地震对隧道的影响及防治措施

摘 要：本文关注于地震对隧道的影响，简单介绍了当前我国地震的条件，回顾了1999年台湾9・21集集大地震对隧道影响的实例，以及5・12大地震对宝成铁路109号隧道影响的实例；分析了隧道受地震影响的原因，认为地震波水平、竖直两个方向都会对隧道产生破坏；最后列举了国内外一些对隧道震害的治理措施。

关键词：隧道震害；地震影响；防治措施

中图分类号： U45 文献标识码： A

1 引言

5・12汶川大地震过后，据震中直线距离只有90公里的成都地铁成为隧道人士关注的焦点，据成都地铁施工方中铁一局第四工程有限公司灾后会议称地震对成都地铁未造成重大影响。按以往经验，相同地震烈度下建筑物破坏程度主要受结构抗震能力影响。在所有工程结构中，隧道结构抗震能力是最强的，历次地震中隧道结构受损程度是最低的，但是这不能代表我们就可以忽略地震对隧道的影响。

2 我国地震条件

我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带之间，是世界上最大的一个大陆地震区，属于多地震国家，地震特点可归结为：地震活动区分布广，绝大部分地震属浅源地震，地震强度大。本世纪以来发生的七级以上地震我国就占十分之一。我国地震带主要分布在：东南为台湾和福建沿海一带，华北为太行山沿线和京津唐渤地区，西南为青藏高原、云南和四川西部，西北为新疆和陕甘宁部分地区，地震带几乎覆盖了全国五分之四的面积。从1988年开始，中国大陆地区进入第五个地震活跃期。根据前几次地震活跃期活动的特点，专家们认为本次地震活跃期将持续到下世纪初，目前已进入了强震高发期，其间可能发生多次7级左右、甚至个别更大的地震。

表11988年以来中国大陆地区地震统计

震级 ≥5.0 ≥6.0 ≥7.0

地震次数 243 50 7

所以在未来几十年里我们面临着严峻的地震形势，对于隧道工程建设人员来说，在设计施工过程中对于地震给隧道带来的影响应引起更多的关注。

3 地震对隧道影响2个实例

3.1 2008年四川5・12汶川大地震宝成铁路109号隧道

2008年5月12日14时28分，四川省汶川县境内发生8.0级强烈地震，震源深度为19千米，属于浅源地震，地震破坏能力很强。据美国地质调查局的报告，这次“地震是由四川盆地西北边缘东北向逆断层或冲断层运动所致。震中与震源机制与龙门山断层或与其构造相关的断层运动结果一致。由于地壳物质缓慢从青藏高原向东移动，遇四川盆地和中国东南部坚硬地壳而汇聚，产生构造压力，导致地震的发生。”而从洲际的规模上看，这次地震缘于印度板块以每年5厘米的速度向北朝欧亚板块的碰撞。

地震中严重受损的宝成铁路109号隧道始建于20世纪50年代，受当时技术、经济条件限制，采用傍山沿河选线、小曲线半径，隧道外侧山坡高陡、山体薄，在各类自然灾害中山体易坍塌。隧道山侧边坡高达40至50米。此处岩石风化破碎，坡面及坡顶危石较多，常有落石情况危及行车安全。从施工之初，部分隧道即开始接长明洞，陆续整治病害。

5・12汶川大地震导致宝成铁路109号隧道出口上方山体坍塌2万多立方米，摧毁出口棚洞40米，巨石堵塞隧道出口，编组40辆的21043次列车与塌体相撞，油罐车在洞内着火。同时隧道中部山体坍塌12万余立方米，砸垮中部棚洞。列车着火和山体坍塌导致隧道结构严重破损。坍塌堵塞嘉陵江，形成堰塞湖。

3.2 1999年台湾9・21集集大地震台中地区46座山岳隧道

1999年9月21日凌晨1时47分，台湾发生7.3级强烈地震，震中位于日月潭西方12千米附近，亦即集集一带。集集大地震是由车笼埔断层逆冲而引起，以车笼埔断层为界，划分为断层错动区、上盘、下盘及其他地区等三大震区，其中断层错动区所受震动强度最大，上盘次之，下盘及其他地区则较小。

集集大地震造成台湾中部地区许多山岳隧道大小不一的损害，各隧道分布如图1所示。

图1集集大地震受损山岳隧道分布示意

其中仅有一座隧道位处车笼埔断层错动区，即石岗坝引水隧道，遭受剪断错动。位处断层东侧（上盘）的受损隧道中以公路隧道居多，共有44座，其中受损轻微者约24座，占55%，受损中等者约9座，占20%，受损严重者约11座，占25%。经灾后统计得出，上盘区44座隧道受损情况以衬砌断裂居多（共35处），其次为洞口边坡坍滑（共16处）、衬砌混凝土剥落（共10处）、渗漏水（共9处）、主体边坡坍滑（共3处）、衬砌错动（共3处）、钢筋拉脱（共3处）、未衬砌段落石（共3处）、路面开裂（共2处）等几种震害。而位于下盘地区的车笼埔断层西侧(即下盘)及其他地区受损隧道中以三义一号铁路隧道最为严重，造成轨道扭曲变形、衬砌龟裂、掉落的现象。

总的说来，隧道震害有以下几种比较常见：洞口仰坡坍塌、巨石砸坏、衬砌开裂错断坍塌、砼严重破坏剥落、仰拱隆起开裂、透水、瓦斯泄漏等。

4 隧道受地震影响原因

传统观点认为地震对隧道的影响主要来自地震波中的横向剪切波，它是传递地震能量的最大部分。按Serff假设可以将水平面近似作为最大剪应力作用面，地震产生的破坏就是在这些水平动剪应力作用下产生的。地震波通过使隧道壁内产生交替的压缩和拉伸应变的循环，这些应变将叠加在隧道衬砌和周围岩层的静态应变上。衬砌中原有的应变状态一般是压缩应变，当地震波冲击产生的压缩应变施加到村砌上后，衬砌可能受压屈产生剥落。如果加上的拉伸应变大于原有的压缩应变，那么最后的拉应变状态将导致衬砌开裂。

另一种观点认为虽然以往地铁隧道的地震反应分析中地震作用通常以水平剪切为主，但是现实情况当中竖向地震作用产生的破坏也是相当大的。

5 隧道震害治理措施

一般隧道结构病害的处理工序有：①表面清扫，特别是在内表面补强、部分改建中，为了既有衬砌和补修材料确实地附着，要特别仔细地进行表面清扫。②凿除，适用于衬砌块有掉落的可能和衬砌表面劣化的情况，表层凿除后再补强才能使既有衬砌和补修材料确实地附着。③断面修复，作为剥落、凿除后的处理，可用含有高分子材料(环氧树脂等)的砂浆充填、涂抹进行断面修复，在凿除处及衬砌断面缺损部分进行。④开裂压注，是向开裂处压注注浆材料，使因开裂而降低的刚性得到某种程度恢复，衬砌背后的围岩注浆加固和回填注浆也可取得较好效果。⑤内衬，大范围劣化达10米以上时，视劣化状态、隧道限界富裕量等，选择喷射法或现灌混凝土法衬砌，可增加补强钢拱架、钢筋网等。⑥局部改建，清除劣化部分，用混凝土等置换来维持衬砌承载力、耐久性。⑦采用隧道停用后改建或绕行别线改建。

地震灾害隧道抢修加固的一般方法有：①应急调查，地震后发现异常的隧道，为了掌握其损伤的内容、程度、发展等，要进行应急调查。主要对隧道衬砌、施工缝、边沟、洞门进行观察，发现洞口边仰坡及围岩的异常和确认稳定性。②应急恢复方法，基于应急恢复的判定结果，视受害程度进行应急恢复施工。清除坡面崩坍和衬砌崩落的土砂、衬砌掉块，以尽早恢复交通功能。排土时，要充分注意不要诱发新的崩坍和崩坍的进一步发展。开裂和挤出等受害严重的，如不处理会产生剥离和崩落的危险时，应用钢支撑设置临时支撑。③永久恢复方法，视结构损坏情况采用凿除后断面修复、开裂压注、内衬、局部改建和整体改建。

四川5・12汶川大地震后对宝成铁路109号隧道的抢修主要采取了锚杆加固、挂钢筋网、喷C20混凝土嵌补、钢架拱墙、内贴钢梁门型结构等办法。台湾9・21集集大地震灾后桥梁及明隧道修复工程采用了碳纤维贴片补强的办法，对隧道补强策略为环氧树脂灌注柱体剪力裂缝及碳纤维贴片补强。

6 结语

由于我国特殊的地震环境，过去未能、将来也不可能完全绕过整个地震区修建隧道，虽然个别断层可以躲开，但整个地震区是绕不过的。所以处理隧道震害方面应从隧道选线之初考虑，首先是要避开断层错动区，因为这个区域地震烈度非常大；其次是要选择合适的工法施工，实践证明按照新奥法原理修建的隧道结构具有较好抗震能力；三是提高衬砌质量，发挥锚杆支护的积极作用，采用“外层锚喷支护，内层混凝土衬砌”的夹层结构，两层结构之间设置防水密封层，也称抗震缓冲层，可以起到缓冲地震力、排滤水等作用。

参考文献

[1]朱永全. 109号隧道地震灾害与加固处理的思考[J]. 国防交通工程与技术，2008年第4期.

[2] Robert Rowe（美）. 地震区的隧道工程[J]. 铁道建筑，1993年第8期.