不同进洞高程隧道洞口段大型振动台模型试验研究

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(1.兰州交通大学 土木工程国家级实验教学示范中心，兰州 730070; 2.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070； 3.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070)

1 研究背景

本文振动台模型试验是以郑西客运专线和宝兰客运专线上典型的黄土隧道(王家沟隧道)为工程背景[1-3]。到目前为止，国内外学者对于山岭隧道的震害类型、特征及影响因素有一定的认识[4-8]，但对隧道地震动力响应规律的研究还不够深入[9-10]。本试验利用相似性原理确定配比并采用相似性材料建造边坡模型，并利用监测传感器元件显示其失稳破坏过程。虽然振动台试验在研究边坡稳定性方面取得了很多成果[11-12]，但在边界条件与相似关系等方面还存在一些缺陷，因加载的地震波和试验过程具有很强的可操作性，故而在岩土工程界广泛应用。隧道洞口段衬砌结构不仅受到边坡在震动作用下动力放大效应[13]的影响，同时也会受到边坡静应力场作用和施工开挖支护等工程影响。为节省模型制作时间，只对洞口边坡制作了2组模型，以对比研究不同进洞高程情况下黄土隧道洞口段的动力响应特征异同，关注不同部位最大峰值加速度，为隧道抗震设计提供一定的理论参考。本文拟对土质边坡进行概化处理并完成振动台模型试验，研究在x方向地震波作用下不同进洞高程时边坡失稳破坏规律和隧道洞口段受力特征。

2 试验模型方案设计

本次2组模型试验相似比均为1∶70，试验模型边坡均采用兰州黄土填筑，坡形设计为双面坡，一侧埋设隧道模型，另一侧只施做纯土质边坡，隧道模型以石膏粉为骨料，用模具预制并养护10 d以上。整体试验方案模型如图1所示。

图1 模型方案Fig.1 Model schemes

台面输入竖直和水平2个方向入射的El-Centro地震波和汶川地震波形(甘肃武都台记录的远场汶川地震波)，按地震烈度由低到高逐级加载直至边坡模型或隧道结构模型完全破坏为止。地震波加载工况如表1所示，汶川波输入地震波形及频谱曲线如图2(a)、图2(b)。

表1 加载工况Table 1 Loading condition

注：1 gal=0.01 m/s2

图2 汶川地震波(8度)Fig.2 Wenchuan earthquake wave (8 degrees)

为了对比研究隧道在边坡上进洞高程的不同引起的坡-隧系统的动力响应特征，本次试验共设计了2组振动台模型：

(1)模型Ⅰ为隧道在边坡(双面坡)坡脚处进洞试验模型。

(2)模型Ⅱ为隧道在0.5倍坡高(双面坡)处进洞试验模型。

对模型Ⅰ和模型Ⅱ按照试验加载方案分别进行加载，并记录试验过程中观察到的试验现象。

试验采用甘肃省地震局兰州地震研究所的振动台，台面尺寸4 m×6 m，由28台伺服电机提供动力，其中水平向12台。模型箱采用刚性密封式，内箱尺寸2.8 m×1.4 m×1.0 m，骨架材料为角钢，厚度为25 mm。长度方向内侧为有机玻璃板(厚度30 mm)，外侧用普通钢板每20 cm加密固定在角钢骨架上，宽度方向两侧为20 mm厚的碳钢板。

2.1 模型制作

隧道结构的尺寸参照宝兰客运专线典型黄土边坡隧道断面尺寸，按照1∶70的几何相似比进行缩小得到模型与原型的几何尺寸关系。

试验正式开始前对拟取土天然边坡进行黄土采样，完成常规土工试验，得到天然含水率7.1%，塑限WP=17.6%，液限WL=33.8%，塑性指数IP=WL-WP=16.2%，最佳含水量16.5%，相应最大干密度1.78 g/cm3。

2.2 隧道模型制作及安装

隧道模型在试验开始前15 d左右制作模筑，首先根据隧道模型的断面尺寸制作模具。模具由内外2层1.0 mm厚的同心圆薄铁皮弯制而成，内圆半径9 cm，外圆半径10 cm，预制长度50 cm和45 cm的衬砌各2段。模型浇筑前用凡士林均匀涂抹外筒内侧和内筒外侧，共浇筑4段，2段长为50 cm，另2段长为45 cm，厚度均为2 cm，因在冬季试验，故用热水浇筑，且周围放置“小太阳”防止温度较低时石膏不能充分溶解。浇筑完成后将模型连同底部承载板一并搬至养护棚内，持续养护10 d以上再进行拆模。

试验前将黄土配制成接近最优含水率(ωop=16.5%)的材料，静置48 h待用。按Dc=0.95控制压实密度，称取固定质量的土铺平夯实，每层夯击完成后用环刀法现场取样检验填土密度是否达到预设压实度。填筑完成后对边坡模型进行削坡处理，模型填筑至预埋元件处或隧道结构处时，对其按照布设位置要求和设计进行预埋。

2.3 监测布置及监测元件

监测方案按监测对象的不同分为2部分：一是隧道洞口段衬砌结构的地震动力响应监测；二是边坡不同高程位置处坡面的地震动力响应监测。模型Ⅰ监测元件布设情况如图3所示。出于保护加速度传感器的考虑，将其埋设于距离衬砌表面垂直距离2 cm处。

图3 模型Ⅰ监测方案Fig.3 Monitoring scheme of model Ⅰ

2组试验隧道洞口段衬砌拱顶及拱底位置布设土压力和加速度传感器，土压力传感器位置距衬砌外表面2 cm，加速度传感器距衬砌外表面2 cm，均埋设于衬砌结构紧贴的土体中。土压力传感器到坡面的水平距离为6 cm，加速度距坡面的水平距离8 cm，坡面两侧监测元件对称布置，便于对比分析。模型Ⅱ监测元件布设如图4所示。

图4 模型Ⅱ监测方案Fig.4 Monitoring scheme of model Ⅱ

加速度传感器采用DH1C301三向电容式，第1组试验共布设18个，其中隧道衬砌上9个，振动台台面1个，其余8个布置于边坡上；第2组试验共布设14个，其中隧道上9个，振动台台面1个，其余4个布置于边坡上。土压力传感器为莫尼特公司产的量程-500～+500 kPa的 CYY9土压力传感器。埋设前对所有监测元件进行检测，确保每个设计布设位置都能够采集到试验数据，为数据分析提供保障。

3 试验模型破坏特征

分析对比隧道洞口段的破坏过程(见图5)，在x向地震波作用下，洞口段边坡发生大规模破坏主要由地震惯性力引起。模型 Ⅰ 表现出纯黄土边坡的破坏特点，说明隧道自坡脚进洞对边坡的稳定性影响不大，坡-隧系统相互作用不明显；模型 Ⅱ 由坡顶前缘横向拉裂缝在往复拉压应力下逐步向洞口附近扩展，拉张裂缝逐步发展为剪张裂缝，最后在隧道基底位置处被剪出引起，说明隧道自坡腰进洞影响了洞口边坡的稳定性，坡-隧系统相互作用明显。2组模型试验，坡高、坡角、入射地震波、岩土体材料、填筑方式、隧道结构均相同，但进洞高程不同，则洞口边坡的破坏形式各异，说明进洞高程对破坏形式产生了一定影响。

图5 隧道洞口段的破坏过程Fig.5 Failure process of tunnel entrance segment

2组无隧道边坡破坏情况如图6所示。总体来看，2组模型首先在洞口边坡周边产生微小裂缝，而后边坡顶部前缘出现拉张裂缝，随着地震振幅加大，洞口微裂缝持续放射状向四周扩展，坡顶前缘裂缝向洞口方向发育，最终形成连续滑裂面，洞口发生滑坡和坍塌，洞口被掩埋，模型破坏。

图6 无隧道边坡破坏情况Fig.6 Failure of slope with no tunnel

4 加速度监测结果

4.1 衬砌结构加速度响应特征

选取模型Ⅰ测点J2—J9和模型Ⅱ测点A2—A9，加载工况2和工况3的典型数据绘制隧道衬砌结构在x向汶川地震波作用下不同位置处的衬砌峰值加速度曲线，如图7。

图7 入射x向汶川波衬砌峰值加速度及放大系数Fig.7 Peak acceleration and amplification factor ofincident x-direction Wenchuan wave in lining

从图7(a)可以看出，模型Ⅰ距洞口水平距离超过70 cm时，仰拱峰值加速度基本趋于稳定，约为1.0 m/s2；模型Ⅱ距洞口水平距离超过65 cm时，仰拱峰值加速度基本趋于稳定，约为1.2 m/s2，2组试验模型洞口位置的峰值加速度接近，约为2.0 m/s2。从图7(b)可以看出，洞口段衬砌结构的加速度响应变化规律与上述工况类似，不同之处是此工况衬砌结构的加速度响应明显增强，模型Ⅰ在靠近洞口端和趋于稳定端监测点的峰值加速度均趋于稳定值约1.40 m/s2左右，模型Ⅱ约为3.40 m/s2左右。工况2中模型Ⅰ和模型Ⅱ的峰值加速度较接近，而工况3中两者差值被明显拉大，说明地震波幅值越大，进洞高程对衬砌峰值加速的影响越显著。

为了定量研究隧道不同进洞位置处的加速度放大显著程度，将工况2和工况3各位置监测点的峰值加速度与振动台台面实测峰值加速度的比值PGA作为评判放大程度的量化标准，绘制PGA放大系数随测点距洞口水平距离的变化曲线,如图7(c)、图7(d)所示。

2种地震波加载工况下， 2组试验模型中越接近隧道洞口位置衬砌结构的峰值加速度放大系数越大， 呈现出明显的洞口加速度放大效应特征[14-16]。 分析认为： 由于地震波在洞口临空面附近发生反射叠加，隧道洞口段地震波场得到加强，地震波振动效应产生惯性力并作用于衬砌结构，从而导致洞口段加速度放大效应，随着入洞距离的增加，围岩对衬砌结构的约束增加，加速度响应趋于平缓。工况2输入台面加速度幅值小于工况3，衬砌结构加速度响应前者小于后者，说明地面地震动输入加速度幅值越大，隧道结构的加速度响应越大，表现出衬砌结构对地层振动的追随性及依耐性。加载工况3时，模型Ⅱ的衬砌结构峰值加速度远大于模型Ⅰ，加载工况2两者较接近，仅隧道结构在边坡上的进洞高程有差异，说明在强震作用下，隧道在边坡上的进洞高程是抗震设计要考虑的关键参数之一，地震烈度越高，高程放大效应越明显。

4.2 边坡加速度响应

模型Ⅰ在隧道侧布设J1，J6，J10，J11，J12测点，与之对应在无隧道边坡侧布设J1′,J6′,J10′,J11′,J12′测点，共计10个；模型Ⅱ在有隧道侧沿边坡横向不同位置布设了A10—A13测点，用以研究加速度在边坡横向的变化规律，在隧道侧埋设A1，A6，A10测点，在无隧道边坡侧埋设A1′,A10′测点，共计5个。

以加载2种工况的典型监测数据绘制隧道边坡及无隧道边坡在x向汶川地震波作用下不同位置处的峰值加速度曲线，如图8(a)。由图8(a)知:同一工况下隧道边仰坡和无隧道边坡的最大峰值加速度随坡高的变化趋势相近，最大值位于坡顶位置；不同工况同一位置的边坡最大峰值加速度随台面输入峰值加速度增大而明显增大，坡顶增大最快，坡脚位置增长缓慢。隧道边仰坡和无隧道边坡坡面加速度均随高程增大而显著增大，呈现出明显的高程放大效应。为了说明坡面高程放大效应，绘制坡面最大峰值加速度放大系数PGA随坡面的变化曲线，如图8(b)。

图8 入射x向汶川波坡面峰值加速度及放大系数Fig.8 Peak acceleration and amplification factor ofincident x-direction Wenchuan wave in slope surface

从图8(b)可以看出:2组模型，2种工况下，PGA沿坡面自坡底向坡顶逐渐增大，最大值位于坡顶位置，坡脚位置最小(隧道侧坡脚加速度传感器损坏)。台面输入汶川波幅值由103 gal增大到213 gal时，无隧道边坡和隧道边仰坡坡面各位置的PGA均有所减小，且前者的减小幅度大于后者。这说明在水平向低烈度地震作用下，无隧道边坡坡面加速度高程放大效应比坡-隧系统更显著，但随着地震波幅值的增大，无隧道边坡和坡-隧系统的坡面加速度放大系数均减小，且前者大幅减小而坡-隧系统边坡的放大系数稍有减小，但仍维持在一个较高的水平，表现出放大效应饱和的特性[18]。坡-隧系统在水平向高烈度地震作用下沿坡面的高程放大效应比无隧道边坡的要明显，2组模型试验在高烈度地震作用下均首先发生坡-隧系统边坡的大规模破坏就是很好的证明。

为了研究加速度在水平方向的变化规律，在模型Ⅱ靠近坡顶位置沿隧道轴向平行方向埋设了5个加速度传感器(P14损坏)，绘制加速度沿水平位置的变化曲线，如图9。同一振幅的x向汶川波作用下，坡体内同一水平面(沿隧道轴向平行方向)的峰值加速度沿距坡面距离的增大略有增大趋势，并且地震波幅值增大，坡体内各测点的峰值加速度也增大，这点与坡面加速度的变化规律一致。

图9 入射x向汶川波坡体内同一水平面最大峰值加速度Fig.9 Maximum peak acceleration of incident x-directionWenchuan wave at the same horizontal plane in slope

5 结 论

(1)在距离洞口8倍洞径范围内需要考虑进洞高程对地震波放大效应的影响，超过8倍洞径后，进洞高程对衬砌的加速度响应无明显影响。

(2)坡面峰值加速度随坡高的增大而增大，呈现出明显的加速度高程放大效应，这与普通无隧道下穿的无隧道边坡的动力响应特征相同。而接近坡顶位置的坡面峰值加速度逐渐趋于稳定或者略有减小，呈现出一定的加速度放大效应饱和的现象。

(3)2种进洞高程的隧道边仰坡坡面峰值加速度沿坡面的变化规律类似，坡高<18 m时两者坡面峰值加速度值很接近，坡高>18 m后，0.5倍进洞高程的隧道边仰坡显著大于坡脚进洞的隧道边仰坡的坡面峰值加速度。

(4)有隧道下穿边坡的震害要比无隧道下穿的无隧道边坡严重，隧道进洞高程越大，有隧道下穿的边坡破坏越早，而且洞门附近破坏越严重。