我国的公路隧道大量修建于20世纪90年代以后，2008年5月12日前尚未经受过破坏性地震的考验，对于公路隧道抗震及减震技术的研究工作还进行得很少，公路隧道抗震及减震技术还缺乏系统性。“5·12汶川特大地震”对我国公路隧道进行了一次实实在在的检验，在地震中公路隧道出现了衬砌开裂渗水、仰拱断裂上鼓、衬砌跨塌、围岩塌方等各种严重破坏情况，在抗震救灾中，公路交通运输是抢救人民生命财产和尽快恢复生产、重建家园的重要环节。因此，有必要重新检视现行的公路隧道修建技术，并对公路隧道的抗震及减震技术进行系统性研究。汶川大地震发生后,交通运输部西部交通建设科技项目管理中心立即开展了“公路隧道抗震及减震技术研究”（6）的研究工作。项目由四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院牵头，组织西南交通大学和四川广甘高速公路有限责任公司组成科研联合攻关组，通过对汶川地震56座公路隧道震害调查统计取得可靠的震害原始资料，采用三维动力时程分析、六自由度大型动力试验、活动断层试验等综合手段，对隧道浅埋、断层破碎带、软硬岩交界3个区段的抗震问题进行了系统的分析研究。通过研究，解决了隧道抗（减）震关键技术难题，成果直接应用于灾区受损公路隧道震后修复及震区新建公路隧道的抗震设计中，为高烈度地区的隧道建设和安全运营提供了技术支撑。

　　1、研究过程课题组冒着生命危险第一时间深入现场，对公路隧道震害进行了详细调查，调查了震区56座隧道受损情况，获得了大量珍贵、翔实的隧道震害资料，拍摄了极具震撼力的隧道震害照片2500余张，绘制了600余张隧道震害展布图。

　　2、主要成果 1）提出隧道抗震设防的“1个新理念、3个新技术（方法）” （1）1个新理念：隧道抗震设防新理念：“三区两段，抗减合一，纵横并防”的抗震设防理念（设防三区：洞口区、断层区及软硬岩交界区；细化两段：核心段和过渡段；抗震技术及减震措施并用；横向断面抗震与纵向设防并重）。（2）3个新技术（新方法）： 高烈度地震区公路隧道抗震设防三区段划分及设防长度指标。 公路隧道抗震设防三区段抗震设计计算新（修正）方法。 地震区公路隧道抗震及减震综合应用技术。 2）知识产权专利等项目研究共取得了国家发明专利3项，软件著作权1项，出版专著4本，发表学术论文17篇，其中EI收录5篇。经专家鉴定，研究成果总体达到国际领先水平；获2012年中国公路学会科学技术一等奖。

　　一：首次确定了浅埋、断层破碎带、软硬岩交界3个区段为隧道抗震设防区段。隧道洞口段震害长度较长，打破了现行规范仅在洞口浅埋段设防的概念。基于隧道震害调查分析，给出了隧道设防分区的划分原则，首次确定了浅埋、断层破碎带、软硬岩交界3个区段为隧道抗震设防区段，揭示了不同区段隧道的震害机理。经震害统计受损隧道出现了衬砌及路面开裂、混凝土剥落掉块、衬砌错台、仰拱隆起、二衬垮塌、施工缝开裂渗漏水共6大震害类型。对于隧道浅埋、断层破碎带、软硬岩交界3个区段的抗震问题，国内外主要研究浅埋隧道段抗震，对断层破碎带段和软硬岩交界段研究较少。目前，在公路隧道进行抗震设计中，日本将隧道划分为三个区段，即：洞口浅埋段、断层破碎带段和地质不良段，见下图所示。而本项目则首次提出了洞口段（洞口浅埋段及过渡段）、断层破碎带段（断层核心段和过渡段）以及软硬岩交界段的概念。

　　创新性成果二：提出了基于山形影响的地震动峰值加速度放大系数算法；明确了隧道结构和围岩间地震力传递机理，修正了拟静力法地震荷载算法和抗力系数取值方法。关于浅埋段抗震设计方法：提出了基于山形影响的地震动峰值加速度放大系数算法；明确了隧道结构和围岩间地震力传递机理，给出浅埋隧道上方土柱地震力计算方法，修正了拟静力法地震荷载算法和抗力系数取值方法，完善了隧道拟静力抗震设计方法。（1）建立了基于坡率、地震烈度和基岩上覆岩层厚度等因素影响下的山岭隧道洞口浅埋段地震波峰值加速度修正方法。隧道穿越软弱围岩时，均存在地震峰值加速度(PGA)的放大效应。现行规范隧道抗震设计中，洞口段围岩无论硬质围岩或软弱围岩，洞口段设计地震峰值加速度取值均与普通段（基岩）相同。而这与实际隧道震害及地震波传播的场地效应不符。实际上，对于隧道洞口浅埋段，若围岩为软弱围岩，则洞口段设计地震动峰值加速度大于普通段（基岩）取值，且受到洞口所处坡形、烈度等因素的影响，为此本项目研究确定了洞口浅埋段抗震设计地震动参数的修正计算方法。山坡基岩上覆岩层内任一点PGA计算公式为： Ai=Ni*A基=(C*W*x+1)*A基式中，A坡为坡面点PGA取值；A基为基岩PGA取值；N坡为坡面点PGA放大系数；C为斜率的坡率修正系数；W为PGA放大系数水平传播变化图式斜率； A基=Kh*g, Kh为水平地震系数，地震烈度为7度、8度、9度时，A基分别取为0.1g、0.2g和0.4g。（2）明确了隧道复合式衬砌地震力传递机制，即隧道上方土柱水平地震力以剪力方式传递至复合式衬砌中的二衬结构。在目前的地震拟静力计算方法中，将围岩和衬砌视为固结。而通过大量的震害调查及计算分析表明，对复合式衬砌的公路隧道而言，在地震时围岩和衬砌不完全固结，二者存在着某些不固结的时刻。因此，通过研究，得到了复合式衬砌的地震力传递机制，进一步修正了现行的地震力拟静力算法，并编制了地震动力响应计算软件。该软件可快速、准确地进行地震动力的计算，从而为隧道的抗震设计提供了理论依据和技术支持。（3）建立了基于拱部围岩抗力系数折减的隧道抗震设计计算方法。传统的地下结构静力计算，用弹簧来模拟围岩对衬砌的作用时，二者之间的关系要用围岩即弹簧的弹性抗力来表达。在地震中，衬砌与围岩之间会有脱空区，进而导致围岩与衬砌的弹性抗力的大小与分布有所不同，即不再是传统意义上横断面上围岩的弹性抗力只用一个值来表达，所以若用静力方法计算地震力，应该考虑对弹性抗力的适当调整，既要明确调整的量值大小，同时还要明确调整的范围。本项目研究了脱空区的弹簧抗力系数的折减，改进了目前所采用的传统静力计算方法，改进后的静力算法更加符合实际，有效保障了抗震设计的合理性与可靠性。（4）建立了基于隧道洞口临空效应的纵向抗震设计计算方法。现行规范中对隧道的抗震设计均针对横断面，而震害调查和统计发现，在洞口浅埋段的纵向存在着临空和边梢效应，而目前缺少考虑这两种效应的设计方法。本项目通过研究提出了基于临空效应和边梢效应的洞口浅埋段纵向设计方法。创新性成果三：建立了基于错动位移的活动断层破碎带段抗震设计方法。目前，日本在隧道跨越断层破碎带时的设计方法是通过考虑强制位移实现的，我国公路隧道在目前的跨断层设计时并无相关的规范。本项目通过研究，获得了断层段的变形特征，并基于该变形特征，进行了理论推导和模拟计算，得到了穿越活动断层破碎带的隧道抗震设计方法。基于断层破碎带段隧道位移分布变化规律，将隧道变形分为大变形段和小变形段，继而提出断层破碎带段隧道的抗震设计计算方法。创新性成果四：探明软硬岩交界段变形沿隧道纵向变化规律，建立了该区段抗震设计方法。对地震荷载作用下隧道衬砌破坏影响分析的机理研究表明：在地震动条件下，隧道拱顶横向水平位移和纵向水平位移相对值沿纵向分布规律基本一致，即从洞口向隧道内延伸的过程中，相对位移值逐渐减小。软硬围岩交接面硬岩侧，其拱顶横向水平位移很小，可认为为固定端。隧道进入软弱围岩后，拱顶横向水平位移及相对位移迅速增大，随着距硬质围岩水平距离的增加，拱顶横向水平相对位移变化率有越来越小的变化趋势，隧道洞口段结构变形近似悬臂梁结构。创新性成果五：提出单层配筋抗震技术，设置减震缝、内置减震层等工程措施以及深层间隔注浆的新的设计理念。明确了不同地震烈度条件下隧道洞口浅埋段使用单、双层配筋的抗震措施：在强烈地震作用下，在洞口及断层破碎带附近按照采用素混凝土的二次衬砌发生了严重的破坏；一般隧道为了抗震大量使用双层配筋的钢筋混凝土衬砌是不经济的，大大增加隧道建设的成本。根据钢筋的抗震机制提出了在保证静力安全的情况下，在进行配筋时仅使用一层钢筋以实现在地震时对混凝土环箍和纤维效应，同时减少钢筋的用量。本项目通过研究，给出了洞口过渡段和断层破碎带过渡段单层配筋的设防区段。提出了地震条件下对于软硬岩接触段和断层破碎带段隧道采用全环注浆加固措施，并通过在初期支护和二次衬砌交错设缝（12m）来减弱地震作用效应，提高抗震性能；对于活动断层破碎带段隧道除采用上述措施外，可通过在初期支护和二次衬砌之间设置减震层（10cm）来减弱地震作用效应，提高抗震性能。基于本项目研究成果编制了《公路隧道抗震及减震技术设计指南》和“公路隧道抗震设计计算软件”，对于实现公路隧道抗震的科学设防和经济设防具有显著的推动作用。

　　填补国内外公路隧道抗减震技术多项空白，引领我国公路隧道抗减震技术的发展方向，成果被规范、规程、手册采纳。公路隧道抗震减灾成功经验获得国际同行的高度评价，成为国际隧道协会（ITA)抗震组组长，奠定我国公路隧道抗减震国际领先地位。 1、关于设防标准和设计方法我国的公路隧道大量修建于20世纪90年代以后，2008年5月12日前尚未经受过破坏性地震的考验，因此，对于公路隧道抗震及减震技术的研究工作还进行得很少，既有规范编订于20世纪90年代之前，公路隧道少，其中相关条文大多参照铁路隧道规范制定，公路隧道抗震及减震技术还缺乏系统性，规范的抗震设防目标及设计方法欠全面、过时。根据隧道震害统计及分析，对现行相关规范有关隧道抗震设计部分条文提出几点建议。洞门形式。规范规定隧道洞门形式宜采用翼墙式。洞门建筑材料可采用浆砌片石和片石混凝土，根据震害及计算分析，在地震中，隧道洞门的断裂与毁损主要发生在端墙式和翼墙式洞门结构，削竹式洞门基本未见明显破损现象。故建议宜优先采用削竹式洞门(接长明洞)结构，当地形地质条件不适合修建削竹式洞门时，可以采用翼墙式洞门，并用抗震连接钢筋将洞门墙与衬砌连接一体。建筑材料。规范建议洞门材料可采用浆砌片石和片石混凝土，明洞衬砌可采用混凝土，材料要求偏低。浆砌片石和片石混凝土结构在地震中易开裂破坏，汶川地震灾区隧道的抗震设防地段隧道衬砌基本采用钢筋混凝土结构，因此明洞的震害不大严重。而拱形明洞的破坏大部分是由滚、落石等次生灾害造成的，故建议适当提高洞门及明洞建筑材料强度等级要求。不良地质处理。规范中关于浅埋、偏压以及位于断层破碎等地质不良地段的隧道，要求其衬砌背后应压注水泥砂浆，过于笼统。隧道抗震减灾是一项综合处治技术，针对不同的地段，不同部位应有各异的处治方法。洞口浅埋软岩隧道设防采取注浆加固围岩、钢筋混凝土衬砌等措施；软硬岩交界面设防采取设置减震缝等措施；软硬岩交界面离隧道洞口较近时，采取上述两种措施共同防治；偏压软岩隧道设防采取注浆加固围岩、钢筋混凝土衬砌等措施进行防治；若断层破碎带易发生错动应进行横断面和纵向抗震设防，若断层破碎带不易发生错动只需进行横断面抗震设防。设防措施采用注浆加固围岩，并设减震缝和采用钢筋混凝土衬砌等工程措施；若普通段衬砌背后存在空洞或出现过围岩松弛情况，可采用压注水泥砂浆回填，同时进行围岩加固。 2、关于震害机理的全新揭示洞口段震害机理。对震害分析判断，隧道洞外结构（边仰坡）的震害主要受次生灾害、地震惯性力作用较大而产生被动破坏；洞口段隧道衬砌受岩层软硬交接面——强制位移、地震惯性力以及地形偏压等因素的影响，在地震中受山体约束较弱产生“鞭梢效应”，结构变形过大致使结构破坏。断层破碎带段震害机理。地震中断层破碎带段隧道震害比较严重，而震害程度与断层破碎带的规模、是否错动密切相关。总体而言，断层破碎带错动是引起该段隧道破坏的关键因素，隧道的剪切破坏效应明显，而宽断层带的核心位置由于围岩软弱破碎，受地震力和破碎带剪切双重作用，致使隧道破坏极度严重。宽破碎带+错动断层隧道震害最严重；窄破碎带+错动断层隧道震害较严重；宽破碎带+无错动断层隧道震害较轻。宽破碎带+错动断层和窄破碎带+错动断层隧道是抗震设防的重点。普通段震害机理。普通段隧道的受灾程度相对洞口段和断层破碎带段较弱，但当隧道施工中出现过的大变形、围岩松弛、衬砌背后存在空洞、衬砌厚度不足、衬砌强度不足等缺陷，在地震中从而导致隧道发生如衬砌垮塌和隧道垮塌等严重的破坏。从根本上讲，隧道衬砌刚度与周边岩体的刚度匹配十分重要。 3、关于设防区段和抗震对策不同烈度区隧道震害特征的统计及分析表明：普通段隧道由于施工缺陷、刚度匹配等因素震害程度相对较轻，但是洞口段、断层破碎带段、软硬岩交界段等3个区段隧道极易发生震害，是抗震设防重点区段。根据大量隧道震害调查和机理分析，震害分布及震害程度在洞口段和断层破碎带段呈现共同的特点，可将其进一步划分进行分段设防，即：隧道洞口设防段可分为洞口浅埋段和过渡段；断层破碎带段可分为断层核心段和影响段。加强衬砌结构的抗震措施及适用条件。震害调查表明，素混凝土衬砌在地震作用下易开裂、掉块，而部分钢筋混凝土衬砌在高烈度地震后虽然发生严重开裂震害，但能保持较好的整体性，避免整体垮塌的严重震害，发挥了钢筋混凝土的良好的延性。为此提出“单层配筋”的抗震理念，即：设计素混凝土二衬结构中，在其临空侧设置一层环向主筋与纵向连接钢筋形成单层网架，单层配筋的提出能够有效地发挥其处于混凝土中的“纤维效应”，用于非高烈度地震区洞口浅埋过渡段以及断层破碎带影响带，能够避免隧道结构的整体垮塌，经济合理，且起到“中震可修、大震不倒”的预期设防目的。加固围岩的抗震方法及适用条件。洞口段在拱部发生衬砌局部掉块、剥落的情况必赢中国较多，针对不良部位应进行局部注浆。对于宽破碎带+错动断层段可能发生围岩垮塌等严重震害，此时需对围岩进行全环注浆加固，并辅以其他抗减震措施。全环注浆加固方式有接触注浆加固和深层注浆加固。深层注浆和接触注浆对减小错动造成的二衬破坏均有效果，前者优于后者。抗震缝的减震技术及适用条件。洞口段软硬岩交界段以及窄破碎带+错动断层段二衬破坏较为严重，但未发生围岩垮塌，结构抗震措施常不能满足抗震要求，需要采用纵向减震措施（减震缝）。抗震缝减震效果明显，3m间距抗震缝减震效果最好。间距为12m抗震缝减震效果略好于9m间距，具有一定的实际应用意义。

　　1、成果应用项目基于对震区隧道开展大量的震害调研、统计、分析，开展了地震动参数、震害机理、地震动响应计算方法和隧道抗（减）震技术等方面的研究，解决了公路隧道抗震关键技术难题，项目组积极开展技术讲座、工地试验指导、施工指导、技术总结、技术咨询等服务，引起行业极大关注，项目研究成果的影响范围正在不断向纵深发展。（1） 成果应用于广甘高速公路隧道工程兰州至海口高速公路川甘界至广元段地处汶川地震极重灾区，属于高烈度地震区。穿越龙门山脉的多条断裂带，沿线地形地质及气候条件复杂，全线汶川大地震”发生后，沿线山体松动，岩层破碎，且连年遭受山洪泥石流灾害，建设环境差，建设任务异常艰巨。在隧道建设中应用本研究成果主要体现在以下几个方面： ① 设计及时调整抗减震措施和优化设计参数，经历多次较大余震（附近最大6级）表明：隧道抗减震技术措施合理，隧道的安全性和经济性得到有效保证。 ② 结合课题研究成果，课题组及时指导施工单位调整减震缝的间距，提高了依托工程的实际抗震性能，取得了显著的社会效益。 ③ 在余震不断的情况下，应用研究成果确保工程项目顺利进行，成功穿越断层破碎带，并且未产生次生病害，说明了抗减震措施的有效性。 ④ 科研成果应用于隧道抗震设计，有效指导了隧道设计和施工，并显著提高了隧道抗震安全性。从通车至今4年多运营情况看，隧道总体安全可靠。（2）成果应用于隧道设计与技术咨询项目研发的“SDC公路隧道地震动力响应计算软件”已被用于多条公路项目（例如：映汶高速、S303线巴郎山隧道工程、东海路等）隧道工程的设计。其技术成果是公路隧道规划设计前期进行抗震评估的有力技术支撑，也是进行地震区公路隧道科学设计的必备条件，研究成果为我公司开展一系列地震区隧道工程的科学、正确、高效的技术咨询和决策提供了技术手段。（3）成果应用于四川藏区公路隧道新建和灾后重建省道303线线巴朗山隧道工程、川主寺至黄龙公路雪山梁隧道；国道318线东俄洛至海子山段公路改造工程高尔寺隧道等工程，地处高原地区，隧址区海拔高，气候条件差，地形及地质构造复杂，特别是地震活动频繁、烈度高(地震烈度Ⅶ～Ⅷ度)，对隧道安全的影响成为工程建设的重大技术难题之一。在项目的设计及建设过程中,课题组积极参与，及时总结相关研究成果，科学、有力地指导了设计和施工实践，同时对建成隧道地震塌方及衬砌破坏提出了较好的处理措施和修复方案。 2、行业推广前景本项目针对公路隧道地震参数、动力响应计算方法、抗减震技术等方面进行了深入系统性的研究，解决了公路隧道抗震关键性技术难题，编制完成的《公路隧道抗震及减震技术设计指南》，具有较强的可操作性及适用性，为公路隧道抗震设防提供技术支撑，同时在保障隧道地震性安全的前提下科学设防，节约工程投资，随着我国公路建设的快速发展，公路隧道建设也将面临更多的挑战，本项目的研究成果将对高烈度地震区的公路隧道抗减震这一工程难题提供重要的借鉴和技术支持，具有十分广阔的应用市场和推广前景。