浅埋双洞错距山岭隧道洞口段地震响应试验研究

皇 民，赵玉如，苑俊杰，秦长坤，雷啸天

(河南工程学院 土木工程学院, 河南 郑州 451191)

0 引言

持续活动的高烈度地震导致不少隧道地下结构受损严重，其中以隧道洞口段的震害更为严重，包括衬砌开裂变形、洞口塌方落石等[1]；文献[2]研究了1999年中国台湾集集地震(7.3级)中山岳隧道受损情况，结果表明地震中的不少隧道曾发生衬砌混凝土块龟裂、掉落, 甚至钢筋弯曲等现象；2008年的汶川地震(8.0级)中大量山岭隧道发生围岩塌方，洞口落石以及隧道边仰坡塌方致使多条交通线中断[3]。文献[4]和[5]总结了山岭隧道震害特征与规律，研究表明，洞口段的震害严重程度远大于洞身段，因此隧道地下结构洞口段是保障生命线抗震设计安全的关键；文献[6]研究了不同类型地下洞室的震害情况，表明地震作用下的洞室越接近洞口处，就越容易遭到破坏。当前国内对隧道地下结构的抗震研究不足，隧道地下结构抗震规范中关于地下结构的条文不够深入和具体，越来越不能适应强震区隧道工程的需要[7-9]。

目前隧道抗震研究中，由于岩土非线性本构模型以及地震动力方程的复杂性，采用数值模拟或解析法分析隧道抗震性能均存在一定问题，因此模型试验仍是当前研究隧道抗震的有效途径。许多学者利用大型振动台进行了山岭隧道洞口段模型试验，且获得了较好的研究结论。文献[10]以振动台模型试验研究了黄草坪2#隧道洞口段减震情况，研究表明：从隧道洞口向洞身延伸48～60 m后，隧道地震响应趋于稳定，该范围是隧道洞口段抗震设防重点范围。文献[11]利用振动台对嘎隆拉隧道洞口段进行模型试验，研究表明：地震作用下，隧道结构与岩土为同步震动，地震惯性力对隧道地震反应作用较小，因此隧道地下结构抗震关键为隧道岩土体的稳定；文献[12]根据《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)采用模型试验手段研究了软弱围岩中的洞口段抗震，结果表明山岭隧道洞口仰坡也是隧道抗震的薄弱环节。

由上可知，隧道洞口段的模型试验已经取得了比较丰富的成果，但大多为单洞模型或同距双洞隧道，而关于浅埋错距双洞隧道的模型试验少有研究。故本研究以雅泸高速某山岭隧道为原型，运用大型振动台模型试验，研究浅埋错距双洞山岭隧道洞口段震害特征与工程减震措施。

1 模型试验方案设计

1.1 模型试验相似参数设计

用p和m分别表示原型与模型的相应参数，试验分析设m与p之比为相似比，用C表示。为消除边界效应，模型试验隧道围岩的宽度可取洞径的3～5倍[13]。本次试验中隧道开挖宽度为12.64 m，试验用振动台模型箱的最大尺寸为长度6 m，宽3 m，高2 m。取3倍洞径时，则模型箱宽度应不小于隧道模型跨度的6倍，故隧道模型宽度应在3/6 m=0.5 m以下,则几何相似比应小于0.5∶12.64=1∶25.28,结合文献[10-15]中隧道模型试验中的几何相似比取值一般在1∶30～1∶50左右，因此综合确定本试验的几何相似比为1∶30。

根据文献[16]，在物体几何尺寸、结构应力应变、物体密度、物体弹模等参数中，可以选择两个独立参数，按照设定的相似比推算出其他参数的相似关系。对于地震分析，主要考虑材料摩擦角φ、泊松比μ、结构应变ε、结构荷载F、物体几何尺寸L、时间T、物体质量M、结构刚度K、结构应力σ、物体密度ρ、物体弹模E、结构振动频率f、速度v、加速度a、结构阻尼系数c等参数。设定μ，ε，φ这3个参数相似比为1，其余物理参数为12个，其中基本量纲有3个，则可得量纲矩阵式如下：

(1)

根据上述量纲矩阵可以得到相应的线性方程组如下：

(2)

对方程组进行求解并整理为π矩阵如式(3)所示：

(3)

由式(3)可求解出相应的独立π项，即相似准则：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

π6=Tf，

(9)

(10)

(11)

(12)

依据上述相似准则即可求得试验中主要物理量的相似关系如表1所示。

表1 模型试验主要参数相似比Tab.1 Similarity ratio of main parameters in model test

1.2 模型试验材料的设计配制1.2.1 围岩相似材料的配制

依据正交试验反复比选，确定河砂、机油与粉煤灰热融混合料作为围岩的相似材料。材料配比为：30%河砂，10%机油，60%粉煤灰，其中河砂为细砂；粉煤灰为二级F类粉煤灰。粉煤灰的作用是调节模型土的密度以使模型相似比满足要求。

配制中应准确控制材料密度的变化情况，以称重后的松散材料均匀填入，然后反复压实至预定位置。

试验材料的物理力学性质指标如表2所示。

表2 隧道围岩原型与模型相似材料性质对比表Tab.2 Comparison of properties of prototype of tunnel surrounding rock and similar material of model

1.2.2隧道衬砌相似材料

(1)隧道衬砌相似材料设计

隧道衬砌结构设计立方体抗压强度为25 MPa，结构厚度0.5 m，隧道模型相似材料采用石膏，衬砌厚度取17 mm。为了增加材料容重，在隧道衬砌中混合了少量重密度材料。

经过多批次的正交试验，获得了合格的模型相似材料：石膏、石英砂、重晶石、水，材料质量比例为10∶10∶18∶13。

石膏混合材料采用预制方法，力学参数取成型后1周终凝值。模型与原型的力学性质参数对比如表3所示。

表3 隧道衬砌原型与模型相似材料性质试验对比表Tab.3 Comparison of properties of prototype of tunnel lining and similar material of model

(2)模型成型方式

模型制作步骤为：成型-风干-拆除模板。如图1所示为制作完成的隧道衬砌模型。

图1 衬砌模型Fig.1 Lining model

1.3 模型试验振动台设计

试验振动台由德国某公司生产，平面尺寸2.5 m，载重100 t，可以施加的最大加速度为1g，最大位移为±50 cm，工作频率为0.1～30 Hz。从材料和经济方面考虑，台架采用格栅结构，由钢板焊接并在关键部位进行加强，如图2 所示。

图2 振动台Fig.2 Shaker

1.4 模型箱的设计

为了消除模型边界形成的反射波，模型箱设计应尽量降低边界效应[13]。依据文献[10-15]中振动台试验成果，为降低边界效应对试验的影响，对模型箱设计要求如下：结构稳定牢固；边界条件明确简单并接近原型场地土的地震响应的性状；模型箱侧壁采用钢板固定边界，内侧铺设厚100 mm的聚苯乙烯板，以降低隧道反射应力波的不利影响；底部铺设一层卵石，以增强围岩与底部的摩擦力，避免模型底部发生滑移。综合试验设备与其他条件，确定模型试验箱几何尺寸为：高度200 cm，水平横截面长与宽均为250 cm。试验装置如图3所示。

图3 模型试验箱与加载装置Fig.3 Model test chamber and loading device

1.5 模型试验监测

模型试验目的在于观测隧道震害情况，分析结构破坏机理与震害原因，并综合评价试验结构抗震性能与减震措施。试验量测内容主要为加速度、应变和结构破坏观测。试验模型与监测断面布置如图4、图5所示。

图4 错距隧道洞口模型Fig.4 Staggered tunnel portal model

图5 模型监测点布置Fig.5 Layout of model monitoring points

在隧道模型衬砌内外侧对称粘贴应变片，监测应变应力值，应变片采用5 mm×2 mm泊式胶基电阻应变片，以半桥式进行观测。同时在隧道模型距洞口20 cm处及振动台上安设结构加速度计，通过结构加速度曲线的变化，反演模型围岩的地震响应。

2 浅埋双洞错距隧道洞口段模型试验

依据1∶30的相似比关系，设计隧道洞口段模型双洞中心距离为80 cm，错距80 cm，如图6所示。地震波选用四川地震局按照场地条件合成的超越概率10%的人工波，模型输入地震波按照时间与加速度等参数的相似关系进行相应的调整[17-18]，在模型横向分6次加载施加，加速度峰值逐级提高，如表4所示。

表4 地震波加载参数Tab.4 Loading parameters of seismic waves

图6 浅埋双洞错距隧道洞口段试验模型Fig.6 Test model of portal section of shallow buried double staggered mountain tunnels

2.1 模型加速度测试结果

测得6次地震作用下模型仰拱和模型箱外侧加速度峰值情况如表5所示。由表可知，隧道结构仰拱加速度高于模型箱外侧。

表5 结构加速度峰值记录Tab.5 Record of structural peak acceleration

为了更好地表征模型加速度变化情况，在此引入一个新参数——加速度放大系数，其值为隧道仰拱与隧道模型箱外侧加速度峰值之比。图7给出了该系数与输入地震波强度的关系曲线。由图可见，其值随输入地震动幅值的减小而增加。

图7 隧道地震响应加速度放大倍数曲线Fig.7 Acceleration amplification curve of tunnel seismic response

图8～图9为0.4g地震动输入情况下的隧道仰拱和模型箱外侧的加速度时程和傅里叶谱。可以看出，仰拱处的最大加速度值(0.4g)比模型箱外侧的最大加速度(0.34g)有较大的提高；仰拱处15 Hz 以下频率的地震波能量高于模型箱外侧处，而15 Hz以上频率的地震波能量则小于模型箱外侧处。这表明隧道围岩土对输入地震波有一定的扩大效应；15 Hz以下频段的地震波在围岩土中有一定的增强，而15 Hz以上频段的地震波在围岩土中产生了较为明显的衰减。

图8 隧道结构仰拱加速度曲线及傅里叶谱Fig.8 Acceleration curve and Fourier spectrum of tunnel invert

图9 隧道模型箱外侧加速度曲线及傅里叶谱Fig.9 Acceleration curve and Fourier spectrum of outside of tunnel model box

2.2 隧道应变监测

隧道模型右线错距段监测断面1处各监测点的地震响应如图10所示，图中应变幅值的单位为1×10-6。由图可知：左墙角外侧处的应变幅值最大，峰值达到98，而右墙角外侧处应变峰值为37，表明错距段隧道临空面一侧的地震响应远高于另一侧；仰拱处的应变幅值为93高于拱顶处应变峰值71，两者数值差距不是太大而方向相反，说明拱顶与仰拱在地震响应中存在错动现象，这容易导致结构的剪切破坏；监测点应变在地震过程中有一定的偏差，在地震停止后也未能恢复，说明隧道结构在地震荷载下产生了永久变形导致的附加应变变形。

图10 隧道结构应变时程Fig.10 Strain time history of tunnel invert

综合模型右线错距段监测断面1、2和3处各监测点的隧道地震响应情况，可以得出隧道结构地震响应与隧道里程关系曲线如图11～图12所示(以隧道拱顶为例)。为了消除隧道静应变对隧道总应变的影响从而能更直接地反映隧道结构在地震作用下的响应应变值，在此定义相对动应变为隧道总应变幅值与隧道静应变的差值与隧道静应变的比值。由图可知：总应变随隧道里程的增加而增加，隧道拱顶相对动应变随隧道里程的增加而逐渐减小。这表明随着隧道埋深的增加，地震作用对隧道结构的影响越来越小，因此埋深增加有利于隧道的地震安全性。

图11 总应变与隧道里程关系曲线Fig.11 Curve of total strain vs. mileage of tunnel

图12 相对动应变与隧道里程关系曲线Fig.12 Curve of relative dynamic strain vs. mileage

2.3 模型围岩及隧道衬砌损伤情况

地震波加载逐渐增强的过程中，隧道仰坡沿拱顶两侧45°角逐渐开始产生裂纹并逐渐向四周发展；同时模型衬砌也出现裂纹并在隧道洞口错距段右洞首先发展为裂缝，如图13、图14所示，图中的模型围岩裂缝以白纸线示意。由图可见，在地震激励作用下，隧道围岩和仰坡及浅埋错距段地表均产生了明显的大范围开裂现象，其中错距段隧道临空面一侧受地震作用更强；模型衬砌裂缝主要发生在距离洞口1.5 m处范围内，超过1.5 m后，隧道结构未见明显裂缝，按照模型试验相似比换算，相当于隧道洞口段45 m内震害会比较严重，因此可以按照45 m 作为洞口设防长度。

图14 模型围岩损伤情况Fig.14 Damage of surrounding rock model

综上分析，浅埋错距双洞隧道洞口段的抗震模型试验结果表明：

(1)隧道模型围岩对输入地震波有较明显的扩大效应，其频率谱也发生了改变，15 Hz以下频段的地震波得到了强化而其余频段发生衰减；

(2)隧道结构在地震荷载下产生了永久变形导致的附加应变变形，其值随隧道里程增加而逐渐减小。这表明岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应；

(3)模型墙角位置的内力最大，隧道仰坡的拱肩45°角位置在地震作用下首先产生裂纹并逐步扩展，为隧道洞口段抗震的薄弱环节；

(4)模型裂缝主要发生在距离洞口1.5 m处范围内，按照模型试验相似比换算，可以按照45 m作为洞口设防长度；

(5)洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重，在试验中的表现就是右洞洞口段(错距部分)的裂缝发展情况比左洞严重；

(6)左洞隧道的右侧与右洞隧道的左侧应变高于其他两侧，说明试验模型中的隧道之间在地震作用下存在一定的地震动力作用。

3 浅埋双洞错距隧道洞口段减震措施试验

上述试验表明，双洞错距隧道洞口段在强震作用下损伤较为严重。为了减小洞口段地震响应，拟在隧道模型中加设海绵橡胶材料作为减震层，厚度0.8 cm。地震动加载方式与强度同上。

3.1 隧道加速度地震响应情况

模型试验加速度地震响应统计情况如表6所示。与表5相比，加设减震层后，无论是隧道仰拱处还是模型箱外侧，大部分的加速度峰值均有一定程度的减小，但数值差别不明显，表明减震层可以降低结构的加速度地震响应，具有一定的减震作用，但对于加速度的减震效果不明显。

表6 结构加速度峰值记录(安设减震层) Tab.6 Record of peak acceleration of structure

3.2 应变测试结果

如图15、图16所示为隧道洞口错距段右线1号监测断面处右墙角与仰拱处的的地震响应情况，其他监测点的应变曲线与之类似，不再赘述。由图可知：模型结构应变与无减震措施的情况相比，监测点的的地震响应应变值有比较明显的下降，说明减震层的设置降低了隧道模型结构的地震响应。其中右墙角外侧处的应变峰值仅为21，比未安装减震层时的峰值37降低了43.24%；仰拱处的应变峰值为69，比未安装减震层时的峰值93降低了25.81%。

图15 隧道结构右墙角应变时程(安设减震层)Fig.15 Strain time history of right wall corner of tunnel(damping layer installed)

图16 隧道结构仰拱应变时程(安设减震层)Fig.16 Strain time history of tunnel invert (damping layer installed)

3.3 模型土及隧道衬砌损伤情况

地震波作用下，隧道衬砌局部出现开裂情况，尚未出现大面积断裂坍塌现象，随着逐步增大地震波强度，衬砌裂缝逐步发展。模型围岩土亦出现部分裂缝，首先从隧道仰坡45°角位置发生开裂，逐步发展至隧道地表与仰坡。显然，加设减震层后的隧道洞口衬砌与围岩在地震作用下的开裂破坏情况远小于未安装减震层的隧道情况(见图13～图14)。

安设减震层后的双洞错距山岭隧道模型试验结果表明：有减震层的隧道仰拱结构加速度放大系数有一定的下降，结构应变幅值有比较明显的下降，这表明减震层降低了模型结构的地震激励，具有一定的减震效果；有减震层的山岭隧道结构与模型围岩以及隧道仰坡在地震激励下，也产生了裂纹，部分发展为裂缝，但其破坏程度较小，隧道结构安全未受到影响，说明隧道减震层降低了地震激励对结构与围岩的破坏，达到了减震试验的预期。

4 结论

综上，通过浅埋双洞错距山岭隧道洞口段的地震模型试验以及减震措施试验分析，可以得出以下结论：

(1)由于岩土体的非线性本构特征以及地震波的复杂性，模型试验是当前研究山岭隧道地下结构抗减震的有效手段。

(2)洞口段模型裂缝主要发生在距离洞口1.5 m 处范围内，说明岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应，按照模型试验相似比换算，可以将45 m 作为山岭隧道洞口设防长度。

(3)无论是否设置减震层，结构模型墙角位置的内力总是最大，而且首先产生裂缝的皆为隧道仰坡的拱肩45角位置。这些是隧道洞口段抗震的薄弱环节，应给与必要的重视。

(4)洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重，设计中可以考虑在错距部位适当增加岩土体积，以增强该部位的岩土约束作用。

(5)地震波作用下浅埋双洞错距山岭隧道地下结构之间存在较强的动力相互作用。

(6)即便设置了减震层，隧道模型在地震波作用下也产生了结构裂纹与仰坡开裂等震害，但其开裂情况比较轻微，表明在地震波作用下，完全避免衬砌损伤比较困难，但可以通过大阻尼结构减震层的安设来降低隧道的地震灾害。