F5断层段,具体表现为剥落掉块、错台、钢架扭曲变形、局部塌方等(图8)。

图8 平导震害现场调查照片Fig.8 Site investigation photos of seismic damage of parallel adit

(2) 斜井

斜井震害主要表现为:喷锚衬砌局部剥落掉块,底板严重隆起开裂,最大隆起高度约50 cm(图9)。

图9 斜井震害现场调查照片Fig.9 Site investigation photos of seismic damage of inclined shaft

4 隧道震害特征统计与分析

本次大梁隧道震害主要集中在斜井至出口K1968+395～K1972+093段,主要震害类型为线位错动、剥落掉块、挤压裂缝、道床隆起等,现针对此段震害统计分析如下:

4.1 线位错动

由图10(a)所示的现场对CPIII点位实测偏移曲线可看出,隧道线位从进口至K1971+500附近,逐步向右水平偏移,偏移量为0.22～1.78 m,从K1971+500至隧道出口,CPIII点位水平位移方向发生反转,开始由右向左偏移,偏移量为0.62～1.10 m。

隧道内CPIII点位高程由进口至错断处逐步抬升,最大抬升高度约0.68 m,之后向出口方向逐步回落,并呈下沉之势,隧道出口震后高程比原设计高程低约0.22 m。

4.2 剥落掉块

由图10(b)～(d)可知,剥落掉块主要位于F5活断层范围内,集中在K1971+341～K1971+691(350 m)段,剥落掉块面积约352.58 m2,占全部剥落掉块面积的66.06%,其中拱部占总面积比最大,约32.19%,左边墙次之,约9.61%,其余部位总体相差不大。具体表现形式为拱部纵向大面积连续压溃掉块,并引起斜向或网状压溃裂缝,上盘边界错断处衬砌内挤垮塌,施工缝两侧挤压掉块尤为严重。

断层下盘向大里程K1971+691～K1972+093(402 m)段,剥落掉块面积约2.84 m2,占全部剥落掉块面积的0.53%,其中拱部、左边墙、右边墙占总剥落掉块面积比分别约0.44%、0.06%、0.04%,其余部位无剥落掉块,具体表现形式为剥落掉块多沿施工缝两侧零星分布。

断层上盘向小里程K1970+695～K1971+341(646 m)段,剥落掉块面积约159.05 m2,占全部剥落掉块面积的29.80%,其中拱部、左边墙占比较大,分别为7.78%、7.68%,左拱腰占比最小,约3.37%,其余部位无大面积、长段落连续压溃掉块现象,个别严重受损衬砌由于受断层左旋挤压及上盘向上错动作用,形成错台或出现剥落掉块。

K1968+395～K1970+695(2 300 m)段,剥落掉块面积约19.25 m2,占全部剥落掉块面积的3.61%,多沿施工缝两侧分布。

4.3 挤压裂缝

由图10(e)～(g)可知:

(1) 裂缝纵向分布特征:F5活断层范围内裂缝大量集中,为压溃致裂型裂缝,断层两侧裂缝随距离逐步减少。

(2) 裂缝走向特征:断层范围内裂缝多呈斜向或不规则网状分布,其他段落裂缝多呈环向分布。

(3) 裂缝环向分布特征:总体边墙裂缝多于拱部裂缝。

4.4 道床隆起开裂

由图10(h)可知,K1971+385～K1971+700道床相对隆起量显著,最大可达695 mm,发生在断层错断附近,震害表现为道床隆起侧掀,并被切割为块状,钢轨呈波浪状严重扭曲变形,仰拱填充等无筋结构与主体结构剥离脱空达10～20 cm,损毁严重。其他段落道床相对隆起量较小,但道床基础素混凝土大段落分布有纵、横向或斜向裂缝,表面受弯拉作用明显。

图10 震后调查统计图Fig.10 Post-earthquake survey statistics

根据上述震害统计特征分析可得,大梁隧道出现严重震害主要是由F5断层错动引起,该断层在地震作用下上盘抬升,下盘相对下降,错动过程具有一定左旋走滑特征,具体表现为断层南面的上盘向东北抬升,断层北面的下盘向西南下降,进而带动断层南侧的线位东偏,断层北侧的线位西偏,越靠近断层带偏移量越大,如图11所示[4,7],造成隧道在断层上盘边界附近线位严重偏移后呈“S”形偏转,结构边墙内挤错断,衬砌大面积压溃掉块以及大段落挤压开裂,道床严重隆起等震害。

图11 大梁隧道线位与断层错动关系示意图Fig.11 Relationship between line position and fault dislocation of Daliang tunnel

由于现有研究尚不能全面反映强震作用下左旋走滑逆断层破坏特征[8-9],针对性修复措施[10-18]仍需进一步完善,后续复旧中可从重视断层边界破坏放大效应、预留合理线位拟合空间、节段采用“初期支护+二衬双节段”、素混凝土结构增设防裂纤维等方面进行综合处治。

5 结论与启示

本文针对青海门源6.9级地震中震害严重的兰新高铁大梁隧道,通过现场调查分析,研究了高烈度区穿左旋走滑逆断层隧道的震害特征,得出以下结论及启示:

(1) 具有左旋走滑性质的逆断层发生位错时,可引起线路平纵线形发生大范围左右偏移或上下波动,造成线路拟合顺接困难,以致须降低高铁标准或拆除部分隧道,因此,今后类似新建工程,以隧道形式穿越活动断层时,线路布线应考虑预留适当的平、纵线形拟合空间,以备线位偏移时能在较短路径内拟合顺接,快速实现铁路抢修保通目标。

(2) 隧道穿越的F5活断层为具有左旋走滑性质的逆断层,隧道受破坏严重段约350 m,震害主要表现为拱部纵向大面积连续压溃掉块,裂缝以斜向为主,上盘错断处衬砌边墙整体挤出;受破坏较严重段分别位于严重段大里程侧402 m和小里程侧646 m范围内,震害表现为衬砌剥落掉块零星分布,个别严重位置边墙内挤形成错台或出现掉块,裂缝多沿隧道环向分布,且边墙裂缝较为突出;其余段落震害总体轻微。

(3) 强震作用下,施工缝为衬砌震害发生的薄弱部位,严重挤压掉块多沿施工缝两侧分布;同时,仰拱及填充层易发生开裂、隆起、剥离脱空,造成道床破坏,后续修复中采用“初期支护+二衬双节段”的设计具有一定实践价值。

(4) 应重视高烈度过断层区防灾救援工程及泄水洞工程的抗震设防措施(如采用钢筋混凝土模筑衬砌、设置一定曲率的仰拱等),以避免强震作用下防灾救援工程坍塌,影响抢修,或引起泄水洞堵塞,造成正洞水路不通,道床涌水,浸泡基础,造成正洞结构二次损伤。

(5) 强震可在活动断层边界造成灾难性后果,而活动断层的边界具有一定隐蔽性,因此,勘察中联合多种勘探手段,多举并措,准确探明活动断层的边界具有重要意义。此外,以往研究和设计中多强化断层破碎带的抗震措施,忽视了断层边界错动造成的严重后果,因此对活动断层边界错动引起的破坏放大效应深入研究,并在设计时予以区别对待。

(6) 运营期宜加强隧道监测,在断裂带附近设置相应的结构健康监测系统,监测围岩和衬砌结构的变形及受力情况,发现异常,及时采取应急措施,确保行车安全。