淺埋雙洞錯距山嶺隧道洞口段地震響應試驗研究

皇 民，趙玉如，苑俊杰，秦長坤，雷嘯天

(河南工程學院 土木工程學院, 河南 鄭州 451191)

0 引言

持續活動的高烈度地震導致不少隧道地下結構受損嚴重，其中以隧道洞口段的震害更為嚴重，包括襯砌開裂變形、洞口塌方落石等[1]；文獻[2]研究了1999年中國臺灣集集地震(7.3級)中山岳隧道受損情況，結果表明地震中的不少隧道曾發生襯砌混凝土塊龜裂、掉落, 甚至鋼筋彎曲等現象；2008年的汶川地震(8.0級)中大量山嶺隧道發生圍巖塌方，洞口落石以及隧道邊仰坡塌方致使多條交通線中斷[3]。文獻[4]和[5]總結了山嶺隧道震害特征與規律，研究表明，洞口段的震害嚴重程度遠大于洞身段，因此隧道地下結構洞口段是保障生命線抗震設計安全的關鍵；文獻[6]研究了不同類型地下洞室的震害情況，表明地震作用下的洞室越接近洞口處，就越容易遭到破壞。當前國內對隧道地下結構的抗震研究不足，隧道地下結構抗震規范中關于地下結構的條文不夠深入和具體，越來越不能適應強震區隧道工程的需要[7-9]。

目前隧道抗震研究中，由于巖土非線性本構模型以及地震動力方程的復雜性，采用數值模擬或解析法分析隧道抗震性能均存在一定問題，因此模型試驗仍是當前研究隧道抗震的有效途徑。許多學者利用大型振動臺進行了山嶺隧道洞口段模型試驗，且獲得了較好的研究結論。文獻[10]以振動臺模型試驗研究了黃草坪2#隧道洞口段減震情況，研究表明：從隧道洞口向洞身延伸48～60 m后，隧道地震響應趨于穩定，該范圍是隧道洞口段抗震設防重點范圍。文獻[11]利用振動臺對嘎隆拉隧道洞口段進行模型試驗，研究表明：地震作用下，隧道結構與巖土為同步震動，地震慣性力對隧道地震反應作用較小，因此隧道地下結構抗震關鍵為隧道巖土體的穩定；文獻[12]根據《公路隧道設計規范》(JTGD70—2004)采用模型試驗手段研究了軟弱圍巖中的洞口段抗震，結果表明山嶺隧道洞口仰坡也是隧道抗震的薄弱環節。

由上可知，隧道洞口段的模型試驗已經取得了比較豐富的成果，但大多為單洞模型或同距雙洞隧道，而關于淺埋錯距雙洞隧道的模型試驗少有研究。故本研究以雅瀘高速某山嶺隧道為原型，運用大型振動臺模型試驗，研究淺埋錯距雙洞山嶺隧道洞口段震害特征與工程減震措施。

1 模型試驗方案設計

1.1 模型試驗相似參數設計

用p和m分別表示原型與模型的相應參數，試驗分析設m與p之比為相似比，用C表示。為消除邊界效應，模型試驗隧道圍巖的寬度可取洞徑的3～5倍[13]。本次試驗中隧道開挖寬度為12.64 m，試驗用振動臺模型箱的最大尺寸為長度6 m，寬3 m，高2 m。取3倍洞徑時，則模型箱寬度應不小于隧道模型跨度的6倍，故隧道模型寬度應在3/6 m=0.5 m以下,則幾何相似比應小于0.5∶12.64=1∶25.28,結合文獻[10-15]中隧道模型試驗中的幾何相似比取值一般在1∶30～1∶50左右，因此綜合確定本試驗的幾何相似比為1∶30。

根據文獻[16]，在物體幾何尺寸、結構應力應變、物體密度、物體彈模等參數中，可以選擇兩個獨立參數，按照設定的相似比推算出其他參數的相似關系。對于地震分析，主要考慮材料摩擦角φ、泊松比μ、結構應變ε、結構荷載F、物體幾何尺寸L、時間T、物體質量M、結構剛度K、結構應力σ、物體密度ρ、物體彈模E、結構振動頻率f、速度v、加速度a、結構阻尼系數c等參數。設定μ，ε，φ這3個參數相似比為1，其余物理參數為12個，其中基本量綱有3個，則可得量綱矩陣式如下：

(1)

根據上述量綱矩陣可以得到相應的線性方程組如下：

(2)

對方程組進行求解并整理為π矩陣如式(3)所示：

(3)

由式(3)可求解出相應的獨立π項，即相似準則：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

π6=Tf，

(9)

(10)

(11)

(12)

依據上述相似準則即可求得試驗中主要物理量的相似關系如表1所示。

表1 模型試驗主要參數相似比Tab.1 Similarity ratio of main parameters in model test

1.2 模型試驗材料的設計配制1.2.1 圍巖相似材料的配制

依據正交試驗反復比選，確定河砂、機油與粉煤灰熱融混合料作為圍巖的相似材料。材料配比為：30%河砂，10%機油，60%粉煤灰，其中河砂為細砂；粉煤灰為二級F類粉煤灰。粉煤灰的作用是調節模型土的密度以使模型相似比滿足要求。

配制中應準確控制材料密度的變化情況，以稱重后的松散材料均勻填入，然后反復壓實至預定位置。

試驗材料的物理力學性質指標如表2所示。

表2 隧道圍巖原型與模型相似材料性質對比表Tab.2 Comparison of properties of prototype of tunnel surrounding rock and similar material of model

1.2.2隧道襯砌相似材料

(1)隧道襯砌相似材料設計

隧道襯砌結構設計立方體抗壓強度為25 MPa，結構厚度0.5 m，隧道模型相似材料采用石膏，襯砌厚度取17 mm。為了增加材料容重，在隧道襯砌中混合了少量重密度材料。

經過多批次的正交試驗，獲得了合格的模型相似材料：石膏、石英砂、重晶石、水，材料質量比例為10∶10∶18∶13。

石膏混合材料采用預制方法，力學參數取成型后1周終凝值。模型與原型的力學性質參數對比如表3所示。

表3 隧道襯砌原型與模型相似材料性質試驗對比表Tab.3 Comparison of properties of prototype of tunnel lining and similar material of model

(2)模型成型方式

模型制作步驟為：成型-風干-拆除模板。如圖1所示為制作完成的隧道襯砌模型。

圖1 襯砌模型Fig.1 Lining model

1.3 模型試驗振動臺設計

試驗振動臺由德國某公司生產，平面尺寸2.5 m，載重100 t，可以施加的最大加速度為1g，最大位移為±50 cm，工作頻率為0.1～30 Hz。從材料和經濟方面考慮，臺架采用格柵結構，由鋼板焊接并在關鍵部位進行加強，如圖2 所示。

圖2 振動臺Fig.2 Shaker

1.4 模型箱的設計

為了消除模型邊界形成的反射波，模型箱設計應盡量降低邊界效應[13]。依據文獻[10-15]中振動臺試驗成果，為降低邊界效應對試驗的影響，對模型箱設計要求如下：結構穩定牢固；邊界條件明確簡單并接近原型場地土的地震響應的性狀；模型箱側壁采用鋼板固定邊界，內側鋪設厚100 mm的聚苯乙烯板，以降低隧道反射應力波的不利影響；底部鋪設一層卵石，以增強圍巖與底部的摩擦力，避免模型底部發生滑移。綜合試驗設備與其他條件，確定模型試驗箱幾何尺寸為：高度200 cm，水平橫截面長與寬均為250 cm。試驗裝置如圖3所示。

圖3 模型試驗箱與加載裝置Fig.3 Model test chamber and loading device

1.5 模型試驗監測

模型試驗目的在于觀測隧道震害情況，分析結構破壞機理與震害原因，并綜合評價試驗結構抗震性能與減震措施。試驗量測內容主要為加速度、應變和結構破壞觀測。試驗模型與監測斷面布置如圖4、圖5所示。

圖4 錯距隧道洞口模型Fig.4 Staggered tunnel portal model

圖5 模型監測點布置Fig.5 Layout of model monitoring points

在隧道模型襯砌內外側對稱粘貼應變片，監測應變應力值，應變片采用5 mm×2 mm泊式膠基電阻應變片，以半橋式進行觀測。同時在隧道模型距洞口20 cm處及振動臺上安設結構加速度計，通過結構加速度曲線的變化，反演模型圍巖的地震響應。

2 淺埋雙洞錯距隧道洞口段模型試驗

依據1∶30的相似比關系，設計隧道洞口段模型雙洞中心距離為80 cm，錯距80 cm，如圖6所示。地震波選用四川地震局按照場地條件合成的超越概率10%的人工波，模型輸入地震波按照時間與加速度等參數的相似關系進行相應的調整[17-18]，在模型橫向分6次加載施加，加速度峰值逐級提高，如表4所示。

表4 地震波加載參數Tab.4 Loading parameters of seismic waves

圖6 淺埋雙洞錯距隧道洞口段試驗模型Fig.6 Test model of portal section of shallow buried double staggered mountain tunnels

2.1 模型加速度測試結果

測得6次地震作用下模型仰拱和模型箱外側加速度峰值情況如表5所示。由表可知，隧道結構仰拱加速度高于模型箱外側。

表5 結構加速度峰值記錄Tab.5 Record of structural peak acceleration

為了更好地表征模型加速度變化情況，在此引入一個新參數——加速度放大系數，其值為隧道仰拱與隧道模型箱外側加速度峰值之比。圖7給出了該系數與輸入地震波強度的關系曲線。由圖可見，其值隨輸入地震動幅值的減小而增加。

圖7 隧道地震響應加速度放大倍數曲線Fig.7 Acceleration amplification curve of tunnel seismic response

圖8～圖9為0.4g地震動輸入情況下的隧道仰拱和模型箱外側的加速度時程和傅里葉譜。可以看出，仰拱處的最大加速度值(0.4g)比模型箱外側的最大加速度(0.34g)有較大的提高；仰拱處15 Hz 以下頻率的地震波能量高于模型箱外側處，而15 Hz以上頻率的地震波能量則小于模型箱外側處。這表明隧道圍巖土對輸入地震波有一定的擴大效應；15 Hz以下頻段的地震波在圍巖土中有一定的增強，而15 Hz以上頻段的地震波在圍巖土中產生了較為明顯的衰減。

圖8 隧道結構仰拱加速度曲線及傅里葉譜Fig.8 Acceleration curve and Fourier spectrum of tunnel invert

圖9 隧道模型箱外側加速度曲線及傅里葉譜Fig.9 Acceleration curve and Fourier spectrum of outside of tunnel model box

2.2 隧道應變監測

隧道模型右線錯距段監測斷面1處各監測點的地震響應如圖10所示，圖中應變幅值的單位為1×10-6。由圖可知：左墻角外側處的應變幅值最大，峰值達到98，而右墻角外側處應變峰值為37，表明錯距段隧道臨空面一側的地震響應遠高于另一側；仰拱處的應變幅值為93高于拱頂處應變峰值71，兩者數值差距不是太大而方向相反，說明拱頂與仰拱在地震響應中存在錯動現象，這容易導致結構的剪切破壞；監測點應變在地震過程中有一定的偏差，在地震停止后也未能恢復，說明隧道結構在地震荷載下產生了永久變形導致的附加應變變形。

圖10 隧道結構應變時程Fig.10 Strain time history of tunnel invert

綜合模型右線錯距段監測斷面1、2和3處各監測點的隧道地震響應情況，可以得出隧道結構地震響應與隧道里程關系曲線如圖11～圖12所示(以隧道拱頂為例)。為了消除隧道靜應變對隧道總應變的影響從而能更直接地反映隧道結構在地震作用下的響應應變值，在此定義相對動應變為隧道總應變幅值與隧道靜應變的差值與隧道靜應變的比值。由圖可知：總應變隨隧道里程的增加而增加，隧道拱頂相對動應變隨隧道里程的增加而逐漸減小。這表明隨著隧道埋深的增加，地震作用對隧道結構的影響越來越小，因此埋深增加有利于隧道的地震安全性。

圖11 總應變與隧道里程關系曲線Fig.11 Curve of total strain vs. mileage of tunnel

圖12 相對動應變與隧道里程關系曲線Fig.12 Curve of relative dynamic strain vs. mileage

2.3 模型圍巖及隧道襯砌損傷情況

地震波加載逐漸增強的過程中，隧道仰坡沿拱頂兩側45°角逐漸開始產生裂紋并逐漸向四周發展；同時模型襯砌也出現裂紋并在隧道洞口錯距段右洞首先發展為裂縫，如圖13、圖14所示，圖中的模型圍巖裂縫以白紙線示意。由圖可見，在地震激勵作用下，隧道圍巖和仰坡及淺埋錯距段地表均產生了明顯的大范圍開裂現象，其中錯距段隧道臨空面一側受地震作用更強；模型襯砌裂縫主要發生在距離洞口1.5 m處范圍內，超過1.5 m后，隧道結構未見明顯裂縫，按照模型試驗相似比換算，相當于隧道洞口段45 m內震害會比較嚴重，因此可以按照45 m 作為洞口設防長度。

圖14 模型圍巖損傷情況Fig.14 Damage of surrounding rock model

綜上分析，淺埋錯距雙洞隧道洞口段的抗震模型試驗結果表明：

(1)隧道模型圍巖對輸入地震波有較明顯的擴大效應，其頻率譜也發生了改變，15 Hz以下頻段的地震波得到了強化而其余頻段發生衰減；

(2)隧道結構在地震荷載下產生了永久變形導致的附加應變變形，其值隨隧道里程增加而逐漸減小。這表明巖土體對隧道結構的約束作用減輕了隧道結構的地震響應；

(3)模型墻角位置的內力最大，隧道仰坡的拱肩45°角位置在地震作用下首先產生裂紋并逐步擴展，為隧道洞口段抗震的薄弱環節；

(4)模型裂縫主要發生在距離洞口1.5 m處范圍內，按照模型試驗相似比換算，可以按照45 m作為洞口設防長度；

(5)洞口段錯距部位的震害要比其他部位更加嚴重，在試驗中的表現就是右洞洞口段(錯距部分)的裂縫發展情況比左洞嚴重；

(6)左洞隧道的右側與右洞隧道的左側應變高于其他兩側，說明試驗模型中的隧道之間在地震作用下存在一定的地震動力作用。

3 淺埋雙洞錯距隧道洞口段減震措施試驗

上述試驗表明，雙洞錯距隧道洞口段在強震作用下損傷較為嚴重。為了減小洞口段地震響應，擬在隧道模型中加設海綿橡膠材料作為減震層，厚度0.8 cm。地震動加載方式與強度同上。

3.1 隧道加速度地震響應情況

模型試驗加速度地震響應統計情況如表6所示。與表5相比，加設減震層后，無論是隧道仰拱處還是模型箱外側，大部分的加速度峰值均有一定程度的減小，但數值差別不明顯，表明減震層可以降低結構的加速度地震響應，具有一定的減震作用，但對于加速度的減震效果不明顯。

表6 結構加速度峰值記錄(安設減震層) Tab.6 Record of peak acceleration of structure

3.2 應變測試結果

如圖15、圖16所示為隧道洞口錯距段右線1號監測斷面處右墻角與仰拱處的的地震響應情況，其他監測點的應變曲線與之類似，不再贅述。由圖可知：模型結構應變與無減震措施的情況相比，監測點的的地震響應應變值有比較明顯的下降，說明減震層的設置降低了隧道模型結構的地震響應。其中右墻角外側處的應變峰值僅為21，比未安裝減震層時的峰值37降低了43.24%；仰拱處的應變峰值為69，比未安裝減震層時的峰值93降低了25.81%。

圖15 隧道結構右墻角應變時程(安設減震層)Fig.15 Strain time history of right wall corner of tunnel(damping layer installed)

圖16 隧道結構仰拱應變時程(安設減震層)Fig.16 Strain time history of tunnel invert (damping layer installed)

3.3 模型土及隧道襯砌損傷情況

地震波作用下，隧道襯砌局部出現開裂情況，尚未出現大面積斷裂坍塌現象，隨著逐步增大地震波強度，襯砌裂縫逐步發展。模型圍巖土亦出現部分裂縫，首先從隧道仰坡45°角位置發生開裂，逐步發展至隧道地表與仰坡。顯然，加設減震層后的隧道洞口襯砌與圍巖在地震作用下的開裂破壞情況遠小于未安裝減震層的隧道情況(見圖13～圖14)。

安設減震層后的雙洞錯距山嶺隧道模型試驗結果表明：有減震層的隧道仰拱結構加速度放大系數有一定的下降，結構應變幅值有比較明顯的下降，這表明減震層降低了模型結構的地震激勵，具有一定的減震效果；有減震層的山嶺隧道結構與模型圍巖以及隧道仰坡在地震激勵下，也產生了裂紋，部分發展為裂縫，但其破壞程度較小，隧道結構安全未受到影響，說明隧道減震層降低了地震激勵對結構與圍巖的破壞，達到了減震試驗的預期。

4 結論

綜上，通過淺埋雙洞錯距山嶺隧道洞口段的地震模型試驗以及減震措施試驗分析，可以得出以下結論：

(1)由于巖土體的非線性本構特征以及地震波的復雜性，模型試驗是當前研究山嶺隧道地下結構抗減震的有效手段。

(2)洞口段模型裂縫主要發生在距離洞口1.5 m 處范圍內，說明巖土體對隧道結構的約束作用減輕了隧道結構的地震響應，按照模型試驗相似比換算，可以將45 m 作為山嶺隧道洞口設防長度。

(3)無論是否設置減震層，結構模型墻角位置的內力總是最大，而且首先產生裂縫的皆為隧道仰坡的拱肩45角位置。這些是隧道洞口段抗震的薄弱環節，應給與必要的重視。

(4)洞口段錯距部位的震害要比其他部位更加嚴重，設計中可以考慮在錯距部位適當增加巖土體積，以增強該部位的巖土約束作用。

(5)地震波作用下淺埋雙洞錯距山嶺隧道地下結構之間存在較強的動力相互作用。

(6)即便設置了減震層，隧道模型在地震波作用下也產生了結構裂紋與仰坡開裂等震害，但其開裂情況比較輕微，表明在地震波作用下，完全避免襯砌損傷比較困難，但可以通過大阻尼結構減震層的安設來降低隧道的地震災害。