巖石力學與工程科普—高烈度地震區(qū)復雜山區(qū)交通線路的寵兒?隧道及地下工程

1、概述

地震是地殼快速釋放能量過程中造成的振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。地球上板塊與板塊之間的碰撞（圖1），經(jīng)常會發(fā)生地震，造成巨大的災害和經(jīng)濟損失。地球上主要存在兩條地震密集帶：環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶。環(huán)太平洋地震帶的地震活動最為強烈，全世界約75%的地震發(fā)生于此。而全世界約22%的地震發(fā)生于歐亞地震帶（圖2），這兩個地震帶位于大陸內(nèi)或近大陸的板塊邊緣。據(jù)統(tǒng)計，地球上每年約發(fā)生500多萬次地震，即每天要發(fā)生上萬次的地震。其中絕大多數(shù)太小或太遠，以至于人們感覺不到。真正能對人類造成嚴重危害的地震大約有十幾二十次，能造成特別嚴重災害的地震大約有一兩次。

圖1 板塊運動圖

圖2 全球地震帶分布圖

中國處于環(huán)太平洋板塊、歐亞板塊和印度洋板塊等幾個板塊相鄰的重要位置。由于板塊間的相互作用，加之歐亞板塊深部地球動力作用的影響（圖3），活動斷裂十分發(fā)育，由此產(chǎn)生了大地震的能量源泉。伴隨有強烈的地震活動，地震空間分布呈三角形，我們稱之為我國西部及鄰區(qū)強震活動的“大三角”地區(qū)（圖4）。我國的地震活動特點是發(fā)生頻率高、強度大、震源淺、分布廣。有歷史記載以來，中國大陸幾乎所有8級和80%-90% 的7級及以上強震都發(fā)生在板塊交界處。20世紀以來，我國發(fā)生6級及以上地震超過800次，遍布除貴州和浙江兩省與香港特別行政區(qū)以外的所有省、自治區(qū)和直轄市。2022年，中國全年大陸地區(qū)共發(fā)生5.0級以上地震27次，造成直接經(jīng)濟損失224億元?？梢哉f，中國占全球土地7%的國土上承受了全球33%的大陸強震，是世界上最大的大陸淺源強震活動區(qū)。

圖3 印度板塊與歐亞板塊碰撞

圖4 我國西部及鄰區(qū)“大三角”地區(qū)7級以上地震分布

強烈的地震常常造成嚴重人員傷亡，使各類建（構(gòu)）筑物倒塌和損壞，設備設施損壞、通訊中斷等被破壞，同時可能引起火災、水災、有毒氣體泄漏、細菌及放射性物質(zhì)擴散，還可能造成道路破壞、海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災害（圖5）。

（a）道路垮塌

（b）橋梁垮塌

（c）海嘯

（d）泥石流

圖5 地震災害

地震是無情的，有著自己的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律，研究和探索地震的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律對于交通線路方案的選擇起著非常重要的作用。我們在防震抗震的斗爭過程中，積累了一些經(jīng)驗，但還需要進一步探索地震災害的規(guī)律，由此可以提出減少地震災害影響的措施，保證交通工程建設與交通運輸?shù)捻樌M行，保障國民經(jīng)濟發(fā)展與人民生命財產(chǎn)的安全。

2、汶川地震

2008 年 5 月 12 日 14 時 28 分，四川省汶川縣發(fā)生了里氏 8.0 級特大地震，這是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最廣、救災難度最大的一次特大自然災害（圖6）。交通基礎設施在此次地震中受到嚴重的破壞，路基被掩埋和淹沒、橋梁垮塌、隧道受損，通往災區(qū)的道路一度完全中斷，給搶險救災帶來極大的困難。

汶川地震屬于典型的逆沖擠壓斷層型地震，是龍門山逆沖推覆體向東南方向推擠并伴隨順時針剪切共同作用的結(jié)果（圖7）。龍門山斷裂主要包括前山斷裂（灌縣-安縣斷裂）、中央斷裂（北川-映秀斷裂）和后山斷裂（漢川-茂縣斷裂）。

圖6 汶川地震震害區(qū)劃分

圖7 龍門山地貌與斷裂示意圖

汶川地震發(fā)生后，據(jù)不完全統(tǒng)計21條高速公路與16條國省干線公路的隧道、橋梁、路基和路面等結(jié)構(gòu)物不同程度的受損，全國公路受損里程累計達53295公里。成(都)綿(陽)高速公路交通中斷，綿(陽)廣(元)高速公路因地震全線雙向封閉。都江堰通往汶川的公路、四川阿壩州境內(nèi)多條國省干線公路等全部交通中斷，途經(jīng)汶川震中的G213道路松潘縣境內(nèi)、安宏縣道松平路雙河以下、小金境內(nèi)省道303/210交通全部中斷，尤其是阿壩州公路交通損失嚴重。全州國省干線公路、農(nóng)村公路、道班房、橋梁、安保設施等均受到不同程度的破壞，特別是汶川縣、茂縣、理縣和黑水縣交通設施毀壞極為嚴重。

截止2008年5月18日，阿壩州全州交通設施損失金額初步統(tǒng)計達166億元，公路大部分出現(xiàn)邊坡滑坡、崩塌、開裂和沉陷、受災里程達6043公里；橋梁出現(xiàn)短路、落梁等震害，受災橋梁896座。

3、高烈度地震區(qū)交通工程的堅強者 ——隧道及地下工程

在地震發(fā)生時，由于隧道工程被周圍土體強約束著，通常情況下隧道與巖土體同步震動，所以被行業(yè)內(nèi)人士普遍認為隧道及地下工程具有良好的抗震性能。在復雜地質(zhì)環(huán)境條件交通工程選線中，隧道工程成為首選方案。通過汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大部分的隧道工程都能夠在短時間內(nèi)搶通，這也說明了隧道是一種抗震性能比較好的交通建筑形式，對于保障震后生命線的暢通有著非常重要的意義。

2008年“5.12”汶川大地震中，由于高烈度地震區(qū)主要位于交通不便的山區(qū)，隧道就成了災區(qū)道路搶險救災的關鍵控制節(jié)點之一。依據(jù)汶川大地震震后四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院調(diào)研情況，四川境內(nèi) 56座公路隧道的震害檢測資料進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示：其中 11.5%的隧道出現(xiàn)極嚴重破壞，5.8%的隧道出現(xiàn)嚴重破壞，19.2%的隧道出現(xiàn)中等破壞，44.2%的隧道出現(xiàn)輕微破壞，僅有 19.3%的隧道未出現(xiàn)明顯震害，見圖8所示。地震后可搶通通行的 55 座，占所調(diào)查隧道總數(shù)的 98.2%，說明隧道工程是一種抗震性能比較好的交通建筑形式，對于震后生命線的暢通起著重要的作用。

圖8 汶川地震四川境內(nèi)公路隧道破壞分級情況

隧道震害調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，在隧道洞口和斷層附近隧道結(jié)構(gòu)震害發(fā)生的重點部位，需要重點關注。從現(xiàn)場調(diào)查的震害情況來看，都（江堰）汶（川）公路高速路段和二級路段的隧道整體上基本穩(wěn)定，地震給隧道帶來僅為局部的損壞，即隧道外露洞口部分發(fā)生砸壞、堵塞和外部裝飾脫落以及個別風機、燈具等附屬設施松動現(xiàn)象，部分施工縫有微小開裂現(xiàn)象，個別隧道洞身襯砌局部開裂、路面未見異常情況。二級路段隧道，只需進行簡單的檢查、清理、修復即可保通。三級路段的3座隧道的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，應急階段若需要利用只需進行簡單的檢查、清理、修復即可（圖9、10）。

圖9 燒火坪隧道洞門震后被掩埋實景

圖10 燒火坪隧道搶通后的出口洞門實景

據(jù)初步統(tǒng)計，在四川大地震中，四川省交通基礎設施損失達583億元。但從受損的原因看，由地震直接造成破壞的比例很小，絕大部分破壞是由山體滑坡、泥石流、堰塞湖等間接原因引起的。而交通線路中隧道工程能夠有效回避到地震過程中發(fā)生的嚴重的次生災害（圖11），例如滑坡、泥石流、崩塌等，確保交通線路的暢通（稍加修復即可）。

圖11 隧道洞口崩塌落石

圖12 隧道混凝土剝落塌方

綜上所述，在強烈的地震動條件下，交通線路工程將遭受嚴重破壞，公路邊仰坡將出現(xiàn)滑坡、崩塌、開裂和沉陷震害，橋梁工程出現(xiàn)倒塌、落梁等震害，然而隧道工程僅僅在洞口段出現(xiàn)洞門掩埋、墻體拉裂或損傷，斷層破碎帶出現(xiàn)襯砌開裂、錯臺或局部坍塌等震害（圖12），距震源50km以外的隧道均未受到損壞。由此可以看出在高烈度地震區(qū)隧道工程是天然的抗震結(jié)構(gòu)體，具有良好的抗震性能，是防災減災的庇護所。

**4、****復雜環(huán)境條件交通工程建設的寵兒——**隧道及地下工程

中國西部地區(qū)地處“地球第三極” 青藏高原東南緣，復雜的地質(zhì)演化過程導致交通工程的規(guī)劃建設需要面臨前所未有的工程地質(zhì)問題，是世界上地形地質(zhì)及氣侯條件最復雜、 建設和運營難度最大的工程， 曾被國內(nèi)外專家稱為鐵路修建的“禁區(qū)”。該區(qū)域工程建設面臨著“顯著的地形高差、 強烈的板塊活動、 頻發(fā)的山地災害、敏感的生態(tài)環(huán)境、 惡劣的氣侯條件、 薄弱的基礎設施” 等復雜環(huán)境。

目前，成（都）蘭（州）鐵路克服了地形高差、地震頻發(fā)、復雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、山地災害、高原缺氧以及生態(tài)環(huán)保等復雜環(huán)境難題，即將建成通車。成蘭鐵路工程正線長458公里，從海拔500米的成都平原上升至海拔3400米的青藏高原東緣，正線橋隧比高達80%，其中隧道占比64%，新建隧道33座共長332km，全線長度大于10km隧道共14座，大于20公里的隧道2座，最長隧道為平安隧道長40.4km。復雜環(huán)境條件成蘭鐵路工程大量采取了隧道工程方案（圖13），避免了大量地質(zhì)災害的破壞，保障成蘭鐵路工程建設與運營。

圖13 成蘭鐵路成都至川主寺段

另外一條正緊鑼密鼓進行中的高原鐵路，中間段長度1018km，集合了山嶺重丘、高原高寒、風沙荒漠、雷雨雪霜等多種極端地理環(huán)境和氣候特征，跨14條大江大河、20余座4000米以上的雪山，被稱為“最難建的鐵路”，其隧線比（隧道長度占全線長度）超過80%（超過800km），同樣大量采取了隧道工程方案，就是充分利用了隧道工程防震減災作用，也發(fā)揮其能夠穿山越嶺的優(yōu)勢，提高線路的平順性，確保鐵路的安全順利運行。

在中國西部板塊活動交接處、縫合帶等高烈度地震區(qū)，交通工程建設面臨復雜多變環(huán)境，建設風險極高，如何保障交通工程安全運營是一個非常棘手的問題。通過以往的工程案例可以看出，隧道及地下工程建設方案是有效解決長大交通工程安全運營的難題，這就是為什么成蘭鐵路等西部高原鐵路選線中優(yōu)先采取了隧道工程方案重要原因。未來，隧道及地下工程將在交通基礎設施防災減災中發(fā)揮更大的作用，成為復雜山區(qū)交通工程線路選線方案中的寵兒，持續(xù)發(fā)揮著保障交通工程建設與運營安全的功能。

（供稿 申玉生 文中部分照片來自互聯(lián)網(wǎng)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除）