高烈度地震区山岭隧道抗震研究综述

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

一、引言

在中国城市地下空间发展蓝皮书中，格外重视西部山区隧道和桥梁的发展，对许多工程性问题进行了研讨与展望。我国在隧道抗震减震方面起步较晚，基础薄弱，没有相关规范的实施很难在抗震减震工程设计中得以应用以至于在实际抗震中方面难以取得显著地成果。而现阶段高烈度地震区隧道的抗震设计很难满足要求，在汶川地震隧道的震害实例中得到了充分的展示。设计人员只能根据经验和地上建筑物的相关规范进行设计，不能从根本上解决实质的工程问题，隧道结构的抗震减震设计有待进一步的探讨和完善。应在隧道震害调研的基础上，通过理论分析和计算机软件模拟分析等方法进行研究，从而提出对某一工程问题给出了初步的解决方案。

二、国内外隧道结构抗震技术研究现状

(一)国外隧道结构抗减震技术研究现状

在过去一个多世纪地下空间的发展历程中，国内外学者都没有对地下空间的抗震问题引起足够的重视，因而发展缓慢，同时地下构筑物的研究没有地上构筑物研究容易，涉及许多地质问题，相关学科不能提供辅助，抗震问题也就无从下手。上世纪中叶，日本在海底隧道的建设过程中遇到了断裂带和地震问题，在结合理论力学和结构力学的基础上对隧道的抗震设计采用静力理论的方法进行计算取得了一定的成果。上世七八十年代，隧道的抗震问题引起了国内外学者的重视，在隧道的设计过程中充分的考虑了地震对隧道的破坏。美国在建设地下地铁运输系统时提出了地下结构不具有抵抗地震惯性力的作用，同时提出了地下结构不丧失承载静荷载力的设计思想[1]。

(二)国内隧道结构抗震技术研究现状

国内学者通过借鉴国外学者的研究成果和相关隧道抗减震设计规范。在上世纪50年代制定了基于拟静力法的铁路隧道抗震设计规范[7]。90年代，邵根大[1]等采用模拟实验和有限元计算的方法阐明了作用了在隧道衬砌上的地震力产生的机理和特点。潘昌实[3]总结了隧道及地下结构的破坏情况和一些影响因素的关系，介绍了质量-弹簧模型和有限元进行地震反应分析的方法。

进入21世纪以来，国家对西部山区基础设施发展的重视，大量的山区隧道的修建，一些高烈度地震区隧道抗震减震的设计问题提上了议程，特别是在汶川地震发生后。王峥峥[4]等提出在隧道洞口段的围岩采用不同的围岩加固方案，并对每一种注浆方案进行了建模分析，得出了不同注浆方式对隧道抗震的影响。周德培[5]研究了在高烈度地震区的软弱破碎岩体中修建浅埋大跨度隧道时,采取何种施工技术和选用什么样的抗震材料，才能满足抗震性方面的要求的问题。李育枢[6]通过对山岭隧道地震动力响应规律研究，利用有限元差分法得出了山岭隧道的震害破坏机理。这些研究对隧道洞口段仰坡的施工和采取减震措施具有指导意义。

由此可以看出，国内外对隧道地震技术的研究已经取得了重大的突破，但依然有很多的不足。我国的地下抗震设计规范没有实施，相关设计依然要借鉴地面结构的抗震设计规范；国内学者对强震区山岭隧道的结构动力特性研究不是太多，也忽略了对地震响应时间的分析；在隧道地震围岩破坏机理分析，选用地震波分析较单一，在工程实际中应用较少，难以取得预期效果。国内学者对高烈度地震区山岭隧道的震害机理研究不足，难以进行后续研究，也很难对某一工程问题给予良好的参考。

三、高烈度地震区山岭隧道抗震问题

(一)高烈度地震区山岭隧道破坏形式

西部山区的山岭隧道绝大多数是修建在欧亚板块的地震带上，极易高烈度地震，由于地质复杂，断裂带众多，在隧道设计中不可避免的就要考虑隧道的抗震问题。我国“5.12”汶川大地震调查结果表明：位于断层带的隧道绝大多数都遭到了不同程度的损坏，离震中距越近所受的影响较大，而较远处几乎没有大的破坏：隧道的洞口段和边坡是最容易受到破坏的部位，因为上方土体薄，岩石风化严重，极易发生失稳：其次硬岩隧道的震害较轻，软弱围岩隧道的震害明显比硬岩隧道严重，尤其是在隧道围岩发生较大变化地段，如在浅埋偏压段、断层破碎带、节理密集带或松散堆积体地段等[8]。汶川地震发生后，国内学者在距震中50km范围内的调研表明，隧道的破坏主要集中在洞口的边坡变形，洞身衬砌的开裂和仰拱的隆起等方面，还涉及到地下水的积聚，瓦斯隧道出现瓦斯等。值得指出的是，洞身初期支护和二次衬砌发生严重损害地段大多数处于高地应力区段或者穿越软弱破碎带区[9]。

(二)高烈度地震区山岭隧道破坏原因及启示

对以往地震中隧道结构的震害研究表明，隧道的断裂带处、不同级别的围岩交界处、浅埋隧道和偏压隧道处、洞门处极易发生破坏。对这些隧道的破坏情况进行分析，高烈度地震区山岭隧道的地震效应可以分为以下几类。在地震发生时，当地震波经过隧道时在隧道的轴线方向上会发生很大变化，使隧道结构体发生剧烈震动和摆动，隧道围岩部分的地应力发生破坏，隧道结构不能支撑地应力的改变对隧道结构体的力的作用，导致隧道的衬砌破坏，在高地应力区尤其明显。地震作用时隧道周围的土体会发生液化，使隧道周围的土体发生变形、塌陷，进而导致隧道周围的力学平衡状态发生变化，围岩不能支撑隧道结构体导致隧道塌陷。地震波在断层地区时，特别是两侧岩体刚度相差较大时，地震波在此处的转播速率会发生较大波动，会导致此处隧道衬砌的错动，岩体对隧道的约束降低，使隧道垮塌。因此在高烈度地震区修建隧道时，在围岩破碎区域要进行注浆加固以达到抗震设防要求，在断层破碎带、软硬围岩交界处应采用合适的抗震或减震材料进行加固。强震区山岭隧道建设中必须高度重视洞口边坡稳定性评价和防护设计,将边坡防护、洞口明洞和洞门结构作为一个系统进行综合设计,在条件允许的情况下尽可能采用削竹式洞门这种抗震性能较好的洞门结构[10]。这些措施的实施可以有效地解决震害问题，同时，国内学者应加大对不良地质条件下的抗震设防研究。

四、研究与探讨

在地质情况复杂的地震区修建山岭隧道极易遇到软弱围岩地区，围岩状况的好坏很大程度上决定着隧道在地震作用下是否发生破坏。而衬砌结构的动力响应很大程度上依赖于围岩，所产生的附加应力和变形主要是由围岩的相对位移引起的[11-12]。所以，采用哪种隧道围岩加固方式是一个非常值得探讨的问题，可以为以后的隧道具有良好的借鉴作用。常见的围岩加固措施有周边围岩注浆加固和锚杆加固。围岩注浆加固可以使围岩和初期支护形成一个统一的整体，以提高围岩和支护结构的整体稳定性和自承能力，能够减小衬砌结构的地震响应，减轻震害的作用[13]。而隧道围岩的加固形式不同，抗震减震效果也相差较大。

工程中隧道围岩的常见的围岩注浆形式有局部注浆、全环接触注浆、全环间隔注浆[14]。在相同隧道的地质情况和隧道断面形式等条件下，采用不同的注浆形式，来研究隧道衬砌在地震作用下的动力响应规律，取得最佳抗震减震效果的方式。由于采用实体模型耗费巨大，时间久，不可控因素多，因此采用有限元软件进行计算机建模分析，许增会等利用ANSYS软件的谱分析研究地震对隧道围岩稳定性的影响规律的结论进行建模分析[15-16]。利用有限元软件对不同的地质情况进行模拟，得出施工过程中进行围岩加固采用全环间隔注浆的效果最好，局部注浆效果最差。因此，对围岩注浆可以明显的提高隧道的抗震能力。在以后的高烈度地震区山岭隧道的设计过程中可以先利用有限元软件进行建模分析，输入设计地区的地质条件和隧道的设计参数得出具体的参数，从而选用适合该地区的围岩注浆加固方案。

五、结论

我国在山岭隧道的抗震方面研究比较少，没有取得显著地成果，在过去进行的一些研究中，没有较好结合震害实例进行理论分析，也与学者对抗震研究不够重视导致的。互联网的发展较缓慢，利用有限元软件对山岭隧道抗震减震模拟实验起步较晚，不能很好的利用有限元软件，同时基于有限元软件的二次开发研究较少，不能有效的应用难以对工程问题提供好的解决方案，国内外学者应加大地震作用对地下构造物影响的研究。