盾构法隧道结构震害及其抗震措施浅析

作者简介：高妍妍（１９７８－），女，江苏淮阴人，助教，南京工业大学硕士研究生，研究方向为建筑结构设计．第６卷第６期２００６年１２月泰州职业技术学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴａｉｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅＶｏｌ．６Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２００６摘要：对国内外城市地下线形结构（地下管道、地下铁道和隧道等）震害的形式、成因及外部影响因素，如地震烈度、场地土条件、埋深、结构构造特点及尺寸等进行了综合分析，并就不同地下线形结构抗震措施的制订发表了见解。

综合有关文献资料和工程实例，对盾构隧道进行纵向抗震分析，总结了地震区隧道结构的震害特点以及目前所采用的抗震措施，以供地震区隧道结构的设计、施工、加固作参考。

关键词：隧道；震害；抗震措施中图分类号：ＴＵ４３５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－０１４２（２００６）０６－００１７－０４随着世界经济的迅速发展和城市化进程的加速，拥挤的交通成为一个社会问题。

为了缓解地面交通的压力，人们开始寻找新的交通模式，各大城市投入地下隧道交通的兴建当中。

隧道较地面结构有着天然良好的抗震性能，但在一定地震强度或是隧道工程在特定地质条件下，隧道结构可能遭受破坏。

２０世纪初，根据美国加州、阿拉斯加和日本等地７１座岩石地基中隧洞工程受地震波动影响的事例统计，其中４２例有不同程度的震害，轻微的灾害只是裂缝，严重的会发生坍塌倒闭。

如阿什哈巴德地震、塔什干地震、加兹里地震、墨西哥地震、美国加州北岭地震及阪神地震等，都不同程度地对地下工程造成了破坏［１］。

我国是一个地震多发地区，受地震影响的城市覆盖范围极广，逾７０％的省会城市，抗震设防烈度均在７度（含７度）以上。

随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大，地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。

１、盾构法隧道结构震害特点１．１隧道震害特点的研究现状为分析隧道地震时的破坏情况，以研究抗震的措施，部分学者对一些隧道的震害特点进行了研究。

Ｓｈａｒｍａ与Ｊｕｄｄ于１９９１年收集世界各国８５个地震共１９２个地下土木设施，进行了定性化分析总结了地下工程因地震受损坏的范围与程度的影响因素有：覆土深度、主要岩石种类、支撑型式、地理位置、地震规模等５项；吉川惠针对历年来日本铁路隧道地震损坏之案例进行调查后指出，隧道虽然属于耐震性较佳的结构物，但是如果发生地震规模大、靠近断层、特殊条件时，隧道将会遭受严重的地震损坏；Ｙｏｓｈｉｋａｗａ的震害情况研究表明，如果隧道经历强烈地震、隧道座落在地震断裂带、该隧道有特殊的地质或构造条件，那么隧道仍将可能被破坏［２，３，４］。

现有资料未见有隧道结构经受严重震害的报道，发生较轻的震害则较多。

从目前的资料看，地下隧道的破坏形式主要有裂纹、剥落、底部隆起或倾斜等，见图１［５］。

分析这些隧道发生破坏的现象，可以知道震害形式取决于地震作用力方向及现场地质条件。

１．２盾构法隧道的震害特点目前隧道的施工主要是盾构法，盾构法隧道的震害特点主要盾构法隧道结构震害及其抗震措施浅析高妍妍，刘剑雄（淮阴工学院，江苏淮安２２３００１）图１Ｒｏｋｋｏ隧道破坏形式示意图是隧道接头发生破坏，引起震害的原因主要有两个：一是地震行波作用造成的破坏。

例如，日本有人曾在地震时目击水从隧道衬砌接缝处涌入隧道；在地震后有的隧道出现蛇形弯曲，螺栓松弛，衬砌出现圆周向开裂。

二是地震引起土层不均匀沉降造成的破坏。

例如１９８５年的南黄海地震使上海市打浦路段越江隧道与竖井交界处出现５处开裂，泥沙从裂隙处涌入造成严重震害；又如１９８５年墨西哥地震时赫内拉尔车站附近掘进中的盾构法下水道在竖井附近的连接螺栓拉断，衬砌混凝土端部压碎出现严重破坏。

分析以上震害发生的原因，可归纳一些震害的特点［４，６］：（１）穿越断层或断层破碎带的隧道在地震中会受到严重破坏，靠近断层处的衬砌在与隧道轴垂直的平面内会发生较大的横向和竖向的错位，见图２［１］；（２）由于隧道沿线地质条件基本上是不同的，不通过断层的隧道也会发生横向错动的情况；（３）由于隧道地震力沿隧道轴向作用时岩层会发生水平错动，使得衬砌沿拱圈与边墙间的工作缝发生纵向错动；（４）地震时衬砌在横向内会发生较大的变形，使得衬砌发生剥落、裂缝（碎裂）、钢筋拉断等现象；（５）地震时衬砌在横向内还会发生过旋转运动（绕纵轴扭转），使得隧道内钢轨弯曲。

２、盾构法隧道结构抗震措施就隧道结构的纵向而言，它是一种长线形结构物，地震波的相位衍生应力和变形在隧道轴线方向上会发生很大变化。

这实际上构成了隧道结构破坏的重要方面，而表现为埋深越浅，破坏作用越显著。

该变化可解释为，假设隧道结构和围岩在地震波通过时一起运动，且随着地震波的形状，振动能量沿地铁轴线从一点移动到另一点，则在隧道结构内部同时产生纵向的拉压和横向的剪切两种作用，如果这两种作用的结果超过隧道结构本身的抗力极限，那么结构自然就会产生破坏。

以往的研究表明，隧道结构抵抗这种相位衍生应力和变形的能力，并不因结构体的加强而有很大改变。

所以，隧道结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用，使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和相对变位，同时又不损害其承受静载的能力。

著名地震工程学院士胡聿贤先生认为［７］，对于地下结构，其抗震能力的重要问题在于地基的地震变形和结构对于这种变形的适应性。

所以结构抗震设计不但要求结构在静载和地震荷载作用下具有足够的强度，而且能最大程度地吸收地震产生的变形。

目前，隧道等地下结构主要通过两种方式进行减震［７］：第一种是通过改变隧道的性能来减轻隧道衬砌的内力；第二种是在隧道衬砌和地层之间设置减震层，使地层的变形难以传递到隧道上，从而使隧道的地震反应减小。

２．１隧道结构震害的机理分析现场调查表明，地下结构震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、衬砌条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等有密切关系。

根据以往地下结构在地震中所表现的行为可知，地震的主要或次要效应均可使隧道结构遭受破坏。

这些效应包括两个方面［８］：（１）围岩失稳，主要指围岩的变形、差异位移、震害和液化；（２）地震惯性力，主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。

因此，围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两种主要原因。

对于同一程度的大地摇动而言，如果仅论及结构的惯性力，地下结构要比地面结构安全的多。

这是因为地下结构处于周围地层的约束之中，并与地层一起运动。

因而，地下结构在地震运动过程中，仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载，而不像地面结构那样，承担全部的惯性力。

就地下结构的横截面而言，在岩石图２隧道衬砌变形模式第６期泰州职业技术学院学报１８高妍妍，刘剑雄：盾构法隧道结构震害及其抗震措施浅析第６期地层中，由于地下结构的质量密度和岩石相比并没有显著差异，所以，地下结构洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低，而处于地层约束较弱的洞口及浅埋地段，破坏发生的概率一般较高。

洞身结构之所以有惯性力破坏的现象发生，主要是由于地下结构与地层之间出现了较大的空隙而消弱了地层的约束作用，因而实际上相当于提高了衬砌结构的相对质量密度，造成其分担的地震惯性力超过了极限。

因此，实验和实测都表明回填密实有利于结构抗震。

在土质地层中，由于地下结构的刚度一般比地层大，往往形成对地层变形的约束。

因此，衬砌刚度越大，其吸收的变形能就越大，所以地下结构的震害往往表现为由于地层的地震动变形所致。

故此得出结论，衬砌越柔，越有利于抗震，这一点在铁道部科学研究院关于强地震作用下铁路隧道衬砌耐震性的试验研究中得到了充分的验证。

２．２盾构隧道的抗震措施从目前的研究状况看，盾构隧道的抗震一般需要考虑以下几个方面［９，１０，１１］：（１）衬砌最大位移差越大，衬砌的应力就越大，若能够减小衬砌的最大位移差，隧道衬砌的应力则会相应的减小；（２）减震层的弹性模量与围岩弹性模量相差越大，减震效果越好，但在实际地下结构中，要考虑结构在静力作用下的受力和变形状态，减震层的刚度有下限要求。

对于软质围岩，设置减震层的减震效果不甚明显，而设置加固层的减震效果非常明显；对于硬质围岩，设置减震层后有比较明显的减震效果，而设置加固层的减震效果有所减弱，但只要保证注浆密实和较大的注浆范围，其减震效果是非常明显的；（３）同样加固层的弹性模量与围岩弹性模量相差越大，减震效果越好。

加固层厚度越大，减震效果越好。

因此，在实际地下结构围岩的注浆加固中，注浆越密实，注浆范围越大，减震效果越好。

根据以上考虑以及隧道的震害分析，为提高地下结构抗震能力可采取以下措施［１２，１３］：（１）将地下结构建于均匀、稳定地基中，远离断层，避免过分靠近山坡坡面，避免山坡不稳定地段，尽量避免饱和砂土地基，减少地震液化；（２）尽量选取埋深较大的线路，远离风化岩层区；（３）区间隧道转角处的交角不宜太小，应加强出入口处的抗震性能；（４）在施工条件允许的情况下，尽量采用暗挖法施工；（５）在有限的预算内，采用最有利的断面形状与尺寸，提高断面的可靠度；（６）尽量减少土体不连续性的影响［１１］（如图３），在土壤与岩石上或土体内的岩石隆起处，应在开挖范围内用土或回填集料回填，以消除硬点的影响，从而降低破坏发生率；（７）采用抗震缝或增加隧道管段间的柔性接头，降低隧道的整体区间长度；（８）提高施工质量，增加土体与隧道衬砌间的密实性。

以上几点，已在实际的工程中被采用，并且证明是比较可行的抗震措施。

３、结语通过以上对隧道的震害特点和抗震措施的分析，可归纳几点隧道抗震加固的措施：（１）隧道位置尽量选择在山坡稳定、地质条件较好的地段，避免穿越不稳定断层地区；（２）洞口应避免建在滑坡、岩堆和泥石流等处。

在施工方面，隧道洞口应该采取控制路堑边坡和仰坡开挖高度，在洞门端墙与衬砌环枢墙、端墙与洞口当土墙或翼墙间的施工接缝处加设短钢筋或设置榫头等抗震连接措施；（３）对于浅埋、偏压以及位于破碎带等地质不良地段的隧道，可在其衬砌背后采取压注水泥砂浆等加固措施。

图３隧道处于不连续性土体的破坏形式１９（上接第１１页）ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎＯｗｎｅｒ’ｓＭａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｊｅｃｔＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＸＩＡＹｕｎ，ＦＡＮＷａｎｇ－ｔｉａｎ（ＴａｉｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＴａｉｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２２５３００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｎｅｗｔｉｍｅ，ｉｔｉｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｏｗｎｅｒｔｏａｐｐｌｙｍｏｄｅｒｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｉｓ，ｉｔｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｇｏａｌｓｉｎｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔａｇｅ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｓｏｍｅｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅａｄｖａｎｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｊｅｃｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｑｕａｌｉｔｙ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ；ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ（责任编辑崔洁）从目前的隧道震害以及抗震资料来看，地下结构的抗震性能比地面结构要好，但是这方面的研究明显落后于地上结构，以后应对地下结构受地震严重破坏的特征认真考察，找出破坏的原因，对以后的隧道抗震加固意义重大。