袁 松, 鄭國強(qiáng), 張 生, 黎良仆

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610017)

0 引言

我國西部地區(qū)地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，山高坡陡，地震頻發(fā)，加之極端氣候頻現(xiàn)，山體滑坡、高位崩塌落石等次生地質(zhì)災(zāi)害頻繁，對公路的安全運(yùn)營造成了巨大威脅?！?·12”汶川地震以后，應(yīng)對高位崩塌的技術(shù)對策引起高度重視，在原位恢復(fù)重建中，因明洞、棚洞本身具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，被認(rèn)為是最為有效的解決方案。因此，在四川山區(qū)公路災(zāi)后重建中修建了大量明(棚)洞結(jié)構(gòu)，為保障公路安全運(yùn)營發(fā)揮了巨大的作用。

近年來，眾多學(xué)者在明(棚)洞結(jié)構(gòu)及其相關(guān)領(lǐng)域做了大量工作。四川省交通運(yùn)輸廳2011年立項(xiàng)《山區(qū)公路防災(zāi)減災(zāi)鋼棚洞設(shè)計(jì)建造技術(shù)研究》、2013年立項(xiàng)《公路棚洞提高抗落石沖擊能力關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用性研究》、2018年立項(xiàng)《裝配式鋼箱棚洞的研究與開發(fā)》，對鋼棚洞、混凝土棚洞、裝配式鋼棚洞進(jìn)行了系列研究，通過原型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得到了棚洞抗沖擊性能的變化規(guī)律； 文獻(xiàn)[1-2]采用模型試驗(yàn)對拱形棚洞、框架型棚洞抵抗落石沖擊的力學(xué)性能進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬對5種不同結(jié)構(gòu)類型的棚洞進(jìn)行了抗落石沖擊的對比研究； 文獻(xiàn)[4-5]利用動力有限元模擬了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料換填回填土層，研究了明洞結(jié)構(gòu)的受力及緩沖性能； 文獻(xiàn)[6]對山區(qū)公路大跨異型棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究； 文獻(xiàn)[7-8]主要是對隧道病害進(jìn)行研究； 文獻(xiàn)[9-12]主要集中于對明(棚)洞結(jié)構(gòu)承載能力的研究； 文獻(xiàn)[13-15]主要集中于對明(棚)洞抗落石沖擊能力的研究。以上文獻(xiàn)缺乏對明(棚)洞病害形態(tài)、特征的現(xiàn)場普查及系統(tǒng)研究。明(棚)洞主要應(yīng)對的崩塌落石等次生災(zāi)害具有很大的不確定性，因此了解和掌握明(棚)洞的病害形態(tài)，分析病害產(chǎn)生的原因，對正確采取對策具有重要意義。本文通過對“5·12”汶川地震后建設(shè)的40余座明(棚)洞10余年間經(jīng)歷地震、暴雨后產(chǎn)生病害的跟蹤調(diào)查，初步統(tǒng)計(jì)病害情況，系統(tǒng)性地描述各種病害類型，分析病害產(chǎn)生的原因，簡述并評價(jià)修復(fù)措施及效果，得出防災(zāi)減災(zāi)明(棚)洞建設(shè)的教訓(xùn)及啟示。

1 公路明(棚)洞病害形式及概況

1.1 明(棚)洞病害形式

明(棚)洞主要是為了防御高位崩塌落石、泥石流等邊坡問題而設(shè)置，其長度及洞口位置的選擇受主觀因素影響較多，但往往地質(zhì)條件都比較差，多為嚴(yán)重風(fēng)化的巖體，且覆蓋層較薄，其病害主要體現(xiàn)在洞口、上下邊坡及結(jié)構(gòu)3個(gè)部位。

1.2 明(棚)洞病害概況

通過對G213映汶路、G213川汶路、G317汶馬路、G245烏甘路、S209龍三路、S463亞三路6條公路上40余座“5·12”汶川地震后建成的鋼筋混凝土明(棚)洞在經(jīng)歷2013年“4·20”蘆山地震、2017年“8·8”九寨溝地震、連續(xù)余震以及眾多暴雨等災(zāi)害以后的跟蹤調(diào)查，獲得了第一手的公路明(棚)洞病害及破壞資料。各種病害分布及所占比例如圖1所示。表1列出了明(棚)洞病害的主要形式，推斷了造成各種病害的原因，并給出了建議處理措施，以供明(棚)洞病害整治參考。各明(棚)洞的基本情況及發(fā)生過的主要病害情況見表2。

圖1 各類病害分布圖

圖1、表2中所列病害是有記錄的較嚴(yán)重的病害，其他小型病害如零星落石、細(xì)微裂縫等不計(jì)其數(shù)，未納入統(tǒng)計(jì)中。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：

1)洞口或開孔被掩埋所占比例超過50%，是最主要的病害類型，充分體現(xiàn)了設(shè)置明(棚)洞的必要性。

2)結(jié)構(gòu)開裂、結(jié)構(gòu)破壞均屬于結(jié)構(gòu)受損，是對明(棚)洞運(yùn)營安全有重要影響的類型，二者以受損程度進(jìn)行區(qū)分，共同占比約22%。

3)下邊坡失穩(wěn)發(fā)生的概率最低，不足10%。

表1 明(棚)洞病害類型及建議處理措施

表2 明(棚)洞基本情況及病害統(tǒng)計(jì)

2 明(棚)洞高危病害案例分析及建議

明(棚)洞各類病害中，以洞口或開孔被掩埋、下邊坡失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)破壞對公路交通與明(棚)洞本身的影響最大，是需要重點(diǎn)關(guān)注的3種類型。下面通過具體案例對各類病害進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)建議。

2.1 七星關(guān)明洞洞口被掩埋分析

2.1.1 病害情況

G213川汶路南新鎮(zhèn)白巖子路段在汶川地震災(zāi)后重建時(shí)，為防治高位崩塌建設(shè)了100 m長的七星關(guān)明洞，2011年初基本竣工，汶川地震時(shí)該段邊坡崩塌體堆積的現(xiàn)場情況如圖2所示。2015年9月30日下午4時(shí)許，茂縣南新鎮(zhèn)白巖子邊坡發(fā)生大規(guī)模高位崩塌，導(dǎo)致七星關(guān)明洞汶川端洞口落石、飛石嚴(yán)重；川主寺端

洞口及多處開孔被埋，同時(shí)垮塌的堆積體還將路基段掩埋約100 m長，導(dǎo)致G213公路中斷，垮塌后的邊坡全景如圖3所示。

圖2 汶川地震未修筑七星關(guān)明洞時(shí)的崩塌體

Fig. 2 Collapse in Wenchuan Earthquake when Qixingguan Opencut Tunnel had not been built

圖3 七星關(guān)明洞內(nèi)側(cè)邊坡概貌及工程地質(zhì)分區(qū)

2.1.2 病害機(jī)制簡析

2008年“5·12”汶川地震時(shí)僅A區(qū)發(fā)生了較大規(guī)模的崩塌(見圖2)，因此七星關(guān)明洞最初的長度僅設(shè)置了100 m以防治A區(qū)的崩塌。

汶川地震后，上萬次余震、特大山洪泥石流、“4·20”蘆山地震等災(zāi)害的不斷影響下，原本破碎且風(fēng)化嚴(yán)重的山體崩塌范圍逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致A、B、C區(qū)發(fā)生大規(guī)模崩塌，D區(qū)受到崩塌的影響出現(xiàn)松動跡象(見圖3)。

2.1.3 處理措施及效果

通過對各個(gè)邊坡區(qū)域危害程度的分析，最終采取在A區(qū)左側(cè)接長50 m明洞，B、C區(qū)接長150 m明洞，D區(qū)進(jìn)行坡面防護(hù)的工程措施。

該處理措施能徹底解決A、B、C區(qū)再次發(fā)生高位崩塌的威脅。D區(qū)坡面防護(hù)在2016年初實(shí)施完成以后，經(jīng)受住了2017年“8·8”九寨溝地震及特大暴雨的考驗(yàn)，但還需對其坡面穩(wěn)定性隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，保障公路行車安全。

2.2 麻柳灣明洞下邊坡失穩(wěn)分析

2.2.1 病害情況

G213映汶路麻柳灣段位于岷江左岸，地形陡峻，內(nèi)側(cè)基巖裸露。2008年“5·12”汶川地震誘發(fā)麻柳灣路段內(nèi)側(cè)高位崩塌，崩積體侵占了約1/6的岷江河道，阻斷交通，后期發(fā)展為坡面泥石流； 同時(shí)，麻柳灣對岸關(guān)山溝發(fā)生更大規(guī)模泥石流，其堆積扇侵占了約2/3的岷江河道，致使麻柳灣路段路基下邊坡成為頂沖岸。2009年6月，防御麻柳灣坡面泥石流及崩塌體的麻柳灣明洞竣工，但為滿足汶川地震周年紀(jì)念時(shí)映汶路全線貫通的要求，未及時(shí)實(shí)施側(cè)墻下的樁基；2010年岷江爆發(fā)“8·13”特大山洪泥石流，明洞側(cè)墻與拱形襯砌處出現(xiàn)2～3 cm豎向貫通裂縫，側(cè)墻有傾覆跡象，路基下邊坡沖刷嚴(yán)重。麻柳灣明洞下邊坡從明洞施工前到防沖墻建成以后的整個(gè)演變過程如圖4所示。

(a) 明洞施工前外側(cè)較寬(2008-11)

(b) 無防沖墻下邊坡沖刷嚴(yán)重(2010-08)

(c) 設(shè)防沖墻后下邊坡基本穩(wěn)定(2011-07)

圖4麻柳灣明洞下邊坡沖刷演化過程

Fig. 4 Erosion evolution process of lower slope of Maliuwan Opencut Tunnel

2.2.2 病害機(jī)制簡析

1)麻柳灣明洞外側(cè)為汶川地震崩塌堆積體，結(jié)構(gòu)松散，側(cè)墻置于堆積體上而明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)大部置于原老路路基上，側(cè)墻與明洞發(fā)生不均勻沉降。

2)明洞建設(shè)時(shí)未及時(shí)按設(shè)計(jì)實(shí)施側(cè)墻下的樁基，不能有效控制明洞側(cè)墻發(fā)生變形。

3)“8·13”特大山洪泥石流來勢兇猛，麻柳灣明洞對岸關(guān)山溝也爆發(fā)大型泥石流，河道被嚴(yán)重壓縮，麻柳灣明洞路基下邊坡為頂沖岸，下邊坡沖刷嚴(yán)重。

2.2.3 處理措施及效果

通過病害機(jī)制分析，控制沉降、防治沖刷為明洞下邊坡病害整治方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。麻柳灣明洞對應(yīng)下邊坡采用8 m高重力式防沖墻(埋入河床以下4 m)，防沖墻上部設(shè)15 m高實(shí)體護(hù)坡，并設(shè)置12 m錨筋加固下邊坡。

在2011年初完成以上方案施工以后，麻柳灣明洞下邊坡經(jīng)受住了多次山洪泥石流的考驗(yàn)，至今未出現(xiàn)沖刷及失穩(wěn)的情況，保證了明洞的安全穩(wěn)定。

2.3 大岐棚洞結(jié)構(gòu)破壞分析

2.3.1 病害情況

大岐滑坡為G317汶馬路內(nèi)邊坡之上的高勢能滑坡，滑體體積約200萬m3，滑坡前緣垮塌和飛石嚴(yán)重威脅著車輛和行人的安全。2002年遵循不直接對滑坡體進(jìn)行整治，采用棚洞臨時(shí)防護(hù)方案攔截坡面飛石，保證公路的正常運(yùn)營的原則，修建了大岐棚洞。該棚洞頂部為獨(dú)立簡支橫向主梁及縱向板的結(jié)構(gòu)形式。

2008年“5·12”汶川地震時(shí)大岐棚洞未受損，但其前后路段因有落石飛石威脅，在災(zāi)后重建中進(jìn)行了加長棚洞處理；2012年、2016年棚洞2次被高位飛石砸中，沖擊能量巨大，均發(fā)生3～4片主梁及外側(cè)排架嚴(yán)重破壞的病害，2012年棚洞破壞情況如圖5所示； 2017年棚洞再次被飛石砸中，發(fā)生縱向板破損及排架縱梁開裂的結(jié)構(gòu)損傷。

(a) 飛石砸壞頂梁時(shí)的破壞

(b) 修復(fù)時(shí)挖除破損結(jié)構(gòu)

(c) 修復(fù)加固完成以后的情況

圖5大岐棚洞結(jié)構(gòu)2012年被砸壞及修復(fù)的情況

Fig. 5 Structural damage and repairing situation of Daqi Opencut Tunnels

2.3.2 病害機(jī)制簡析

1)大岐滑坡本身為高位高勢能滑坡，邊坡頂部有較多的松散堆積體，具備產(chǎn)生高沖擊能量飛石及高位崩塌的條件。

2)2002年初次整治時(shí)受經(jīng)濟(jì)條件所制約，大岐棚洞原設(shè)計(jì)的定位僅為臨時(shí)防護(hù)方案，其防護(hù)能力有限，不能抵抗過高的沖擊能量； 同時(shí)，未對滑坡進(jìn)行直接整治，不能消除產(chǎn)生高能沖擊的原始條件。

3)盡管大岐棚洞建成近10年未發(fā)生大型破壞，但其威脅仍然存在，在經(jīng)歷汶川地震及余震、多次暴雨沖刷等災(zāi)害以后，邊坡上部松散堆積體出現(xiàn)進(jìn)一步松動跡象，接連發(fā)生落石飛石等災(zāi)害。

2.3.3 處理措施及效果

由于落石飛石沖擊具有很大的不確定性，因此采用全面加固處理的方式不合理，最終擬定對砸壞的頂梁以及縱向排架均采用拆除重建的方式原位恢復(fù)，在不降低公路通行能力的情況下，盡量提高防護(hù)能力。具體措施為將原有的獨(dú)立簡支梁+縱向板的頂部結(jié)構(gòu)調(diào)整為現(xiàn)澆整體T梁頂板結(jié)構(gòu)，外側(cè)排架縱梁中間增設(shè)支頂結(jié)構(gòu)，可以有效提高結(jié)構(gòu)整體性及抗沖擊能力。

原位重建以后，相同位置至今未發(fā)生再次破壞。但這并不意味著結(jié)構(gòu)一定安全，仍然有被高能沖擊破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)對汶川地震震后10年明(棚)洞病害的跟蹤調(diào)查與分析，得出對于防災(zāi)減災(zāi)明(棚)洞應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，建議從選址、設(shè)計(jì)到施工做好以下工作：

1)做好明(棚)洞選址及調(diào)查工作。用發(fā)展變化的眼光看待邊坡地質(zhì)病害，綜合區(qū)域地質(zhì)情況、巖體層面結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度等因素，科學(xué)確定明(棚)洞設(shè)置位置及防護(hù)長度。

2)合理估算沖擊荷載，選擇合適的明(棚)洞結(jié)構(gòu)。借助無人機(jī)攝影等先進(jìn)技術(shù)手段，基本掌握上邊坡危巖發(fā)育情況，估算出合理的沖擊荷載，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)選型。

3)設(shè)置可靠的防沖結(jié)構(gòu)，確保路基下邊坡穩(wěn)定。充分考慮山區(qū)河流沖刷嚴(yán)重的特點(diǎn)，結(jié)合河流形態(tài)、水電站設(shè)置情況等影響因素，確定沖刷深度。

4)加強(qiáng)明(棚)洞結(jié)構(gòu)抗沖擊能力研究，科學(xué)設(shè)置經(jīng)濟(jì)、有效的回填緩沖層，提高結(jié)構(gòu)安全冗余度；同時(shí)明(棚)洞設(shè)計(jì)可考慮易拆換結(jié)構(gòu)，在其受到嚴(yán)重破壞時(shí)便于快速修復(fù)。

5)重視施工期間的安全防護(hù)，確保施工質(zhì)量。

以上建議主要基于跟蹤調(diào)查結(jié)果提出，未深入分析崩塌落石對明(棚)洞的沖擊力學(xué)問題，今后可在沖擊荷載估算、結(jié)構(gòu)抗沖擊能力提高等方面進(jìn)一步探討與研究。