高烈度地震區隧道洞口段剛柔相濟抗減震模型試驗研究

崔光耀， 紀 磊， 王明年， 朱長安

(1. 北方工業大學 土木工程學院， 北京 100144； 2. 西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031；3. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；4. 四川省交通運輸廳 公路規劃勘察設計研究院， 成都 610041)

隨著我國交通基礎工程向三高地區(高地震烈度、高海拔、高緯度)持續深入發展，強震區交通隧道大量涌現，如在建川藏鐵路，全線共198座隧道。高烈度地震區交通隧道的抗震設防設計正日益引起人們的關注。

洞口段和斷層破碎帶段是隧道抗震設防設計的重點段落[1-2]。硬巖洞口段受地震影響較小，軟巖洞口段震害較嚴重[3-5]。汶川地震中，軟巖洞口段甚至出現了襯砌垮塌的嚴重震害[6]。如何進一步提高強震區軟巖洞口段的抗震性能，是目前亟待解決的技術問題之一。

目前，隧道抗震措施主要有結構加強和圍巖加強兩種；減震措施主要有施設減震層和減震縫兩種?？拐鸫胧Φ挚沟卣饝T性力作用明顯；減震措施對消減強制位移作用明顯。軟巖洞口段隧道結構受強震影響，其所受地震慣性力和強制位移均遠大于普通段隧道結構。因此，本文提出剛柔相濟抗減震措施(二襯加強+二襯施設減震縫)對軟巖洞口段進行抗震設防設計。二襯減震縫一般依據模板臺車長度設置(減震縫與施工縫設置在同一斷面)，減震縫內置橡膠止水帶，同時用嵌縫膏填充減震縫背水面，用瀝青砂拌合料填充減震縫隙內部。

國內外專家、學者對強震區隧道洞口段抗震及減震技術進行了一定研究，主要有：依托震害資料，對隧道洞口段震害機理進行了研究[7-8]；通過大型振動臺模型試驗，對隧道洞口段地震響應規律和特性進行了研究[9]；依托黃草坪2#隧道，對圍巖加強抗震措施(系統錨桿)和施設減震縫減震措施分別進行了振動臺模型試驗研究[10]；采用數值仿真技術，對隧道縱向動力響應特性及施設減震縫減震技術進行了研究[11-13]；利用數值分析，對洞口段采用三種注漿方式(全環接觸注漿、全環間隔注漿及局部注漿)的圍巖加固抗震措施以及采用提高支護結構剛度的抗震措施分別進行了研究[14-15]等。綜上，在隧道洞口段采用抗震措施結合減震措施進行綜合抗震設防方面研究較少，采用振動臺模型試驗進行此方面研究更鮮有報道。本文以白云頂隧道進口段為研究背景，對隧道洞口段采用剛柔相濟抗減震措施進行振動臺模型試驗研究，這對高烈度地震區交通隧道洞口段抗減震技術的發展具有重要的意義。

1 白云頂隧道進口段工程概況

1.1 隧址區地質條件

白云頂隧道進口段覆蓋層為第四系崩坡積層，以塊碎石土為主，充填少量砂質粉土，Ⅴ級圍巖。覆蓋層下伏Ⅱ級圍巖，以砂巖和灰巖為主，巖性堅硬，弱風化。

1.2 結構設計

隧道采用復合式襯砌，馬蹄形斷面，跨度×高度=11.30 m×9.65 m。初支為厚25 cm的C20噴射混凝土，二襯為厚60 cm的C25模筑鋼筋混凝土。

2 試驗方案設計

2.1 試驗分組

減震縫通常依據模板臺車長度設置，本次以9 m模板臺車為例進行研究。二襯結構分別采用C25(E為28 GPa)和C35(E為31.5 GPa)混凝土進行研究。

為研究高烈度地震區隧道洞口段采用剛柔相濟抗減震措施的動力特性和抗減震效果，試驗分組如表1所示。

2.2 試驗設備

采用三方向、六自由度大型振動臺進行試驗。臺面尺寸為：長度及寬度均為6 m，最大載重為60 t，頻率范圍為0.1～100 Hz。振動臺如圖1所示，振動臺基本參數如表2所示。

(a)臺面(b) 作動器

采用自制模型試驗箱進行試驗，試驗箱尺寸為：2.5 m(長)×2.5 m(寬)×2 m(高)。為盡可能減小激振過程中試驗箱底與圍巖的相對滑動，在箱底膠結一層碎石以增大摩擦力；為盡可能消除邊界效應及減小激振過程中試驗箱邊壁與圍巖的摩擦力，在試驗箱邊壁鋪設15 cm厚模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，并在內表面粘貼6020膜(聚氯乙烯薄膜)。如圖2所示。

試驗采用動力應變數據采集儀和動力應變/ICP數據轉換儀進行數據采集，如圖3所示。測試傳感器主要有：加速度計、微型土壓力盒及電阻應變片等。

圖3 試驗數據采集系統

Fig.3 Test data acquisition system

(a) 動力應變采集儀(b) 動力應變/ICP轉換儀

2.3 相似設計及相似材料

考慮到試驗的邊界效應，并結合試驗箱尺寸，本次試驗幾何相似比取為30。加速度相似取比為1，彈性模量相似比取為45，其他參數相似比如表3所示。

圍巖主要通過河砂、粉煤灰、重晶石粉、粗/細石英砂、凡士林、松香及機油熱融混合模擬，各材料配比按正交試驗確定。初支與二襯采用石膏摻合料模擬，防水板采用聚乙烯膜模擬。二襯結構膏水比分別為1.48(C25)和1.67(C35)。如圖4所示。

2.4 試驗動力荷載

本次試驗采用汶川地震實測波(臥龍測站)，地震波持時164.6 s，記錄間隔0.005 s。經調幅(9度)、相似變換、濾波和基線校正，加速度時程曲線(以東西向為例)如圖5所示。

2.5 監測斷面及測點布置

為研究隧道洞口段施設剛柔相濟抗減震措施的動力特性和抗減震效果，在洞口軟巖段設置監測斷面-A斷面，在硬巖段設置監測斷面-E斷面，在軟硬圍巖交接段設置三個監測斷面，分別是B斷面(交接位置為仰拱)、C斷面(交接位置為邊墻)和拱頂(交接位置為D斷面)，如圖6所示。

圖5 加速度時程曲線(東西向)

(a) 剖面圖

(b) 俯視圖

在各監測斷面仰拱中部內側布置單向加速度計(J)；在拱頂外側布置微型土壓力盒(T)和縱向應變片(ZY)；在拱頂、邊墻及仰拱中部內外側成對布置橫向應變片(Y)，測點布置如圖7所示。

圖7 測點布置

3 試驗數據及分析

3.1 地震動峰值加速度(PGA)

提取各工況各量測斷面測點加速度時程曲線，如圖8所示(以工況3-C斷面為例)。

圖8 加速度時程曲線

由各測點加速度時程曲線提取其PGA，如圖9所示。計算各工況各測點PGA增大或減小的百分比，如表4所示。

圖9 地震動峰值加速度

由圖8和圖9及表4可知：

(1) 僅采取結構加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段PGA增長很小，最大僅為1.95%；隨著斷面軟巖范圍的增大，PGA增大百分比不斷增大，至軟巖段最大，為7.59%。

(2) 二襯同等結構強度、施設與不施設減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點PGA變化很小，最大僅為1.55%。這說明二襯施設減震縫對減小地震慣性力方面，基本無作用。

(3) 剛柔相濟抗減震措施(工況4相對于工況1)。隧道洞口硬巖段PGA增長很小，最大僅為1.05%；隨著斷面軟巖范圍的增大，PGA增大百分比不斷增大，軟巖段最大，為9.26%。

3.2 縱向應變

提取各工況各量測斷面測點縱向應變時程曲線，如圖10所示(以工況2-B斷面為例)。

圖10 縱向應變時程曲線

由各測點縱向應變時程曲線提取峰值，如圖11所示。計算各工況各測點縱向應變峰值的減小百分比，如表5所示。

圖11 縱向應變峰值

由圖10和圖11及表5可知：

(1) 僅采取結構加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段縱向應變峰值減小較小，最大為6.19%；隨著斷面軟巖范圍的增大，縱向應變峰值減小百分比不斷增大，至軟巖段最大，為13.36%。

(2) 二襯同等結構強度、施設與不施設減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點縱向應變峰值減小基本一致，減小百分比在20%～30%。這說明二襯施設減震縫對減小結構縱向應變方面，作用較為明顯。

(3) 剛柔相濟抗減震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點縱向應變峰值減小基本一致，減小百分比在30%～40%。這說明剛柔相濟抗減震措施對減小結構縱向應變方面，作用明顯。

3.3 接觸應力

提取各工況各量測斷面測點接觸應力時程曲線，如圖12所示(以工況4-A斷面為例)。

圖12 接觸應力時程曲線

由各測點接觸應力時程曲線提取峰值，如圖13所示。計算各工況各測點接觸應力峰值的增大或減小百分比，如表6所示。

圖13 接觸應力峰值

由圖12和圖13及表6可知：

(1) 僅采取結構加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段接觸應力峰值增大較大，最大為14.72%；隨著斷面軟巖范圍的增大，接觸應力峰值增大百分比不斷增大，至軟巖段最大，為24.90%。支護結構強度提高后，結構剛度得以提高，其限制圍巖應力釋放的作用增強。

(2) 二襯同等結構強度、施設與不施設減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設縫后，隧道洞口硬巖段接觸應力峰值減小較小，最大為-9.36%；隨著斷面軟巖范圍的增大，縱向應變峰值減小百分比不斷增大，至軟巖段最大，為-17.89%。二襯施設減震縫后，結構縱向剛度下降，致使結構所受接觸應力整體下降，接觸應力峰值減小百分比在5%～20%。

(3) 剛柔相濟抗減震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點接觸應力峰值增大百分比較小，10%以下。

3.4 結構內力

提取各工況各測點二襯內外側橫向應變片量測數據，計算各測點截面的軸力、彎矩及安全系數，如圖14所示(以工況2-C斷面拱頂測點為例)。結構安全系數可按式(1)和(2)進行計算[16]。

矩形截面軸心及偏心受壓構件抗壓強度

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受壓構件抗拉強度

(2)

式中：K為安全系數；N為軸向力(kN)；b為截面寬度(m)；φ為構件縱向彎曲系數；α為軸向力的偏心影響系數；Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度；Rl為混凝土的抗拉極限強度；h為截面厚度(m)。

(a) 軸力

(b) 彎矩

(c) 安全系數

提取拱頂各測點安全系數時程曲線的最小值，如圖15所示。計算各工況各測點安全系數最小值的增大百分比，見表7所示。

圖15 安全系數最小值

由圖14和圖15及表7可知：

(1) 僅采取結構加強措施情況(工況2相對于工況1)。結構加強后，隧道硬巖洞口段所受地震慣性力及強制位移變化很小，支護結構安全系數最小值增大百分比較大，在55%～65%；隨著斷面軟巖范圍的增大，支護結構所承受的地震慣性力增長較快，結構內力增長較快，結構安全性能增速減緩，至軟巖段降至30.40%。

(2) 二襯同等結構強度、施設與不施設減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點安全系數最小值增大基本一致，增大百分比在40%～55%。這說明二襯施設減震縫對提高隧道洞口段結構的安全性，作用明顯。

(3) 剛柔相濟抗減震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點安全系數最小值增大在85%～145%。這說明剛柔相濟抗減震措施對提高隧道洞口段結構的安全性，作用顯著。

4 結 論

(1) 僅采取結構加強情況。各量測斷面測點PGA變化較小，最大為7.59%；縱向應變峰值減小百分比在5%～15%；接觸應力峰值增大百分比在10%～25%；安全系數最小值增大百分比在30%～65%。結構加強在抵抗地震慣性力方面有明顯作用，抗震效果明顯。

(2) 二襯同等結構強度、施設與不施設減震縫情況。各量測斷面測點PGA變化很小，最大僅為1.55%；縱向應變峰值減小百分比在20%～30%；接觸應力峰值減小百分比在5%～20%；安全系數最小值增大百分比在40%～55%。減震縫在消減強制位移方面有明顯作用，減震效果明顯。

(3) 結構加強并施設減震縫情況(剛柔相濟)。隧道洞口段全段PGA減小百分比在10%以下；縱向應變峰值減小百分比在30%～40%；接觸應力峰值減小百分比在10%以下；安全系數最小值增大百分比在85%～145%。這說明剛柔相濟抗減震措施對提高隧道洞口段結構的安全性，作用顯著。