强震作用下隧道与边坡的相互作用机理.docx

1绪论

过去人们普遍认为地下构造物受周围岩土介质的约束,在地震时随其一起运动,地下结构遭受破坏的比例很低,一般认为地震对地下结构的影响很小。但是,这种认识严重低估了围岩介质在震后尤其是强震后失稳或破坏(如液化、边坡失稳、断层滑移等)导致的对地下结构约束或承载能力的丧失,在这种情况下地下结构最终将丧失其基本功能甚至破坏[1]。
近年来,大多数的公路隧道,铁路隧道在地震中遭受破坏的情况时有发生。例如在2008年汶川地震中,都汶公路上的大部分隧道都经历了不同程度的震害[2]。其中5%的隧道属于轻度震害,22%的隧道属于中度震害,73%的隧道为严重震害。


国内地震学家姚群凤教授、潘昌实教授、杨春田教授、骆文海教授等人也在地震灾害对地下结构产生影响的规律方面进行了大量的研究,总结了隧道周围围岩的类别、隧道支护类型及支护参数、上覆岩层及土层的覆盖厚度、地震的震级及震中距等因素在地震时对隧道产生的影响。所得到的研究成果主要可以归纳为以下几个方面:
1) 一般情况下,在地震参数相同的条件下,地震对地面建筑物的破坏程度相对于地下结构产生的破坏要大。
2) 地下结构的埋深影响着地震对地下结构的破坏,埋深厚度越小,地震时地下结构所遭受的破坏越大,当地下结构的埋深厚度在 50m 以内时,地下结构很容易遭到地震破坏。特别是隧道的洞口浅埋段一般在地震发生时破坏最为严重。
3) 通常情况下,地下结构建在崩积层内相对于建在坚固岩石内的地下结构在地震时所遭受的破坏要严重,地下结构在活断层及断层破碎带的区域在地震中较易受到破坏。

边坡的动力问题历来是岩土工程和地震工程中关心的重要问题之一。边坡动力响应的研究是边坡动力问题研究的重要方面。地震作用所引起的边坡动力响应包括地震动荷载在边坡中引起的加速度、速度、位移、应力及应变等量值的响应变化。国内外学者利用现场调查、理论研究、数值模拟和模型试验等技术手段,对边坡动力响应问题开展了大量成效显著的研究工作。马惠民等(1999)通过对中国山区铁路干线隧道的变形实例调查,提出了滑坡病害与隧道变形的 5 种地质结构模型,对坡体病害和隧道变形相互作用的机理及其防治技术进行了较为详细和系统的研究。毛坚强等(2002)应用接触问题的有限元算法对滑坡-隧道间的相互作用机理及受力变形规律开展了研究。王安福等(2003)以襄渝线柴家坡隧道为计算原型,研究了隧道开挖对坡体稳定性的影响和坡体蠕动变形对隧道衬砌的作用。陶志平等(2003)通过模型试验,研究了滑坡地段坡体变形与隧道的相互作用机理、围岩和衬砌压力的变化规律以及滑坡和隧道的变形特征。
-边坡的研究现状
国内外对滑坡或隧道的研究成果很多,但是将两者结合起来分析研究的却较少,尤其是在强震作用下的影响情况更是少之又少。大多数的学者还是研究的是地震影响边坡或者是地震影响隧道的破坏情况。但是对于隧道和边坡应该看作是一个体系[7],从两者之间的相互联系分析出由于地震的作用对于这个体系的影响。

通过对大量文献的阅读,得知大多数的学者研究地震作用下的隧道和边坡的相互作用都是从地震对于边坡的影响因素考虑和分析,忽略了隧道在隧道和边坡体系中的重要性。由于隧道的埋深影响,浅埋式隧道所引发的变形破坏是所有隧道震害中最为严重的情况。因此,本文将以强震作用下浅埋式隧道的变形破坏作为影响隧道-边坡变形破坏的主要控制因素,边坡对于隧道的变形影响作为次要因素,把地震作用力看成作用在隧道和边坡上的水平方向和竖直方向上的作用力,分析强震作用下浅埋式隧道影响边坡变形的主要原因,研究强震作用下浅埋式隧道-边坡的相互作用机理和变形特征。
2 隧道的震害分析

隧道的震害特征可概括为以下六类:
①洞口破坏:这类震害多发生在全强风化的坚硬岩体构成的高陡斜坡隧道洞口,在洞口边坡未作防护或防护范围不足或防护力度偏弱的洞口发生频率高,以高位的崩塌、落石和滑塌为主,往往造成隧道洞门砸坏、部分掩埋,甚至全部掩埋。
②洞门裂损:洞门的破裂与毁损主要发生在端墙式和柱墙式洞门结构中,主要表现为端墙、拱圈、翼墙和伸缩缝开裂,拱圈与端墙松脱,以及帽石掉落等。
③衬砌及围岩坍塌:这类震害主要发生在距离震中较近的软弱围岩隧道中,主要表现为衬砌与围岩同时坍塌引起的坍方以及二次衬砌坍落两种形式,其中前者往往导致隧道封洞,是汉川地震隧道最严重的一种震害。
④衬砌开裂及错位:调研的隧道的混凝土衬砌大部分都发生不同程度的开裂,衬砌的开裂以横向、斜向和环向破裂为主,纵向破裂较少。
⑤底板开裂及隆起:这也是较为常见的变形破裂迹象,底板开裂及隆起的