襯砌脫空對隧道地震響應(yīng)影響的振動臺試驗(yàn)研究

丁祖德， 張 博， 李曉琴， 黃 娟， 彭立敏

(1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410075)

近30年，山嶺隧道地震破壞較為頻繁[1-3]。震害調(diào)查顯示，在隧道洞口段、斷層破碎帶等地段易出現(xiàn)隧道震害，這些地段的隧道地震研究成果也較多。如蔣樹屏等[4]基于公路隧道洞口段地震響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)，得出慣性力對洞口段結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響不大，抗震重點(diǎn)是圍巖的失效防治。李林等[5]對淺埋偏壓洞口段鐵路隧道開展了振動臺試驗(yàn)和動力分析，指出地表臨空坡面會明顯增大偏壓隧道地表加速度放大倍率和位移值，襯砌拱頂兩側(cè)約45°位置和墻腳處為震害易發(fā)部位。崔光耀等[6-8]結(jié)合振動臺模型試驗(yàn)分析了跨斷層隧道動力特性及震害機(jī)理。耿萍等[9-10]完成了跨斷層隧道抗減震措施效果的模型試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)置減震層是提高隧道抗震性能的有效手段。但事實(shí)上，除了隧道洞口淺埋段及斷層破碎地段外，隧道深埋洞身普通段襯砌也有不少嚴(yán)重破壞現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)二次襯砌垮塌。如日本新瀉地震中的Uonuma隧道，汶川地震中的酒家埡隧道、龍溪隧道、龍洞子隧道等[11-12]。日本Uonuma隧道襯砌垮塌后，調(diào)查發(fā)現(xiàn)襯砌背后存在較大空洞；龍溪隧道的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，襯砌整體垮塌段存在襯砌背后不密實(shí)，在施工過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過圍巖大變形；龍洞子隧道經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)檢測，震害部分區(qū)段襯砌拱頂處存在脫空和不密實(shí)情況。臺灣集集地震中，大約75%的受損襯砌位于施工質(zhì)量差的區(qū)域。可見，襯砌背后空洞及厚度不足等缺陷是造成震害的重要因素。

隨著運(yùn)營隧道的日益增多及既有服役隧道質(zhì)量狀況不甚理想的現(xiàn)狀[13]，既有隧道抗震性能研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的逐漸重視。Hwang等[14]采用經(jīng)驗(yàn)方法評估了老舊鐵路隧道的抗震性能。Gome等[15]探討了隧道開挖引起的應(yīng)力擾動對已建地鐵隧道地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明應(yīng)力擾動會明顯增大襯砌的地震響應(yīng)。鄧濤等[16]運(yùn)用有限差分軟件，開展了不同加固方法處理龍門隧道襯砌背后空洞的抗震穩(wěn)定性計(jì)算。于媛媛采用擬靜力方法，聶子云等[17]采用動力有限元方法，分別研究了襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。但總體而言，上述缺陷隧道的抗震研究多采用定性分析、簡單數(shù)值模擬等，尚未有針對性的振動臺模型試驗(yàn)。鑒于此，本文采用振動臺模型試驗(yàn)研究隧道拱頂襯砌背后空洞及襯砌厚度不足對隧道地震響應(yīng)的影響，分析不同空洞規(guī)模及襯砌厚度不足程度下隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律，為高烈度地震區(qū)既有山嶺隧道的地震安全評價及隧道加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 振動臺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)?zāi)M對象為存在襯砌厚度不足與空洞缺陷的某Ⅳ級圍巖段兩車道高速公路隧道，隧道埋深30 m，凈寬11.16 m、凈高8.71 m，采用C30素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，完好襯砌厚度40 cm。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模苍O(shè)置4組工況，具體見表1。其中，對于襯砌厚度不足的情況，采用對該部位襯砌減薄來實(shí)現(xiàn)(為方便表述，以下采用襯砌厚度減薄來描述厚度不足情況)。脫空范圍以隧道拱頂圓弧圓心為基準(zhǔn)展開，取約30°范圍對于襯砌減薄25%，取約42°范圍對于襯砌厚度減薄50%。試驗(yàn)時，制作一個薄拱形結(jié)構(gòu)設(shè)置在圍巖和襯砌之間來模擬襯砌背后空洞。

表1 試驗(yàn)工況

1.2 模型相似比設(shè)計(jì)

綜合考慮振動臺臺面尺寸、隧道斷面大小和邊界效應(yīng)，根據(jù)相似理論，以長度、質(zhì)量密度和彈性模量為基本物理量，確定試驗(yàn)的幾何相似比為Cl=1/40，密度相似比Cρ=1，彈性模量相似比CE=1/40，模型體系各物理量的相似關(guān)系及其相似比見表2。

表2 模型相似比

1.3 試驗(yàn)材料及模型制作

選擇合適的模型相似材料是模型試驗(yàn)中關(guān)鍵的一環(huán)，直接影響著試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)研究成果，隧道襯砌相似材料主要采用微粒混凝土和石膏兩種，圍巖相似材料主要分為以沙、粉煤灰等為骨料，配以甘油、水等為黏結(jié)劑配比而成，或采用多種化學(xué)材料相互配比而成。經(jīng)對材料配比試驗(yàn)的多方嘗試和綜合比較，選擇微粒混凝土作為襯砌模型材料，由于襯砌模型厚度薄，將鋼筋放入襯砌困難，故本文襯砌模型未考慮鋼筋。選擇砂、水泥、渣土及水混合作為圍巖相似材料。經(jīng)設(shè)計(jì)正交表格，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測試其強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。經(jīng)過多次配比試驗(yàn)后確定隧道襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量配比為水泥∶細(xì)砂∶水=1.2∶4∶1，Ⅳ級圍巖相似材料質(zhì)量配比水泥∶粗砂∶土∶水=1∶15∶5∶2。加工完成后的減薄襯砌模型見圖1。

圖1 襯砌模型Fig.1 Lining model

1.4 模型箱設(shè)計(jì)

模型箱整體尺寸為2.0 m×2.2 m×1.6 m(橫向×縱向×垂向)，底板平面尺寸3.0 m×2.5 m(橫向×縱向)。模型箱主體框架由12#槽鋼鋼焊接而成，采用4 mm厚鋼板做圍護(hù)， 6 mm厚鋼板做底板，正面中心設(shè)有預(yù)留觀察孔，方便傳感器線路連接。模型箱四周底部設(shè)有掛鉤方便起吊，采用M20螺栓固定于振動臺孔位上。箱體垂直和平行振動方向分別內(nèi)襯厚度約20 cm和10 cm的聚苯乙烯泡沫層以減小邊界效應(yīng)。模型箱底部鋪設(shè)黏結(jié)一層碎石，以增大與模型箱底板的摩擦阻力，避免試驗(yàn)激振過程中的滑移。模型箱加工效果見圖2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.2 Photo of experimental model

1.5 測試方案設(shè)計(jì)

四個襯砌模型沿縱向均勻布置，為方便安放，將工況1和工況2的襯砌模型置于兩端，依次為工況2、工況4、工況3和工況1襯砌模型的布置方式。各襯砌模型縱向長度50 cm，模型之間相對獨(dú)立，采用膠做簡單粘結(jié)處理。地震波加載方向與隧道縱向垂直，選取每個模型的中間部位作為測試截面。采集數(shù)據(jù)包括圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的加速度、襯砌結(jié)構(gòu)動應(yīng)變、動態(tài)接觸壓力，分別布設(shè)加速度傳感器、應(yīng)變片及土壓力盒。加速度傳感器的布設(shè)見圖3，各襯砌模型測試布置方案見圖4(圖中，A：加速度傳感器，S：應(yīng)變片，P：壓力盒傳感器)。

本次振動臺模型試驗(yàn)共布置了8個加速度傳感器、81個應(yīng)變片和6個土壓力盒，在離洞口分別為75 cm和140 cm處的襯砌內(nèi)安裝了2個高分辨率攝像頭，實(shí)時記錄振動時的裂紋發(fā)展。還在洞口架設(shè)了一臺攝像機(jī)，用于捕捉洞口襯砌的破壞情況。

圖3 加速度計(jì)布設(shè)示意(mm)Fig.3 Layout of accelerometers (mm)

圖4 襯砌模型測點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points on lining model

1.6 地震動參數(shù)輸入

試驗(yàn)采用按時間相似比壓縮后的EI Centro波和Kobe波，單向激振，地震動持時約9 s，地震動峰值分別按0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g和1.0 g逐漸增加，以模擬不同地震強(qiáng)度。EI Centro波時間壓縮后振動臺輸入的加速度時程曲線見圖5。在加載前，進(jìn)行0.05 g的白噪聲掃頻，以獲得模型的整體振動特征。

圖5 EI Centro波加速度時程曲線Fig.5 EI Centro wave of dynamic calculation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)測試了加速度、動土壓力、動應(yīng)變等參數(shù)，考察了EI Centro波和Kobe波兩種地震波，限于篇幅，本文主要以EI Centro波為例進(jìn)行分析。

2.1 加速度響應(yīng)特征

模型試驗(yàn)中沿豎向和水平向埋設(shè)了8個加速度傳感器，以測試隧道及圍巖不同位置的加速度響應(yīng)。圖6為不同地震動強(qiáng)度下加速度放大系數(shù)隨模型高程及橫向距離的變化曲線。圖中的加速度豎向放大系數(shù)是指圍巖中線和模型箱上所設(shè)A1～A6加速度傳感器各測點(diǎn)處所得的加速度峰值(PGA)與對應(yīng)臺面實(shí)測加速度峰值(A1)之比，加速度橫向放大系數(shù)是指沿隧道仰拱高度處橫向布置的加速度傳感器A3、A7、A8，所測加速度峰值與A3處加速度峰值之比。

從圖6可知，同一加載強(qiáng)度下，隨著高程的增加，各測點(diǎn)加速度放大系數(shù)均有明顯增大趨勢。在0.5 m以下高程處，豎向放大系數(shù)變化較平緩，在0.75 m以上時，放大系數(shù)增加較快，達(dá)到圍巖頂面時，增大趨勢有所減緩。這說明隧道的存在對周邊圍巖的加速度響應(yīng)有放大效應(yīng)，距離隧道越遠(yuǎn)，影響越小，所以放大系數(shù)增幅先快后放緩。較低地震動強(qiáng)度時產(chǎn)生的豎向放大效應(yīng)更明顯。橫向放大系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小。從隧道中線向模型邊界，橫向放大系數(shù)逐漸增大，在接近模型圍巖邊界時趨于平緩，甚至有所下降。橫向放大效應(yīng)在加載較強(qiáng)地震動時更明顯。這說明地震波在圍巖傳播過程中具有滯后作用，從而引起襯砌變形。

圖6 加速度放大系數(shù)的變化曲線Fig.6 Curves of accleration amplification factor

2.2 應(yīng)變響應(yīng)特征

襯砌模型內(nèi)外側(cè)貼有應(yīng)變片，監(jiān)測地震過程中的環(huán)向應(yīng)變。以0.2 g的EI Centro波為例，四種試驗(yàn)工況的襯砌應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)見表3。應(yīng)變峰值分布見圖7。

表3 襯砌各部位的環(huán)向應(yīng)變峰值

圖7 0.2 g EI Centro波下的襯砌應(yīng)變峰值分布(με)Fig.7 Distribution of strains of lining under EI Centro wave input at 0.2 g (με)

表3和圖7顯示，當(dāng)加速度峰值為0.2 g時，對于襯砌完好且背后無空洞的情況，其最大動應(yīng)變峰值出現(xiàn)與隧道中軸線約呈45°的拱腰及墻腳部位，邊墻部位也有較大的微應(yīng)變，這與已有研究結(jié)論一致。對于拱頂襯砌背后存在空洞的情況，其拱頂應(yīng)變增加明顯，從工況1到工況4，應(yīng)變增幅近7倍，這說明拱頂空洞的存在放大了該部位的震動效應(yīng)。隨著拱頂空洞及襯砌減薄程度的增加，拱頂及減薄邊緣處應(yīng)變不斷增大，應(yīng)變分布模式由花瓣?duì)钕蜇Q向菱形狀轉(zhuǎn)變。可見，拱頂襯砌減薄及背后空洞，會改變襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形分布，缺陷部位變形增大，成為抗震薄弱部位。

2.3 襯砌破壞特征

在每次震動加載結(jié)束時，均進(jìn)行隧道內(nèi)表面裂縫等觀察，并結(jié)合隧道內(nèi)部的攝像頭拍攝的地震過程響應(yīng)情況，完整記錄襯砌破壞過程。對于試驗(yàn)工況1，首次觀察到可見裂縫對應(yīng)的地震強(qiáng)度為0.6 g；對于試驗(yàn)工況2，首次觀察到可見裂縫對應(yīng)的地震強(qiáng)度為0.4 g；對于試驗(yàn)工況3和工況4，分別為0.3 g和0.2 g。圖8和圖9分別為試驗(yàn)結(jié)束時，試驗(yàn)工況1和工況2的襯砌開裂特征，圖10為輸入地震波0.3 g時拍攝的工況3的襯砌裂縫特征。

圖8 試驗(yàn)工況1的襯砌開裂特征Fig.8 Cracks on model lining in test case 1

圖9 試驗(yàn)工況2的襯砌開裂特征Fig.9 Cracks on model lining in test case 2

圖10 0.3 g時的試驗(yàn)工況3襯砌開裂特征Fig.10 Cracks on model lining in test case 3 under EI Centro wave input at 0.3 g

從圖8～10可看出，加載0.6 g的EI Centro地震波時，試驗(yàn)工況1的右墻腳靠近仰拱處、左側(cè)墻腳及拱腰與邊墻間均出現(xiàn)縱向貫通裂縫，最終破壞模式是與隧道中軸線約呈45°角的拱腰、墻腳部位開裂為特征。輸入加速度為0.4 g時，工況2的拱頂、拱腰與邊墻間及墻腳首先出現(xiàn)裂縫，之后仰拱出現(xiàn)裂縫。最終破壞部位位于拱頂、拱腰、墻腳和仰拱處。對于工況3和工況4，通過隧道內(nèi)攝像頭拍攝畫面顯示，在輸入加速度分別為0.3 g、0.2 g時，拱頂首先出現(xiàn)裂縫，之后墻腳開裂，并在后續(xù)加載中不斷擴(kuò)寬并破壞。可見，襯砌拱腰、墻腳及仰拱是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)，而當(dāng)拱頂襯砌存在缺陷時，將改變其破壞形式，破壞首先發(fā)生在缺陷部位，并在較小地震動下就會引發(fā)裂縫。

3 結(jié) 論

(1) 地震動豎向放大系數(shù)隨高程增加而增大，在0.5 m以下高程處增速相對平緩，隧道結(jié)構(gòu)以上部分圍巖放大系數(shù)增速顯著提高，臨近模型頂部時增幅又有所減緩。說明隧道的存在對周邊圍巖的加速度響應(yīng)有放大效應(yīng)。橫向放大系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小，地震波在圍巖傳播過程中具有滯后作用，引起巖土體位移差，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)變形。

(2) 當(dāng)隧道拱頂襯砌背后存在空洞缺陷時，拱頂應(yīng)變值大大增加，增幅2.7倍，明顯改變了拱頂處的受力狀態(tài)，在地震強(qiáng)度為0.4 g時已出現(xiàn)可見裂縫。當(dāng)同時存在襯砌厚度不足及背后空洞缺陷時，不僅改變了拱頂處的約束條件，而且襯砌的承載能力進(jìn)一步弱化，在地震波作用下其受力狀態(tài)及變形特征均有明顯變化，拱頂處首先產(chǎn)生裂縫，應(yīng)變增幅近7倍，在0.2 g的較小地震波強(qiáng)度下就已破壞。

(3) 缺陷的存在改變了襯砌地震破壞形式。對于完好襯砌，其破壞形態(tài)為與隧道中軸線約呈45°角的拱腰、墻腳部位開裂為特征；對于空洞缺陷，其最終破壞以拱頂、墻腳和仰拱部位裂縫為特征；對于襯砌厚度不足且有空洞缺陷，其破壞均以拱頂及墻腳開裂為主，只是破壞時峰值加速度不同，缺陷程度增大，破壞時的地震動強(qiáng)度越小。

(4) 本次振動臺模型試驗(yàn)是基于橫向地震波作用下襯砌脫空對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，不同地震波入射方向下缺陷襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)有待進(jìn)一步深入研究。