公路隧道震害特征分析

段晓彬，何 俊，何佳银，荀其训,王旭华,赵文垣

(1.云南省交通规划设计研究院有限公司，云南昆明 650041；2.中铁十四局集团第三工程有限公司，山东济南 250399；3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；4.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

1 公路隧道震害

我国的公路隧道大量修建于20世纪90年代以后，对于公路隧道抗震及减震技术的研究工作还进行得很少，公路隧道抗震及减震技术还缺乏系统性。“5·12”汶川大地震对我国公路隧道进行了一次实实在在的检验，在这次地震中首次出现了公路隧道受到严重破坏的情况(图1)[1-5]，因此，有必要对公路隧道的抗震及减震技术进行系统性研究。

图1 汶川地震灾害

高烈度地震区交通运输通道在强震条件下保证畅通是必须考虑的关键问题，特别对于云贵川等地区，高山、峡谷纵横，交通运输通道稀少、脆弱，保证强震条件下交通运输通道畅通尤为重要，因此，本次研究以汶川“5·12”大地震公路隧道震害特征作为基础，以云南省新建项目杨林隧道为依托，开展高地震烈度区扁平大跨特长公路隧道抗减震技术研究。

杨林隧道是昆明绕城高速东南段的一座隧道，见图2。杨林隧道为分离式三车道隧道，长约9.4 km。隧道最大纵坡为2.899 %，隧道最大埋深约为448 m。

图2 杨林隧道所在位置

本隧道主洞采用三心圆曲墙式断面，内轮廓净宽度15.266 m、净高度7.75 m，属于典型的扁平大跨隧道。项目区域的地震动峰值加速度大于等于0.4g，属于高地震烈度区。杨林隧道穿越的断层主要有火头村-大东山断层(f1)、草子坡-落水洞断层(f2)、渣子田—霞连寺平移断层(f3)，其中f1和f2为活动断层，滑动速率约0.5 mm/a，见图3。

图3 杨林隧道穿越断层破碎带

此外杨林隧道为解决特长隧道通风、空气净化与防灾人员疏散等问题做了大量的工作，杨林隧道采用了较为先进的通风除尘装置以及设计较为完善的疏散救援方案。然而通风设备的安置点与多种形式的疏散路径导致杨林隧道主洞与附属结构交叉的形式复杂，多洞平行交叉的问题凸显。

基于“5·12”汶川地震的大量隧道震害特征调查，结合杨林隧道地震烈度高、隧道跨度大、活动断裂多以及多洞平行交叉等特点，为开展高地震烈度扁平大跨特长公路隧道抗减震技术研究提供依据，并提出主要研究方向。

2 公路隧道震害调查

“5·12”汶川地震后对四川、甘肃、陕西三省重、极重灾区国省干线及典型县乡道路公路隧道，共计18条线路56座隧道进行了震害调查、统计和特征分析工作。

2.1 震害调查方法

(1)洞口区域检测。采用目测、摄影及测量等手段对洞口区域进行检测。

(2)隧道掉块坍塌(坍方)情况调查。采用目测、摄影及测量等手段对隧道内掉块、坍塌情况进行调查，查明掉块、坍塌规模及影响范围。

(3)衬砌强度检测。采用超声-回弹法对隧道二次衬砌进行强度检测。超声波法采用超声波穿透混凝土内部，通过波速的变化来测定混凝土完整度；超声-回弹综合法则综合回弹法和超声波法的优点，使检测结果更为准确可靠。检测时测区布置：一般地段沿隧道纵向每50 m/测区，病害明显地段视病害轻重情况加密测区。

(4)衬砌、路面(仰拱)结构裂缝及渗漏水调查。

采用目测、摄影及测量手段详细调查隧道衬砌结构裂缝及渗漏水情况，准确绘制在裂缝及渗漏情况平面展示图。结合隧道结构背后缺陷情况分析病害产生的原因，评价隧道整体结构的稳定性和可靠度。

2.2 隧道结构及震害分类

2.2.1 隧道结构

隧道结构分为断层破碎带段隧道结构、洞口结构以及普通段隧道结构。洞口结构包括洞外结构(边仰坡、洞门及明洞结构)和洞口段衬砌结构(图4)。

图4 隧道结构分类

2.2.2 隧道震害分类

通过震区现场调查，公路隧道震害可分为14种类型。

2.2.2.1 隧道拱部震害类型

拱部衬砌结构震害类型：A衬砌开裂(裂缝清晰，有一定走向)；B衬砌开裂(不能确定裂缝方向，呈片状或网状)；C混凝土剥落；D衬砌错台；E混凝土掉块；F二次衬砌垮塌；G隧道垮塌；I施工缝开裂；J衬砌渗水(图5)。

2.2.2.2 隧道底部震害类型

隧道底部震害类型：K路面开裂(裂缝清晰，有一定走向)；L路面开裂(不能确定裂缝方向，呈片状或网状)；M仰拱错台；N仰拱隆起；P路面渗水(图6)。

图6 隧道底部震害类型

根据现场隧道震害情况及灾后重建三阶段的需要，对隧道衬砌震害程度分为5级(表1、表2)

表1 隧道衬砌震害程度

表2 钢筋混凝土衬砌段震害评估分级

3 隧道震害特征统计与分析

3.1 断层破碎带段隧道结构震害统计与分析

断层破碎带段隧道结构震害以二次衬砌垮塌为主，占到了29.5 %；衬砌开裂(裂缝清晰，有一定走向)和隧道垮塌次之，分别占到了20.64 %和17.07 %；综合隧道震害长度为1 506 m，占统计长度的87.51 %(图7)。

图7 断层破碎带段隧道结构震害综合统计

综上，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。

3.2 洞口结构震害统计与分析

洞口浅埋段震害统计与分析见图8、图9。

图8 洞口浅埋段震害统计

图9 洞口过渡段震害统计

洞口过渡段震害以衬砌开裂(裂缝清晰，有一定走向)为主，占43.13 %；路面开裂(裂缝清晰，有一定走向)次之，占到了31.54 %；出现了二次衬砌垮塌震害，占3.32 %。综合隧道震害长度为881 m，占统计长度的79.16 %。洞口过渡段出现了二次衬砌垮塌，这主要与围岩存在软硬交界面，同时由于处于隧道深埋段。

4 汶川地震公路隧道震害特征

4.1 隧道洞口震害特征

(1)按7度设防的隧道洞口段衬砌在地震烈度为8度及8度以下时震害较轻(少数隧道出现轻微裂缝)，未出现二衬垮塌、隧道垮塌等严重震害；在地震烈度为9～10度时，出现了二衬垮塌严重的震害类型，但未出现隧道垮塌；在地震烈度为11度时，出现了隧道垮塌最为严重的震害类型。

(2)软岩隧道洞口浅埋段由于考虑了抗震设防，未出现二次衬砌垮塌这样严重的震害类型；软岩隧道洞口过渡段出现了二次衬砌垮塌严重的震害类型(龙溪隧道和酒家垭隧道)。

4.2 断层破碎带段隧道震害特征

(1)滑动断层隧道：出现了二衬垮塌、围岩垮塌等严重的震害类型。

(2)非滑动断层隧道：出现了二衬垮塌等震害类型，但破坏程度与出现频率低于滑动断层。

5 结论与展望

5.1 结论

通过对“5·12”汶川地震后川、甘、陕三省重、极重灾区国省干线及典型县乡道路公路隧道，共计18条线路56座隧道进行了震害调查、统计和特征分析，得出如下结论：

(1)随着地震烈度的增加，隧道破坏得越严重。

(2)断层破碎带的主要震害特征是二衬垮塌、围岩垮塌等，断层错动引起的强制位移是断层震害的主要原因，此外围岩条件软弱、断层带宽度及二次衬砌刚度不足也会加剧震害程度。

(3)洞口段震害与地震烈度有关，地震烈度9度以上有二衬垮塌和围岩垮塌等现象。软岩隧道洞口过渡段出现了二次衬砌垮塌的严重震害类型，应考虑抗震设防。

5.2 展望

目前，随着国家对节能环保和防灾救灾方面日益重视，特长公路隧道内复杂多样的通风除尘和人员疏散所需使隧道断面变化极大。隧道断面不连续性是隧道结构震害扩大的原因，目前相关研究较少，值得进一步研究。