专题隧道工程地震灾害评价.pptx

单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,地震对隧道的破坏是客观存在的。,20,世纪以来从世界地震震害资料可以看出，当地震烈度达,7,度时，就有隧道发生轻微破坏的先例，且洞身修复困难，甚至中断行车，给国民经济造成重大的损失。,1906,年美国旧金山发生,8.3,级地震，严重破坏了位于断裂带上的两座隧道；,1923,年日本关东发生,8.2,级地震，震区铁路线上,82,座隧道遭到破坏或变形；,1952,年美国克斯发生,7.7,级地震，穿越地震断裂带的四座铁路隧道全部都发生了严重破坏；,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1.1,国内外隧道震害实例,1983,年距上海市,150km,以外的洋面上发生,6,级地震，打浦路管片上的出现了,5,座可见裂缝；,1995,年在日本阪神大地震中,地铁结构发生了很大破坏，车站结构破坏尤为明显。图,6-1,所示为神户高铁大开,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-1,日本大开地铁车站在阪神地震中遭到破坏,6.1,隧道的震害类型及特征,车站的震害情况，该车站用明挖法于,1964,年建成，中间柱（,B400D1000mm,，,3.5m,）约,30,根完全破坏，顶板下沉约,3m,，隧道断面变成,M,形。隧道的中柱上端或下端混凝土剥落，钢筋弯曲。在线路方向及垂直方向上，轴向钢筋鼓出，箍筋也有许多破坏的，在侧壁的隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏。,在阪神大地震中，山岭隧道也遭到严重的破坏。主要是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂。许多建于,20,世纪,60,年代的隧道，由于设计时未考虑浅埋地层变形的影响，隧道结构的变形性能不能承受这次大地震，拱顶部,分发生较严重的剪切裂纹及剥落，隧道横断面方向发生混凝土片的剥落。如山阳新干线的六甲隧道，长,16235m,，横切六甲断层系，地震后隧道的水泥内壁有众多裂缝，裂缝长达数十米的地方有,3,处，隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝。,6.1,隧道的震害类型及特征,1999,年,9,月,21,日，我国台湾省台中地区发生了里氏,7.3,级地震（集集地震）,那次大地震造成,2375,人死亡,10000,多人受伤，,30000,多座建筑物倒塌。地震发生后,通过对台中地区,57,座山岭隧道进行调查,发现除了,8,座隧道未受损坏外,其余,49,座都有不同程度的损坏,而且表现出不同,形式的损坏,如衬砌开裂、衬砌剥落、洞门破坏、地下水涌入、钢筋鼓出及弯曲、衬砌移位、底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌。,6.1,隧道的震害类型及特征,公路受损概况：,造成,21,条高速公路、,16,条国省干线公路、,2.4万公里,农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损里程近,2.8万公里,（其中高速公路近,200,公里、国省干线公路,3800,公里、农村公路,24100公里），损坏国省干线桥梁,670,座、,45323,延米，隧道,24,座、,20417,延米,.,图,6-2,汶川大地震公路受损示意图,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1.2,汶川大地震隧道震害,表,6-1,四川灾区,56,座公路隧道调查和评估结果,（据四川省公路设计院，,2008,）,6.1,隧道的震害类型及特征,表,6-2,按隧道长度所占震害比例统计分类,（据四川省公路设计院，,2008,）,6.1,隧道的震害类型及特征,都江堰映秀：,都汶高速（紫坪铺隧道、龙洞子隧道、龙溪隧道）,映秀,-,汶川：,都汶公路卧龙连接线（烧火坪隧道）,都汶公路二级路段（单坎梁子隧道、草坡隧道、桃关隧道、福堂坝隧道、彻底关隧道、毛家湾隧道、皂角湾隧道）,图,6-3,都汶公路,11,座隧道示意图,6.1,隧道的震害类型及特征,1.,洞口边坡滑塌与崩塌（,13,处）,洞口边坡滑塌,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-4,洞口边坡滑塌,图,6-5,龙洞子隧道出口的震害,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-6,龙溪隧道出口高陡边坡崩落,2.,洞门裂损,主要发生在端墙式和柱墙式洞门结构中。,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-7,桃关隧道圆弧形端墙开裂与松脱,max:50cm,洞口段坍方（,5,处）,3.,衬砌及围岩坍塌,图,6-8,龙溪隧道,K21+575-580,拱部地震坍方,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-9,龙溪隧道二衬坍落,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-10,纵向裂缝,4.,衬砌开裂及错位,都汶公路,11,座隧道中,8,座隧道出现了不同程度的衬砌开裂,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-11,横向张裂,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-12,环向破裂与错台,（最大可达,20cm,）,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-13,斜向剪裂,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-14,底板强烈隆起,5.,底板开裂及隆起,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-15,底板强烈隆起,图,6-16,初期支护鼓出、剪裂,6.,初期支护变形及开裂,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-17,初期钢架溃屈,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1,隧道的震害类型及特征,地下隧道属于几何线性结构，在地震荷载的作用下，由于周围介质的存在，其动态反应会呈现出与地面建筑不同的特性，主要变现为：,1),地下隧道的振动变形受周围介质的约束作用明显,结构的动力反应一般不明显。,2),在地震荷载作用下,当地下隧道结构存在明显惯性或周围介质与结构间的刚度失配时,结构会产生过度变形而破坏。,3),地下隧道震害多发生在地质条件有较大变化的区域,;,相反如果地质条件均匀,即便震级较大,结构也较安全。,4),地下隧道若穿过地质不良地带也易遭震害。,5),结构断面形状及刚度发生明显变化的部位，如隧恫进出口等部位均为抗震的薄弱环节。,6),地下隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝、竖向裂缝,棍凝土脱落和钢筋外露等,。,6.1,隧道的震害类型及特征,(1),衬砌的剪切移位,。,当隧道建在断层破碎带上时,常常会发生这种形式的破坏。在台湾“,921”,地震中,位于断层带上的一座输水隧道就发生了这种破坏。由于断层的移位,该输水隧道在进水口下游,180m,处发生了剪切滑移,如图,6-18,所示,隧道在竖直方,6.1,隧道的震害类型及特征,6.1.2,隧道震害的主要表现形式,向分开,4m,在水平方向分开,3m,整个隧道发生严重破坏。,图,6-18,衬砌剪切移位图,(2),边坡破坏造成的隧道坍塌,如图,6-19,所示。,图,6-19,边坡破坏造成的隧道坍塌,6.1,隧道的震害类型及特征,(3),衬砌开裂,在地震中,衬砌开裂是最常发生的现象。这种形式的衬砌破坏又可分为纵向裂损,(,见图,6-20),、横向裂损,(,见图,6-21),、斜向裂损,(,见图,6-22),、斜向裂损进一步发展所致,的环向裂损,(,见图,6-23),、底板裂损,(,见图,6-24),以及沿着孔口如电缆槽、避车洞或避人洞发生的裂损,(,见图,6-25),。,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-20,衬砌纵向裂损图,图,6-21,衬砌横向裂损图,6.1,隧道的震害类型及特征,图,6-22,衬砌斜向裂损图,图,6-23,衬砌环向裂损图,图,6-24,底板裂损图,图,6-25,孔口附近衬砌裂损图,6.1,隧道的震害类型及特征,(4),边墙开裂,如图,6-26,所示为由于显著的边墙向内变形造成的隧道破坏。这种变形可以造成边墙衬砌的大量开裂,甚至导致边沟的倒塌。,图,6-26,边墙变形,6.2,隧道震害的机理及影响因素,6.2.1,隧道震害的机理分析,现场调查表明,隧道及地下结构的震害形态的差异,与,地震强度、震中距、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,:,6.2,隧道震害的机理及影响因素,(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。,（,1,）横截面方向：,隧道洞身段：,在岩石地层中,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；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。,隧道洞口及浅埋地段：,由于地层约束较弱,破坏发生的概率一般较高。地震惯性力和围岩失稳均为主要因素,6.2,隧道震害的机理及影响因素,（,2,）纵向方向：,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,而且表现为埋深越浅,破坏作用越显著。,解释：隧道和围岩在地震波通过时一起运动,且随着地震波的传播,振动能量沿隧道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本身的抗力极限,那么结构自然就会产生破坏。,6.2,隧道震害的机理及影响因素,研究表明,:,隧道结构抵抗,纵向的拉压和横向的剪切两种作用,的能力,并不因结构刚度的加强而有很大改善。,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,。一味加强结构,试图让结构去抵抗相当大的强制变位所产生的内力是不现实的。,6.2,隧道震害的机理及影响因素,6.2.2,隧道震害的影响因素,6.2,隧道震害的机理及影响因素,隧道埋深及结构形式。,在许多情况下,隧道的破坏随埋深增加而降低。据国外统计资料显示,:,在硬质岩隧道中：,当埋深,小于,50m,的时候隧道发生破坏的几率很大,高达同组的,57.89%,其中严重破坏率为,10%,；,当深度,大于,50m,时破坏程度会明显降低,严重破坏率一般为,1%,2%,；,当深度,超过,100m,则几乎不会发生严重的破坏。,隧道结构断面形状和刚度发生明显变化的部位容易发生破坏。如紧急停车带、支洞洞口处等。,2),所处岩层类型和地质构造。,隧道所处的,地质条件,直接影响地震作用时隧道周围介质对隧道,作用力的大小和方,式,而作用于隧道上力的方式对,隧道的破坏形式,有决定性的作用。,表,6-3 1999,年台湾集集地震隧道震害统计,隧道内次级断裂带两侧一定范围内，震害特别显著。,如：龙溪隧道进口左洞,LK22+115,附近发育,F8,断层，震后发现在该断层两侧各约,100m,范围内（,LK22+011LK22+220,）出现二衬砼坍落、开裂和错台以及仰拱隆起（最大达,60cm,）等严重震害现象。,6.2,隧道震害的机理及影响因素,3),地震烈度,大量震害资料表明,:,地震的震级和震中距,(,地震烈度,),对地下结构的震害有显著影响。在相同的场地条件下平均震害率随地震烈度的增加而增加。,汶川地震中，距离震中越近的隧道震害越强烈。烧火坪隧道和龙溪隧道就在震中映秀附近，因此，其震害程度非常严重；都汶公路高速段的三座隧道距离汶川地震中的直线距离小于,20km,，震害均为严重受损，而且随着震中距的减小隧道受损变得更加严重。,6.2,隧道震害的机理及影响因素,4),隧道所处的空间方位,平行,或是斜交于隧道洞轴线传播的地震波会引起隧道,轴向变形和弯曲变形,；,垂直,或是近于垂直隧道洞轴线传播的地震波会引起隧道,环形变形；,6.2,隧道震害的机理及影响因素,周围岩土介质与支护结构刚度失配,容易在两者间产生较大的相互地震作用力,结构产生过度变形而破坏。,隧道结构内力随衬砌厚度的增加而增大。因此增加衬砌厚度对结构抗震并不利,反而会增加成本,浪费材料。因此在进行隧道设计时,衬砌厚度的选择应该综合考虑。,5),隧道结构及支护厚度,图,6-28,龙溪隧道：振动触发地应力瞬间释放：仰拱强烈隆起、右边墙突出,6),地应力,6.2,隧道震害的机理及影响因素,（,1,）选址与规划设计方面,在强震区避免隧道直接穿越活动断裂，穿越活动断裂带的次级断层时必须要加强抗震设防措施，在次级断裂带两侧一定范围内二次衬砌应采用钢筋混凝土结构。,6.3,隧道抗减震启示,（,2,）洞口段,山岭隧道洞口边坡在强震作用下的稳定性直接关系到隧道运营安全，地震中极易产生崩滑、掩埋洞口、毁坏洞门、中断交通。,因此，强震区洞口边坡应加大防护力度，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。,（,3,）隧道衬砌结构,软岩与硬岩之间的过渡地带、围岩质量突变地带等，隧道断面发生突变处、两洞相交部位和紧急停车带等其地震动及动位移、动应力响应均与周边较大差异，易遭受破坏。抗震的薄弱环节，应加强抗震设防措施。,衬砌刚度应该,“,刚柔平衡,”,