閆高明， 申玉生， 高 波， 隋傳毅， 鄭 清， 周鵬發(fā)

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室 土木工程學(xué)院, 成都 610031；2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

隧道通常被認為具有較好的抗震性能，但是國內(nèi)外歷次地震表明隧道也會遭到嚴重的破壞[1-2]。例如1999年臺灣集集地震中，臺灣中部距發(fā)震斷層25 km范圍內(nèi)就有44座隧道受損，嚴重受損者達25%，中等受損者達25%[3]。2008年汶川地震中，多達30座隧道受到損害[4]。這些地震中穿越斷層的隧道往往破壞最為嚴重。例如，2008年汶川地震，龍溪隧道，龍洞子、紫坪鋪隧道等幾個破壞最為嚴重的隧道都穿越了斷層。因此，穿越活動斷層的分析和及其抗減震措施的研究是高烈度地震區(qū)隧道工程建設(shè)的一個難以回避的重要問題。目前，國內(nèi)外針對穿越斷層的隧道的抗減震措施已經(jīng)做了大量研究，提出隧道的減震措施主要有擴挖，設(shè)置減震層，設(shè)置減震縫[5-10]。單獨采用橫斷面擴挖的方式必將導(dǎo)致隧道開挖面過大(圖1)且不利于襯砌結(jié)構(gòu)安全性的問題。而設(shè)置減震層對于隧道受斷層的錯動的影響較小，如圖2所示。設(shè)置減震縫的措施雖保證了隧道的破壞由整體變?yōu)榫植?，但是因為是?jié)段處的完全斷開，容易造成某位置發(fā)生剪切變形大甚至錯臺，故不利于震后交通盡快的搶修運營。

圖1 隧道擴挖受斷層錯動影響示意圖

圖2 隧道設(shè)置減震層受斷層錯動影響示意圖

近年來，有學(xué)者提出了柔性接頭的設(shè)計[11-12]。在隧道穿越斷層處，設(shè)置接頭后，襯砌節(jié)段能夠通過自適應(yīng)變形適應(yīng)地震造成的強制位移，襯砌發(fā)生階梯式位移，減小了應(yīng)力集中(圖3)，同時保證隧道發(fā)生局部破壞。雖然柔性接頭的理念已有人提出，但是具體的接頭形式以及設(shè)置接頭隧道的地震響應(yīng)特征和破壞形態(tài)的模型試驗還鮮有人研究。振動臺模型試驗則能夠較好地控制試驗條件，模型尺寸比例相比離心機試驗也更大，是目前一種有效的研究手段。

圖3 隧道設(shè)置柔性接頭受斷層錯動影響示意圖

本文提出一種新型的鋼筋和橡膠相結(jié)合的接頭形式，通過振動臺試驗研究設(shè)置此新型接頭的山嶺隧道的地震響應(yīng)特征和破壞形態(tài)，為隧道結(jié)構(gòu)特別是高烈度地震區(qū)穿越活動斷層隧道的抗減震設(shè)計提供必要的理論參考和技術(shù)支持。

1 接頭設(shè)計

傳統(tǒng)隧道的防震害措施主要是基于對地震動的“抗”和“減”，都是屬于被動的設(shè)計思路，本文基于“引”，“讓”的這種主動防御震害的設(shè)計思路[13-14]，提出一個鋼筋和橡膠層相結(jié)合的接頭方式。本文所提出接頭主要由鋼筋和橡膠層組成，如圖4所示。接頭位置處設(shè)置鋼筋搭接，同時用柔性橡膠填充，使接頭具有橡膠的柔性和鋼筋的延性，命名此接頭為鋼筋橡膠接頭。設(shè)計該接頭的剛度小于襯砌節(jié)段的剛度，地震作用時，由于接頭的柔性和延性，斷層區(qū)域襯砌節(jié)段之間可以先通過自身的自適應(yīng)移動釋放部分地震動能量，減小對襯砌本身的影響。大震時，由于該接頭的剛度相對較低，具有一定的延性，可以將地震動的能量“引”到節(jié)段間消散一部分能量，接頭破壞使隧道的破壞局部化，更有利于震后的快速搶修。

2 振動臺模型試驗

2.1 背景工程概況

本系列試驗以在汶川地震中受損嚴重的龍溪隧道為背景工程。龍溪隧道位于岷江左岸都江堰龍溪鎮(zhèn)—汶川映秀鎮(zhèn)間的茶坪山以南地段，地形起伏較大，受岷江切割，隧道軸線走向北西，越嶺山脊走向北東，與軸線大角度相交。總體上隧道區(qū)內(nèi)嶺脊兩側(cè)溝谷發(fā)育，山體地形破碎，顯示為溝谷相間的地貌形態(tài)。隧道洞身段穿越F8斷裂，地層走向總體表現(xiàn)為北東東，傾向北西，傾角50°～80°。F8 黏滑斷層破碎帶為V級圍巖，斷層上下盤圍巖均為IV級圍巖。試驗中模擬斷層寬度為3 m，隧道寬9.20 m，高8.04 m。

2.2 振動臺設(shè)備介紹

本次試驗所用振動臺為西南交通大學(xué)陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室振動臺，地震模擬振動臺面尺寸為8 m×10 m，負載能力160 t，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 振動臺參數(shù)

本次模型試驗隧道模型在剛性模型箱(2.5 m×2.5 m×2 m)中進行，模型試驗箱由鋼板和角鋼焊接而成，用高強螺栓固定在振動臺上，在模型箱內(nèi)部的四周放置EPS土工泡沫材料，以用來吸收邊界反射的震動能量，減小隧道模型邊界效應(yīng)的影響。在模型箱底部鋪設(shè)一層砂漿混凝土墊層，增大模型箱底部與模型土的摩擦，防止試驗中模型箱與圍巖模型發(fā)生相對位移。

2.3 模型相似材料參數(shù)及制備

模型試驗的相似材料是試驗的關(guān)鍵，只有準確模擬出實際隧道周圍的地質(zhì)條件參數(shù)，有效的數(shù)據(jù)才可以被獲得。根據(jù)背景工程的設(shè)計圖紙以及試驗的條件，本次試驗選取的基本量綱是幾何尺寸、密度和彈性模量，其相似比分別為1∶30，1∶1.5，和1∶45，其他物理量相似參數(shù)根據(jù)Bukingham π定理計算得到，具體值如表2所示。

表2 振動臺試驗相似關(guān)系

試驗中，重力加速度的相似比應(yīng)該為1，因為試驗的重力條件與實際隧道的條件一致；應(yīng)變相似比應(yīng)該為1，因在實際工程中，試驗與原型的應(yīng)變特性和動力響應(yīng)應(yīng)該是一致的。

在選擇圍巖和襯砌相似材料時，一般應(yīng)符合下列基本要求：① 均勻性、各向同性和連續(xù)性；② 模型與原型材料泊松比相同或相近,其它力學(xué)性質(zhì)相似；③ 改變材料的配比可使材料力學(xué)性質(zhì)在一個較大范圍內(nèi)變化；④ 材料相互間不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。圍巖相似材料一般由骨料、膠結(jié)材料和輔助材料三類材料組成。本試驗選擇圍巖相似材料的原材料選擇河沙作為骨料，主要是由于其自身的均勻性可以模擬實際圍巖中的離散型；選擇機油作為膠結(jié)材料主要是由于機油的膠結(jié)能力較弱可以較好的模擬軟弱圍巖；選擇粉煤灰作為輔助材料主要是為了滿足所需材料密度較低的特性，因為粉煤灰是比表面積大的多孔結(jié)構(gòu)，而且具有強大的吸附能力，可以減少機油揮發(fā)。

依據(jù)正交試驗設(shè)計，最終確定模型試驗IV級上下盤圍巖的配比是粉煤灰∶河沙∶機油50∶40∶10，斷層破碎帶的配比是粉煤灰∶河沙∶機油57∶31∶12，圍巖基本力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖和襯砌的原型和模型參數(shù)

將按本次試驗物理力學(xué)參數(shù)要求制備好的圍巖相似材料以松散狀均勻填入模型箱內(nèi)，反復(fù)壓夯至預(yù)定標線，然后環(huán)刀取樣復(fù)核容重值，合格后再填第二層，每個結(jié)構(gòu)體分多層填入，每層壓實完畢，用鐵鉤在表面劃毛后再填下一層，以使結(jié)構(gòu)體無成層現(xiàn)象。填料完畢，再靜放24 h，使其經(jīng)過土體的自平衡階段。

石膏與混凝土相近，均屬脆性材料，且性能穩(wěn)定，成型方便，易于加工，其強度和彈性模量較小，可以模擬混凝土結(jié)構(gòu)的破壞行為。劉學(xué)增等[15-17]采用石膏和水按照一定比例配制襯砌結(jié)構(gòu)的相似材料。結(jié)合隧道試驗中相似材料的基本物理力學(xué)參數(shù)指標的要求，采用正交試驗法進行配比試驗設(shè)計，經(jīng)多次試驗配比的調(diào)整，最終確認相似材料水∶石膏∶硅藻土∶石英砂∶重晶石的配合比為1∶0.6∶0.2∶0.1∶0.4，其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表3?？紤]到石膏容易吸水受潮，刷清漆能保證試塊不吸水軟化，故本次襯砌制備過程中都對襯砌模型表面刷了一層薄清漆。

2.4 接頭設(shè)計

依據(jù)上文中提出接頭形式，試驗中接頭形式主要是先將襯砌節(jié)段預(yù)留的鋼筋網(wǎng)搭接，在節(jié)段間剩余空間采用橡膠填充(如圖5所示)。具體過程先在接頭斷面上搭接鋼筋網(wǎng)，然后在剩余空隙處鋪設(shè)橡膠減震層。結(jié)合工程實際，又由于試驗條件、制作難度等各因素的限制，該接頭長度取為2 cm。此接頭是鋼筋延性材料和橡膠柔性材料相結(jié)合的接頭。接頭的材料參數(shù)如表4所示。

圖5 接頭形式

表4 接頭材料物理力學(xué)參數(shù)

2.5 監(jiān)測方案制定

依據(jù)試驗?zāi)康尼槍π缘夭贾脗鞲衅骷瓤梢垣@得有效的試驗數(shù)據(jù)，又可以減小傳感器對試驗結(jié)果地影響。本試驗布置5個監(jiān)測斷面，分別命名I、II、III、IV、V監(jiān)測斷面。II、III、IV斷面位于斷層區(qū)域內(nèi)，為主要監(jiān)測斷面，I、V斷面為次要監(jiān)測斷面。具體試驗監(jiān)測方案如圖6所示，襯砌自左至右依次命名A、B、C、D、E、F、G和H段，其中A、H段襯砌長度為80 cm，B和G段襯砌長為20 cm,其余襯砌節(jié)段均為10 cm。I、V斷面分別距兩端邊界為60 cm，II、III、IV監(jiān)測斷面位于襯砌節(jié)段的中間位置。由于地震波的激振方向為水平垂直于隧道軸向，考慮到應(yīng)變片通道數(shù)的限制和對稱性，故次要監(jiān)測斷面I、V僅布設(shè)了半環(huán)應(yīng)變片，襯砌內(nèi)外側(cè)對應(yīng)布設(shè)，布設(shè)位置為拱頂(S1)、拱腳(S4)和仰拱(S5)；主要監(jiān)測斷面II、III、IV全環(huán)布置，布設(shè)位置為拱頂(S1)、拱肩(S2)、拱腳(S4)和仰拱(S5)，每個監(jiān)測點內(nèi)外兩側(cè)均粘貼應(yīng)變片。其中III號監(jiān)測斷面完全位于斷層內(nèi)，II、IV號監(jiān)測斷面位于斷層邊緣。I～V號監(jiān)測斷面聯(lián)合可用于考察斷層影響范圍，II號與IV號斷面可以考察上下盤內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)不同的應(yīng)力情況。試驗中所用應(yīng)變片采用1/4橋連接，其應(yīng)變片型號為BX120-3AA，電阻值為120.2 Ω ±0.1%, 靈敏系數(shù)是2.05 ± 0.28%, 柵尺寸是3 mm ×2 mm。

圖6 模型監(jiān)測方案

試驗共設(shè)置7個加速度計。其中有6個壓電式加速度傳感器(TST120A500)，其參考敏度為0.516 V/g，測量范圍是10g，頻率范圍是0.2～3 000 Hz。 I至V監(jiān)測斷面仰拱內(nèi)側(cè)各布置一個，土體頂面布置一個，A3號加速度計位于斷層內(nèi)，A1至A5可以考察斷層影響范圍， A2與A6可以考察垂直距離上斷層邊緣加速度放大效應(yīng)，A2與A4聯(lián)合考察上下盤距離斷層等距離位置的加速度響應(yīng)情況。另一個磁電式加速度傳感器(TST125H)，其靈敏度為0.345 V/(m/s2)，測量范圍是20 m/s2，頻率范圍是0.25～100 Hz。該加速度計布置在臺面處，用來記錄輸入地震波。

2.6 加載方案

在地震中，部分穿越非發(fā)震斷層的隧道既受到斷層錯動的影響，又受到地震動的影響。針對非發(fā)震斷層對隧道影響的模擬，目前主要有兩種研究方法：擬靜力斷層錯動和地震波激勵方式[18-20]。但是兩者加載方式都沒有很好的再現(xiàn)斷層錯動和地震波激勵兩者共同作用對隧道的影響。在地震中，斷層錯動的時機和機制尚不清晰，同時考慮到振動臺試驗的條件，本次試驗將非發(fā)震斷層對隧道的影響簡化為兩步加載。

第一步，加載斷層錯動。2008年汶川地震后龍溪隧道錯動達1 m，根據(jù)相似關(guān)系，本試驗錯動位移取3 cm。將模型箱上盤底部的四個千斤頂同時釋放3 cm模擬正斷層錯動。

第二步，加載地震波。本試驗采用汶川地震中斷層附近茂縣地辦臺站監(jiān)測的EW向分量的地震波，與隧道軸線垂直的水平方向進行激震，選擇原地震波20～165 s期間的地震波，加速度持時按照時間相似比1:5.5進行壓縮，如圖7所示。圖8為輸入地震波三維時頻分析圖。其中，地震波能量大部分在時間域上主要集中在前15 s內(nèi)，在頻率域上主要集中在20 Hz內(nèi)。

圖7 輸入地震波加速度時程曲線

圖8 輸入地震波三維時頻分析圖

第二步地震動加載之前，先加載0.05g白噪聲，主要是用于獲得振動臺系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，使振動臺能夠準確再現(xiàn)輸入地震波。然后加載試驗地震波。

2.7 模型自振頻率分析

模型箱是試驗的載體，是模型試驗的順利進行關(guān)鍵所在，因此要求模型箱有足夠的強度和剛度，在試驗過程中保存穩(wěn)定，不宜變形過大。同時試驗中要求模型箱的自振頻率不能與模型土自振頻率相近，以免發(fā)生共振。

由于模型箱的上下盤相互獨立，對上下盤獨立建模。通過研究，錯動式剛性模型箱上盤、下盤的一階頻率分別為16.239 Hz和18.264 Hz[21]。

模型土自振頻率通過有限元軟件模態(tài)分析得到。模型土尺寸依據(jù)模型試驗確定為長2.5 m，寬2.5 m，高 2.0 m。模型土用實體單元模擬，材料采用摩爾庫倫本構(gòu)，具體參數(shù)與試驗相同。根據(jù)模型試驗的實際情況，數(shù)值模型邊界設(shè)置為：底部采用采用全約束，與隧道軸向垂直方向兩側(cè)水平垂向約束；由于地震波加載方向為水平剪切向，所以與隧道軸向平行方向兩側(cè)自由不約束。通過模態(tài)分析得到模型土的一階頻率為14.129 Hz。

建立包含隧道結(jié)構(gòu)的模型土-結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模型土尺寸、材料設(shè)置與上文相同，襯砌結(jié)構(gòu)尺寸與試驗相同，采用實體單元模擬，采用彈性本構(gòu)，具體參數(shù)與試驗相同，襯砌與圍巖間以“Tie”接觸模擬，即假設(shè)模態(tài)分析中兩者間不產(chǎn)生相對滑動。邊界條件設(shè)置與上文相同。計算此模型的一階頻率為13.971 Hz。

計算結(jié)果表明土體自振頻率與模型箱的自振頻率較為接近，由此模擬結(jié)果可判斷模型箱在進行振動臺實驗時可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，因此需要改變模型箱的自振頻率。

試驗開始之前在剛性模型箱底部焊接了一塊鋼板，在箱體四周進行橫梁加固。這樣提高了此模型箱的自振頻率滿足不發(fā)生共振的要求，同時加固了模型箱，使其在試驗過程中更加穩(wěn)固。

通過圖9和圖10可知，兩模型的一階頻率基本相同，這說明隧道的存在對模型土的一階頻率影響不大，隧道結(jié)構(gòu)對地層具有明顯的追隨性和依賴性。

圖9 模型土模態(tài)分析

圖10 模型土-結(jié)構(gòu)模型模態(tài)分析

3 試驗結(jié)果

3.1 加速度響應(yīng)分析

限于篇幅，這里選取0.3g加速度峰值地震波作用下隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析。圖11為0.3g時襯砌結(jié)構(gòu)I、III和V監(jiān)測斷面的加速度時程曲線和頻譜曲線。從圖中可知，不同位置的加速度時程曲線與輸入地震波時程曲線特征相似，主要的不同點是它們的加速度響應(yīng)峰值不同。以上表明接頭的設(shè)置不改變襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)特征，但是改變了加速度影響的峰值。除了H節(jié)段A5處加速度響應(yīng)峰值大于輸入地震動峰值，其他兩個監(jiān)測斷面均小于輸入地震動峰值。隋傳毅等[22]通過振動臺監(jiān)測到的斷層處的加速度響應(yīng)峰值大于輸入地震動峰值。這是由于H節(jié)段A5位于距斷層遠端的下盤，模型土與襯砌節(jié)段相對緊密接觸，襯砌節(jié)段隨著模型土一起振動，故其加速度峰值稍大于輸入加速度值；而上盤和斷層區(qū)域受到斷層錯動影響，對隧道的約束減弱，接頭的變形調(diào)整能力使該位置處襯砌的加速度峰值減小。從頻譜圖可以看到，相對A節(jié)段A1和D節(jié)段A3處的頻譜圖，H節(jié)段A5位置頻譜圖的高頻成分最顯著，說明隨著斷層錯動和地震波的影響，斷層處和上盤部分的模型土軟化要嚴重一些。由圖11(f)可知，H節(jié)段A5位置的一階頻率為10.68 Hz，這與數(shù)值計算有較好的吻合性。與上節(jié)數(shù)值計算的模型土-結(jié)構(gòu)的頻率相差約23.5%，這可能是由于錯動和地震動加載對下盤模型土的軟化影響造成的。以上分析也說明隧道結(jié)構(gòu)對地層有追隨性和依賴性。

(a) A1加速度時程圖

3.2 震后破壞形態(tài)

震動加載結(jié)束后，模型土開挖到襯砌位置時，對襯砌進行必要的外觀拍攝和測量，然后取出襯砌節(jié)段，在模型表面以標注手繪裂紋的方式記錄隧道的破壞形態(tài)，如圖12和圖13所示。因模型兩端襯砌A、H節(jié)段破環(huán)較小，故在圖中沒有展示。從圖中可以看到，位于上盤和斷層的襯砌節(jié)段，拱腳和仰拱破壞較為嚴重，而位于斷層區(qū)域的D、E節(jié)段破壞最為嚴重，均出現(xiàn)仰拱隆起，而龍溪隧道穿越斷層處也出現(xiàn)這種震害類型。從圖中可以看到，襯砌節(jié)段很少有橫向裂縫；而汶川地震龍溪隧道震害調(diào)查中，橫向裂縫使一種普遍的震害現(xiàn)象[23-24]，這是由于接頭的設(shè)置使地震動對襯砌的橫向剪切破壞主要集中引向接頭處。與斷層相同距離的F段相比，位于上盤的C節(jié)段破壞明顯較為嚴重。B節(jié)段拱腳開裂，而距斷層相同位置的下盤的G節(jié)段幾乎沒有破壞產(chǎn)生。同時由圖13可知，位于節(jié)段B、C之間的接頭、節(jié)段C、D之間的接頭和段D、E之間的接頭破壞嚴重。上述現(xiàn)象一方面表明正斷層錯動對上盤影響較大，另一方面說明接頭的設(shè)置阻隔了節(jié)段間力的傳遞，使破壞局部化。

圖12 襯砌節(jié)段震后破壞形態(tài)

圖13 襯砌節(jié)段裂縫和接頭破壞情況

4 結(jié) 論

針對目前穿越斷層山嶺隧道抗減震措施研究不足的現(xiàn)狀，本文提出一種新型的鋼筋橡膠接頭，并在地震作用下進行了設(shè)置所提出接頭措施的隧道模型試驗，分析了此隧道模型加速度響應(yīng)、襯砌破壞形態(tài)，主要得出以下結(jié)論：

(1) 穿越斷層隧道在強地震中容易受到嚴重破壞，發(fā)生剪切破壞或是垮塌。本文采用了兩階段斷層錯動-震動聯(lián)合作用的加載方式模擬地震對穿越活動斷層隧道的影響。

(2) 數(shù)值模態(tài)分析與試驗結(jié)果的分析具有較好的吻合性，驗證了斷層錯動-震動聯(lián)合作用下分段接頭隧道對模型土有追隨性和依賴性。

(3) 斷層錯動-震動聯(lián)合作用下，接頭的設(shè)置不改變襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)特征，但是改變了襯砌的加速度響應(yīng)峰值。接頭由于自身的變形協(xié)調(diào)性有效地減小了穿越斷層位置襯砌的加速度響應(yīng)。

(4) 所提出接頭有效地減少了地震造成的剪切破壞，阻隔了節(jié)段間力的傳遞，使襯砌破壞局部化，襯砌破壞主要集中在斷層附近區(qū)域。

需要指出的是，由于試驗條件的限制，對于不同工況下定量化的接頭設(shè)計需做更深入研究，但是試驗結(jié)果證明提出的接頭可有效減小地震對襯砌的損害，故本文提出的接頭設(shè)計理念、接頭的設(shè)計以及相關(guān)的結(jié)論可為穿越活動斷層隧道的抗減震設(shè)計提供一定的理論參考和技術(shù)支持。