高烈度地震区隧道洞口段刚柔相济抗减震模型试验研究

崔光耀， 纪 磊， 王明年， 朱长安

(1. 北方工业大学 土木工程学院， 北京 100144； 2. 西南交通大学 土木工程学院， 成都 610031；3. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 成都 610031；4. 四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院， 成都 610041)

随着我国交通基础工程向三高地区(高地震烈度、高海拔、高纬度)持续深入发展，强震区交通隧道大量涌现，如在建川藏铁路，全线共198座隧道。高烈度地震区交通隧道的抗震设防设计正日益引起人们的关注。

洞口段和断层破碎带段是隧道抗震设防设计的重点段落[1-2]。硬岩洞口段受地震影响较小，软岩洞口段震害较严重[3-5]。汶川地震中，软岩洞口段甚至出现了衬砌垮塌的严重震害[6]。如何进一步提高强震区软岩洞口段的抗震性能，是目前亟待解决的技术问题之一。

目前，隧道抗震措施主要有结构加强和围岩加强两种；减震措施主要有施设减震层和减震缝两种。抗震措施对抵抗地震惯性力作用明显；减震措施对消减强制位移作用明显。软岩洞口段隧道结构受强震影响，其所受地震惯性力和强制位移均远大于普通段隧道结构。因此，本文提出刚柔相济抗减震措施(二衬加强+二衬施设减震缝)对软岩洞口段进行抗震设防设计。二衬减震缝一般依据模板台车长度设置(减震缝与施工缝设置在同一断面)，减震缝内置橡胶止水带，同时用嵌缝膏填充减震缝背水面，用沥青砂拌合料填充减震缝隙内部。

国内外专家、学者对强震区隧道洞口段抗震及减震技术进行了一定研究，主要有：依托震害资料，对隧道洞口段震害机理进行了研究[7-8]；通过大型振动台模型试验，对隧道洞口段地震响应规律和特性进行了研究[9]；依托黄草坪2#隧道，对围岩加强抗震措施(系统锚杆)和施设减震缝减震措施分别进行了振动台模型试验研究[10]；采用数值仿真技术，对隧道纵向动力响应特性及施设减震缝减震技术进行了研究[11-13]；利用数值分析，对洞口段采用三种注浆方式(全环接触注浆、全环间隔注浆及局部注浆)的围岩加固抗震措施以及采用提高支护结构刚度的抗震措施分别进行了研究[14-15]等。综上，在隧道洞口段采用抗震措施结合减震措施进行综合抗震设防方面研究较少，采用振动台模型试验进行此方面研究更鲜有报道。本文以白云顶隧道进口段为研究背景，对隧道洞口段采用刚柔相济抗减震措施进行振动台模型试验研究，这对高烈度地震区交通隧道洞口段抗减震技术的发展具有重要的意义。

1 白云顶隧道进口段工程概况

1.1 隧址区地质条件

白云顶隧道进口段覆盖层为第四系崩坡积层，以块碎石土为主，充填少量砂质粉土，Ⅴ级围岩。覆盖层下伏Ⅱ级围岩，以砂岩和灰岩为主，岩性坚硬，弱风化。

1.2 结构设计

隧道采用复合式衬砌，马蹄形断面，跨度×高度=11.30 m×9.65 m。初支为厚25 cm的C20喷射混凝土，二衬为厚60 cm的C25模筑钢筋混凝土。

2 试验方案设计

2.1 试验分组

减震缝通常依据模板台车长度设置，本次以9 m模板台车为例进行研究。二衬结构分别采用C25(E为28 GPa)和C35(E为31.5 GPa)混凝土进行研究。

为研究高烈度地震区隧道洞口段采用刚柔相济抗减震措施的动力特性和抗减震效果，试验分组如表1所示。

2.2 试验设备

采用三方向、六自由度大型振动台进行试验。台面尺寸为：长度及宽度均为6 m，最大载重为60 t，频率范围为0.1～100 Hz。振动台如图1所示，振动台基本参数如表2所示。

(a)台面(b) 作动器

采用自制模型试验箱进行试验，试验箱尺寸为：2.5 m(长)×2.5 m(宽)×2 m(高)。为尽可能减小激振过程中试验箱底与围岩的相对滑动，在箱底胶结一层碎石以增大摩擦力；为尽可能消除边界效应及减小激振过程中试验箱边壁与围岩的摩擦力，在试验箱边壁铺设15 cm厚模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，并在内表面粘贴6020膜(聚氯乙烯薄膜)。如图2所示。

试验采用动力应变数据采集仪和动力应变/ICP数据转换仪进行数据采集，如图3所示。测试传感器主要有：加速度计、微型土压力盒及电阻应变片等。

图3 试验数据采集系统

Fig.3 Test data acquisition system

(a) 动力应变采集仪(b) 动力应变/ICP转换仪

2.3 相似设计及相似材料

考虑到试验的边界效应，并结合试验箱尺寸，本次试验几何相似比取为30。加速度相似取比为1，弹性模量相似比取为45，其他参数相似比如表3所示。

围岩主要通过河砂、粉煤灰、重晶石粉、粗/细石英砂、凡士林、松香及机油热融混合模拟，各材料配比按正交试验确定。初支与二衬采用石膏掺合料模拟，防水板采用聚乙烯膜模拟。二衬结构膏水比分别为1.48(C25)和1.67(C35)。如图4所示。

2.4 试验动力荷载

本次试验采用汶川地震实测波(卧龙测站)，地震波持时164.6 s，记录间隔0.005 s。经调幅(9度)、相似变换、滤波和基线校正，加速度时程曲线(以东西向为例)如图5所示。

2.5 监测断面及测点布置

为研究隧道洞口段施设刚柔相济抗减震措施的动力特性和抗减震效果，在洞口软岩段设置监测断面-A断面，在硬岩段设置监测断面-E断面，在软硬围岩交接段设置三个监测断面，分别是B断面(交接位置为仰拱)、C断面(交接位置为边墙)和拱顶(交接位置为D断面)，如图6所示。

图5 加速度时程曲线(东西向)

(a) 剖面图

(b) 俯视图

在各监测断面仰拱中部内侧布置单向加速度计(J)；在拱顶外侧布置微型土压力盒(T)和纵向应变片(ZY)；在拱顶、边墙及仰拱中部内外侧成对布置横向应变片(Y)，测点布置如图7所示。

图7 测点布置

3 试验数据及分析

3.1 地震动峰值加速度(PGA)

提取各工况各量测断面测点加速度时程曲线，如图8所示(以工况3-C断面为例)。

图8 加速度时程曲线

由各测点加速度时程曲线提取其PGA，如图9所示。计算各工况各测点PGA增大或减小的百分比，如表4所示。

图9 地震动峰值加速度

由图8和图9及表4可知：

(1) 仅采取结构加强措施情况(工况2相对于工况1)。隧道洞口硬岩段PGA增长很小，最大仅为1.95%；随着断面软岩范围的增大，PGA增大百分比不断增大，至软岩段最大，为7.59%。

(2) 二衬同等结构强度、施设与不施设减震缝情况(工况3相对于工况1、工况4相对于工况2)。设缝后，隧道洞口段全段各量测断面测点PGA变化很小，最大仅为1.55%。这说明二衬施设减震缝对减小地震惯性力方面，基本无作用。

(3) 刚柔相济抗减震措施(工况4相对于工况1)。隧道洞口硬岩段PGA增长很小，最大仅为1.05%；随着断面软岩范围的增大，PGA增大百分比不断增大，软岩段最大，为9.26%。

3.2 纵向应变

提取各工况各量测断面测点纵向应变时程曲线，如图10所示(以工况2-B断面为例)。

图10 纵向应变时程曲线

由各测点纵向应变时程曲线提取峰值，如图11所示。计算各工况各测点纵向应变峰值的减小百分比，如表5所示。

图11 纵向应变峰值

由图10和图11及表5可知：

(1) 仅采取结构加强措施情况(工况2相对于工况1)。隧道洞口硬岩段纵向应变峰值减小较小，最大为6.19%；随着断面软岩范围的增大，纵向应变峰值减小百分比不断增大，至软岩段最大，为13.36%。

(2) 二衬同等结构强度、施设与不施设减震缝情况(工况3相对于工况1、工况4相对于工况2)。设缝后，隧道洞口段全段各量测断面测点纵向应变峰值减小基本一致，减小百分比在20%～30%。这说明二衬施设减震缝对减小结构纵向应变方面，作用较为明显。

(3) 刚柔相济抗减震措施(工况4相对于工况1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量测断面测点纵向应变峰值减小基本一致，减小百分比在30%～40%。这说明刚柔相济抗减震措施对减小结构纵向应变方面，作用明显。

3.3 接触应力

提取各工况各量测断面测点接触应力时程曲线，如图12所示(以工况4-A断面为例)。

图12 接触应力时程曲线

由各测点接触应力时程曲线提取峰值，如图13所示。计算各工况各测点接触应力峰值的增大或减小百分比，如表6所示。

图13 接触应力峰值

由图12和图13及表6可知：

(1) 仅采取结构加强措施情况(工况2相对于工况1)。隧道洞口硬岩段接触应力峰值增大较大，最大为14.72%；随着断面软岩范围的增大，接触应力峰值增大百分比不断增大，至软岩段最大，为24.90%。支护结构强度提高后，结构刚度得以提高，其限制围岩应力释放的作用增强。

(2) 二衬同等结构强度、施设与不施设减震缝情况(工况3相对于工况1、工况4相对于工况2)。设缝后，隧道洞口硬岩段接触应力峰值减小较小，最大为-9.36%；随着断面软岩范围的增大，纵向应变峰值减小百分比不断增大，至软岩段最大，为-17.89%。二衬施设减震缝后，结构纵向刚度下降，致使结构所受接触应力整体下降，接触应力峰值减小百分比在5%～20%。

(3) 刚柔相济抗减震措施(工况4相对于工况1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量测断面测点接触应力峰值增大百分比较小，10%以下。

3.4 结构内力

提取各工况各测点二衬内外侧横向应变片量测数据，计算各测点截面的轴力、弯矩及安全系数，如图14所示(以工况2-C断面拱顶测点为例)。结构安全系数可按式(1)和(2)进行计算[16]。

矩形截面轴心及偏心受压构件抗压强度

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受压构件抗拉强度

(2)

式中：K为安全系数；N为轴向力(kN)；b为截面宽度(m)；φ为构件纵向弯曲系数；α为轴向力的偏心影响系数；Ra为混凝土或砌体的抗压极限强度；Rl为混凝土的抗拉极限强度；h为截面厚度(m)。

(a) 轴力

(b) 弯矩

(c) 安全系数

提取拱顶各测点安全系数时程曲线的最小值，如图15所示。计算各工况各测点安全系数最小值的增大百分比，见表7所示。

图15 安全系数最小值

由图14和图15及表7可知：

(1) 仅采取结构加强措施情况(工况2相对于工况1)。结构加强后，隧道硬岩洞口段所受地震惯性力及强制位移变化很小，支护结构安全系数最小值增大百分比较大，在55%～65%；随着断面软岩范围的增大，支护结构所承受的地震惯性力增长较快，结构内力增长较快，结构安全性能增速减缓，至软岩段降至30.40%。

(2) 二衬同等结构强度、施设与不施设减震缝情况(工况3相对于工况1、工况4相对于工况2)。设缝后，隧道洞口段全段各量测断面测点安全系数最小值增大基本一致，增大百分比在40%～55%。这说明二衬施设减震缝对提高隧道洞口段结构的安全性，作用明显。

(3) 刚柔相济抗减震措施(工况4相对于工况1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量测断面测点安全系数最小值增大在85%～145%。这说明刚柔相济抗减震措施对提高隧道洞口段结构的安全性，作用显著。

4 结 论

(1) 仅采取结构加强情况。各量测断面测点PGA变化较小，最大为7.59%；纵向应变峰值减小百分比在5%～15%；接触应力峰值增大百分比在10%～25%；安全系数最小值增大百分比在30%～65%。结构加强在抵抗地震惯性力方面有明显作用，抗震效果明显。

(2) 二衬同等结构强度、施设与不施设减震缝情况。各量测断面测点PGA变化很小，最大仅为1.55%；纵向应变峰值减小百分比在20%～30%；接触应力峰值减小百分比在5%～20%；安全系数最小值增大百分比在40%～55%。减震缝在消减强制位移方面有明显作用，减震效果明显。

(3) 结构加强并施设减震缝情况(刚柔相济)。隧道洞口段全段PGA减小百分比在10%以下；纵向应变峰值减小百分比在30%～40%；接触应力峰值减小百分比在10%以下；安全系数最小值增大百分比在85%～145%。这说明刚柔相济抗减震措施对提高隧道洞口段结构的安全性，作用显著。