地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究
摘要：随着我国铁路、公路等交通工程建设的快速发展，铁路、公路隧道的数
量迅速攀升。

但是已运营隧道暴露出或多或少的病害，其中衬砌背后空洞是隧道
病害中最普遍的现象之一。

由于不像衬砌开裂和渗漏水等病害那么直观可见，其
潜在危害性更大，严重的衬砌背后空洞会直接影响衬砌结构的承载力，危及行人
和行车安全。

关键词：地震作用；隧道衬砌；背后空洞影响机制；
我国是一个多山地国家，山地面积占全国领土面积的三分之一。

随着我国公路和铁路建
设的不断开展，山岭隧道作为国家建设的基础工程已经成为其重要组成部分。

一般认为由于
埋深较大，与地表结构相比，地震动放大效应没有或很小因此山岭隧道具有较好的抗震性能。

一、隧道震害影响因素分析
隧道洞口边坡的地形条件以及地质状况对洞口的抗震能力影响比较大。

隧道洞口地段埋
深浅，覆盖层多为强风化的堆积体，当强烈地震发生时，容易造成滑坡、崩塌、洞门开裂、
衬砌变形等震害。

当隧道洞身段所处地层由软岩过渡到硬岩、地层刚性发生突变、存在固结
度小的松散堆积体或软弱破碎岩体时，地层的应力、位移响应亦有较大的不同，容易造成隧
道结构的开裂、剥落，乃至崩塌。

龙溪隧道的地质条件复杂，如图2-3所示，位于软硬岩交
界处的隧道洞身，其震害程度比较大。

地层位移和隧道表层土自身惯性力产生的振动是影响
浅埋隧道地震响应的两个重要因素。

一般而言，深埋隧道的围岩地质条件较好，故隧道的震
害案例很少。

然而，汶川地震中龙溪隧道洞身段埋深为500m处仍发生了衬砌混凝土大面积
塌落、结构开裂等破坏。

因此，覆土层的厚度、地层条件、基岩面的深度共同影响着隧道的
受震行为。

隧道断面的变化处、隧道分叉处或是汇合处、与不同结构物的结合处、急曲线处、急坡处等都是隧道构造抗震上的薄弱环节。

当衬砌背面存在空洞或拱顶衬砌厚度不足时，地
震作用下围岩不能对衬砌结构形成有效支撑、不能抑制结构的变形，因此，可能导致衬砌的
拱顶开裂、混凝土剥落，甚至坍塌。

经过震害调查，龙溪隧道左线发生的串珠式塌方最长达
到79m，塌渣体的高度大于25m，塌腔的规模比较大。

此外，对于采用无筋混凝土衬砌的隧道，衬砌厚度较大地段的震害程度高于衬砌厚度相对较小的地段。

震后，施工中出现事故的
隧道区段再次出现了严重破坏，因此隧道前期的施工条件也是造成隧道震害的一个主要因素。

二、地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制
1.分析方法。

一般情况下，地震时造成隧道纵向产生变形的主要原因是由于地震引起的
相位差，其中包括因地震波传播特性不同而引起的相位差和因地层条件突变而引起的相位差。

在实际工程中，以往的地下结构抗震设计标准或规范所介绍的研究方法大多偏重于前者，而
研究因地层条件突变引起的隧道纵向相位差则需要采用有限元数值解析法。

当地震动的加载
方向沿隧道纵向时，由地震传播时间不同而产生的隧道纵向相位差（应用波动理论分析法[或
考虑现场观测数据）很小，可以忽略不计。

因此，在进行隧道纵向抗震验算时，可以不考虑
由于地震波传播相位的差异而引发的隧道纵向变形，分析的重点应放在地震时因地层的不均
匀性而致使隧道产生纵向拉压破坏的情况。

应答变位法的基本原理是求得地震时隧道所在地
层的最大相对位移，然后将其作为静荷载通过地层弹簧作用于隧道结构上，进而求解隧道结
构的内力和变形。

该法需要分别进行隧道所在地层的地震响应分析和隧道结构的拟静态分析，依据极限状态设计法对隧道结构的抗震能力进行评价。

2.衬砌结构的震害机理分析。

静力荷载作用时，衬砌拱顶内侧和拱肩外侧的拉应力很小，衬砌结构上无裂缝产生。

水平地震作用下，惯性力作为附加荷载，使得山岭隧道浅埋段内的
二次衬砌随着围岩发生往复的剪切变形，致使隧道断面上产生正负交替的附加弯矩。

随着地
震输入的不断增大，衬砌结构沿着起拱线±45°和±135°方向发生开裂，在左右交替的地震荷载
作用下，裂缝由开口转向闭口，再由闭口转向开口，直至裂缝贯通并沿着隧道纵向开展。

与
此同时，当水平地震加速度峰值达到1.0g 时，衬砌边墙内侧的受压应变急剧增长直至形成衬
砌内外裂缝贯通，并水平地震作用下，惯性力作为附加荷载，使得山岭隧道浅埋段内的二次
衬砌随着围岩发生往复的剪切变形，衬砌结构沿着起拱线±45°和±135°方向产生正负交替的附
加弯矩。

伴有衬砌内侧的混凝土剥落、掉块。

水平地震作用下衬砌结构的破坏过程随着水平
地震输入的逐级增大，衬砌模型的周向应变增幅明显，而衬砌纵向的应变数值很小且几乎没
有发生变化。

振动台地震模拟实验的结果再现了龙溪隧道的实际震害。

3.空洞对隧道地震动力响应分析。

在地震荷载作用下，隧道衬砌背后空洞径向大小不同
的情况下，随着空洞径向尺寸的增大，衬砌拱顶处最大主应力有由压应力向拉应力转化的趋
势同理，其余计算工况分析也主要考虑隧道结构的应力及内力等地震动力响应，因篇幅关系
只给出各影响因素作用下的主要结论：一是，随着空洞尺寸的增大，衬砌拱顶处最大主应力
有由压应力向拉应力转化的趋势。

说明由于空洞的存在，改变了支护结构的受力状态。

空洞
部位衬砌结构处于受拉状态，且随着空洞尺寸的增大，衬砌结构所受的拉应力有所增大。

可
知空洞越大，衬砌结构所处受力状态越不利。

二是，当空洞位于拱顶位置时对隧道产生的不
利影响最大，在地震作用下空洞部位附近为最薄弱部位；隧道埋深越小、围岩级别越差，对
含空洞隧道抗震越不利，应避免空洞产生或及时对空洞进行加固。

综上可知，衬砌背后空洞
的存在对隧道抗震产生不利影响，在实际工程中需要严格控制，且应对已产生空洞隧道及时
作加固处理。

隧道结构动力响应受到上述各因素的影响，下面利用参数敏感性分析的方法来
研究空洞位置、径向大小、环向大小、轴向大小、围岩级别和隧道埋深等因素对空洞隧道拱
顶最大主应力的影响程度大小。

隧道拱顶最大主应力与各因素关系拟合公式、敏感度函数及
敏感度因子等计算结果如空洞对隧道影响敏感性大小依次是围岩级别、空洞环向大小、空洞
位置、空洞径向大小、空洞轴向大小和隧道埋深，其中围岩级别最敏感，隧道埋深最不敏感。

就空洞尺寸而言，空洞三个方向的尺寸对隧道抗震影响从大到小依次为：环向、径向、轴向。

因此在治理隧道空洞时也应考虑利用这个规律。

4.抗震措施的提议。

通过注浆加固等手段来控制围岩变形；提高隧道结构的延性以增强
其变形能力，减轻地震响应。

衬砌拱顶背后存在空洞对隧道抗震能力的影响非常大。

若空洞
分布小于以拱顶为中心左右各30°范围时，需采用小导管注浆加固对围岩进行补强处理；若
空洞分布大于以拱顶为中心左右各30°范围时，应考虑对该区段内的二次衬砌拆除重建或施
作钢筋混凝土套衬进行补强。

当衬砌结构位于软弱破碎的地层或刚性突变的地层时，应对其
全断面双向布设配筋率为0.2%的加强钢筋，防止无筋混凝土衬砌在地震时突发崩塌，提高隧
道的整体抗震性。

当地层的弹性剪切波速大于相邻地层的弹性剪切波速的2.5倍时，应考虑
在地层交界处300m范围内的衬砌结构上配置Φ12@250的纵向受力钢筋以提高其整体纵向
抗拉强度，防止因地震作用而引起衬砌结构的环向开裂。

目前，国内外学者在隧道及地下结构抗震加固领域取得了不少成果，但大多研究仅限于
以无空洞隧道为研究对象，而对有空洞隧道受地震影响的研究很少。

当空洞位于拱顶时对隧
道衬砌结构影响最大，所以在实际工程中，拱顶部位应避免产生空洞并应及时加固治理。

参考文献
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