跨走滑断层隧道地震破坏特征与抗减震措施研究

2023.03.01

信春雷高波闫高明周佳媚申玉生全晓娟

摘要：针对跨走滑断层隧道设置套管式可变形抗减震措施开展了振动台模型试验研究。通过分析围岩与隧道结构的地震加速度响应、地震动应变响应以及隧道结构的震后破坏形态，以无抗减震措施和无断层为对比例，对在直立与倾斜走滑断层处设置的套管式可变形抗减震措施进行了系统研究。结果表明：隧道结构不跨断层时的破坏多由静力所致；无论隧道结构是否跨断层，即使采用抗减震措施，拱脚和仰拱的破坏均十分严重，应根据破坏机理对二者进行重点抗震加固；在实际工程中选用套管式可变形抗减震措施，宜将外套管设置在断层活动性较强的一侧，且让两套管共同承担断层的剪切作用能较好的发挥抗减震作用；在隧道结构选线阶段应尽量避免穿越断层或其他不良地质地段，保证隧道结构所在围岩介质的连续性，使隧道结构自身具备良好的抗震性能，胜过采用抗减震措施。研究结果有利于隧道结构新型抗减震措施的开发，以及为跨走滑断层隧道结构的抗震设防提供参考。

关键词：隧道工程；抗减震措施；振动台模型试验；走向滑动断层；破坏特征

中图分类号：U457+.5； TU352.1文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04069410

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.017

引言

汶川大地震、日本阪神地震和台湾集集地震等影响较大的地震造成了跨断层的隧道结构主体发生严重破坏且难以修复，说明跨断层的隧道结构并非是抗震性能优越的工程建筑[1]。造成隧道结构破坏严重的主要原因是实际地震荷载远大于抗震设防水平[2]。因此，地面结构经常采用的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计理念借鉴到隧道与地下工程中，未能经受得住大地震的考验[3]。那么跨断层的隧道结构应该提高相应的抗震设防标准。但是由于对隧道结构抗减震理念与方法缺乏系统性的研究，目前中国还没有独立的隧道与地下结构抗减震设计规范。隧道与地下工程较为发达的美国、瑞士和日本等国家，其地下结构抗减震设计标准同样亟待进行大量有针对性的研究来实现其实用性和操作性[4]。

为了提高地震灾后救援效率以及获取隧道结构震害详细资料，西南交通大学高波教授课题组对震害严重的都江堰至汶川高速公路（都汶公路）沿线的18座隧道进行深入细致的考察[5]。其中13座隧道穿越不良地质地段，有10座隧道多处穿越区域性构造断裂，这13座隧道洞身主体结构在汶川地震中全部遭受严重破坏，甚至坍塌[6]。地震造成隧道结构的破坏通常可以分为地基失效破坏（静力作用）和隧道振动破坏（动力作用）两种[7]。地基失效破坏是指地震后地基丧失承载力而导致的隧道结构破坏；隧道振动破坏是指地震中由于隧道与围岩之间的刚度不匹配而产生相互作用发生的破坏。此外，地震波沿隧道结构轴线的相位衍生应力和变形分量也是震害的重要原因[8]。跨断层的隧道结构震害既可能由其中某种作用引起，也可能是几种作用的综合结果[9]。因此，对于跨断层隧道结构抗减震措施的设计和应用，必须分清原因，有的放矢地进行研究。

目前，国外学者侧重于针对跨断层的地下管道工程进行理论研究，试验多采用离心机振动台，基于抗减震措施的研究较少且单一[10]。国内学者近年来逐渐开始采用振动台试验研究交通隧道工程在不同地质环境下的地震响应特征，但是针对跨断层隧道破坏机理与抗减震措施的研究则较为有限[11]。振动台模型试验在试验自主化和创新性等方面优势明显，便于进行大比例尺模型试验以及真实准确的反应研究过程和结果。同时，将振动台模型试验与震害工程实例相结合，可以逐步推进隧道与地下结构抗减震理论体系与设计方法的完善。因此，本文以在汶川地震中破坏严重的龙洞子隧道和龙溪隧道为依托工程，开展了跨直立与倾斜走向滑动断层（走滑断层）的隧道结构地震破坏机理与新型抗减震措施适用性的振动台模型试验研究。得到了隧道结构在跨断层部位设置套管式可变形抗减震措施和无措施，以及无断层情况下受地震作用的动力响应特征和破坏机理。为高烈度地震区跨走滑断层隧道工程的震害机理研究与抗减震设防措施提供必要的理论依据和实施方法。

Abstract： Shaking table tests are conducted to simulate casingshape deformable damping measures on tunnel structures across strikeslip faults. Tunnel structures across vertical and diagonal strikeslip faults with casingshape deformable damping measures are systematically researched by analyzing seismic acceleration responses of surrounding rock， seismic strain responses and postseismic destructive patterns of tunnel structures. The results show that： Postseismic destructive patterns of tunnel are mostly caused by static force when there is no fault through tunnel. The arch springing and invert part of tunnel are seriously damaged in all test conditions and they need to be reinforced according to failure mechanism. If casingshape deformable damping measure is employed in practical engineering， outer casing should be buried in one side of fault with strong activity. It will achieve favorable effect that outer and inner casing can share shearing action of fault movement. Tunnel structures are born with certain a seismic performance if they are constructed in homogeneous surrounding rock and it will be better than using antiseismic and damping measures. Therefore， tunnel should avoid crossing fault and other unfavorable geology areas in tunnel location phase. The above research results certainly contribute to research and develop new types of antiseismic and damping measures for tunnel structures. Meanwhile， the research results can provide references for seismic fortification of tunnel and underground structures across strikeslip faults as well.

Key words： tunnel engineering； antiseismic and damping measure； shaking table proportional model test； strikeslip fault； seismic damage characteristics