方 林，蔣樹(shù)屏，林 志，王芳其

（重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067）

1 引 言

“5.12”汶川大地震后，大量的震害調(diào)查顯示，隧道具有良好的抵御地震破壞的能力，但穿越斷層破碎帶隧道則極易遭受地震破壞。此外，隧道對(duì)于保證道路暢通有著舉足輕重的作用，如果沿線隧道出現(xiàn)坍塌而喪失功能，這對(duì)于爭(zhēng)分奪秒的災(zāi)后救援無(wú)疑是致命的。而目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的隧道振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)大都模擬的是連續(xù)均質(zhì)巖體，尚未針對(duì)隧道穿越斷層的情況進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究。鑒于此，筆者依托西藏某重大隧道工程，開(kāi)展了穿越斷層隧道模型試驗(yàn)研究，本文就具體的試驗(yàn)方案作了深入的討論，并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和斷層處隧道襯砌的破壞方式。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)依托的隧道工程位于青藏高原東南部的喜馬拉雅山脈與橫斷山脈的交接處，發(fā)育有眾多大斷裂。其中，有一條次生斷層從隧道進(jìn)口附近通過(guò)，另有其他6條斷層穿過(guò)該隧道，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

隧址區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)建議本項(xiàng)目工程場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅷ度。

試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象為隧道進(jìn)口段110 m的范圍，最大埋深為47.5 m。模擬的斷層寬度為10 m，傾角為45°，走向與隧道軸線垂直。試驗(yàn)的主要目的是：分析地震作用下穿越斷層隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及特征，觀察其破壞方式，為后續(xù)的隧道抗減震研究奠定基礎(chǔ)。

本次試驗(yàn)在重慶交通科研設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用大型高性能三軸向地震模擬試驗(yàn)臺(tái)陣系統(tǒng)，由一個(gè)固定臺(tái)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)組成，該系統(tǒng)國(guó)內(nèi)惟一，配套的數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)也非常先進(jìn)（見(jiàn)圖1）。

系統(tǒng)主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1。本次模型試驗(yàn)使用的是該臺(tái)陣系統(tǒng)中的固定臺(tái)。

圖1 三軸向地震模擬試驗(yàn)臺(tái)陣Fig.1 Triaxial shaking table system

表1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of shaking table system

3 模型相似比的確定

很多試驗(yàn)研究表明[1－4]，由于土性狀的復(fù)雜性，在進(jìn)行動(dòng)力模型試驗(yàn)時(shí)完全滿足相似定理是很難做到的，可以通過(guò)近似相似的方法，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募爸饕蛩貋?lái)確定相似關(guān)系。此外，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，采用人工質(zhì)量方法來(lái)模擬巖土體的重力效應(yīng)是相當(dāng)困難的，因此，本次試驗(yàn)采用重力失真模型。

綜合考慮振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、承載力及邊界效應(yīng)影響范圍等因素[5]，確定模型相似比如表2所示。

4 模型箱設(shè)計(jì)及邊界處理

本次試驗(yàn)用模型箱在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下因素[5]：

①結(jié)構(gòu)牢固，以免箱體在激振過(guò)程中失穩(wěn)破壞；②邊界條件明確；③模型箱自振頻率盡量偏離模型土頻率，以免發(fā)生共振現(xiàn)象；④模型箱尺寸應(yīng)與試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)尺寸相匹配。

表2 模型相似關(guān)系及相似比Table 2 Similarity relations and ratios of physical parameters

模型箱整體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，箱體主要骨架采用矩形專(zhuān)用型鋼和7號(hào)等邊角鋼焊接而成，四周側(cè)壁及底部用5 mm厚鋼板固定。在模型箱底部型鋼上預(yù)留一些螺栓孔，螺栓孔的位置與振動(dòng)臺(tái)上螺栓孔的位置吻合，當(dāng)模型箱吊裝到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上時(shí)，可通過(guò)若干螺栓固定。做成后的模型箱高為2.45 m，沿隧道縱向長(zhǎng)度為3.00 m，橫向?qū)挾葹?.70 m。

地下結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所研究的土體畢竟是有限的，將處于半無(wú)限域中的土體進(jìn)行有限化，這就涉及到人工邊界處理的問(wèn)題，很多學(xué)者也對(duì)此做過(guò)深入研究[7－8]。當(dāng)土體和模型箱箱壁光滑接觸時(shí)，接觸面對(duì)土體影響很??；當(dāng)模型箱箱壁變得很粗糙時(shí)，會(huì)對(duì)土體的振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在對(duì)模型箱邊界進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)該盡可能使其箱壁光滑，減小試驗(yàn)誤差。而在箱底則攤鋪一層碎石，以增大其摩阻力，防止激振時(shí)土體與模型箱底部發(fā)生相對(duì)滑移。

為了盡可能模擬地震時(shí)土體在半無(wú)限域中的變形和彈性恢復(fù)能力，在箱壁四周設(shè)置了一層聚苯乙烯泡沫板，在其他參數(shù)相同的條件下，泡沫板質(zhì)量越輕越好。先根據(jù)三維黏彈性人工邊界方程確定邊界物理參數(shù)——?jiǎng)偠群妥枘?，通過(guò)這些參數(shù)選擇合適范圍的聚苯乙烯泡沫板。對(duì)于聚苯乙烯泡沫材料，可使用 Soong[9]建立的等效剛度和等效阻尼模型，通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定其等效剛度kd和等效阻尼cd。

式中：G′為聚苯乙烯泡沫材料儲(chǔ)存剪切模量；G′為損耗剪切模量；h為聚苯乙烯泡沫板的厚度；V為體積；ω為模型箱及土體的自振頻率。

由此確定試驗(yàn)用聚苯乙烯泡沫板的厚度為22.5 cm。

5 圍巖相似材料及模型的制作

經(jīng)過(guò)大量的配比試驗(yàn)，最終選擇石膏、BaSO4、石英砂、氧化鋅、甘油和水作為圍巖相似材料，襯砌的相似材料為素石膏和水，鋼筋用直徑為0.4 mm的細(xì)鋼絲來(lái)模擬。

對(duì)于斷層的合理模擬是模型制作的重點(diǎn)。根據(jù)地勘報(bào)告中斷層的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)配比試驗(yàn)確定斷層的相似材料與一般圍巖相同，但配合比是不同的。斷層和圍巖的接觸面則使用石英砂、BaSO4和機(jī)油作為相似材料，以模擬地震時(shí)斷層上下盤(pán)的位移。

因?yàn)檫x擇了石膏作為圍巖及襯砌相似材料，而石膏受空氣濕度及溫度的影響非常明顯，特別是濕度，不同的天氣條件下，測(cè)出的石膏試件物理參數(shù)差異很大。為了避免這種情況，嚴(yán)格控制石膏試件的養(yǎng)護(hù)條件，盡量做到在相同環(huán)境條件下測(cè)試，對(duì)于養(yǎng)護(hù)好的試件，會(huì)涂刷一薄層清漆進(jìn)行保護(hù)。此外，不同批次和型號(hào)的相似材料，物理參數(shù)也會(huì)存在較大的誤差，因此，必須在試驗(yàn)中進(jìn)行有效控制。

考慮到木模遇水變形大，且不利于循環(huán)利用，襯砌采用鋼模澆筑。為此，特地制作了一套鋼模，內(nèi)側(cè)設(shè)置3個(gè)楔形體，外側(cè)設(shè)套箍，以方便拆卸。實(shí)物如圖2所示。

圖2 襯砌澆筑鋼模Fig.2 Steel formwork of lining model making

6 測(cè)試元件及測(cè)點(diǎn)布置

因?yàn)楸敬卧囼?yàn)?zāi)M的對(duì)象為穿越斷層隧道的洞口段部分，所以洞口及斷層段襯砌為觀察的重點(diǎn)。鑒于汶川地震中，很多隧道洞口邊坡破壞嚴(yán)重，試驗(yàn)將洞口仰坡同樣作為重點(diǎn)研究對(duì)象，仰坡角度取45°臨界值。

采集的數(shù)據(jù)包括激振過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)的加速度、應(yīng)變和位移值、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)間的接觸壓力值、洞口邊坡的加速度值以及隧道正上方地表的加速度和位移值[10]。選用的傳感器有：BY-3型微型電阻應(yīng)變式土壓力計(jì)、電阻應(yīng)變傳感器，CA-YD-152型壓電式加速度傳感器和位移傳感器。

將襯砌結(jié)構(gòu)劃分為9個(gè)典型觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面有針對(duì)性的布置傳感器，另在洞口仰坡和地表布置了加速度及位移傳感器（見(jiàn)圖3）。

圖3 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Arrangement of sensors at shaking table testing model

模型共布置15個(gè)加速度計(jì)、42片應(yīng)變片、11個(gè)土壓力盒、9個(gè)位移計(jì)，并在洞口布置了一臺(tái)MotionXtra HG-LE高速攝像機(jī)，用于捕捉洞口襯砌的破壞情況。此外，還在洞口仰坡、斷層段襯砌及洞口進(jìn)尺25 cm處安裝了3個(gè)高分辨率攝像頭，用以記錄振動(dòng)時(shí)的裂紋發(fā)展。

7 加載方案

試驗(yàn)輸入的地震波為西藏自治區(qū)地震局及中國(guó)地震局地球物理研究所針對(duì)該隧道工程場(chǎng)地?cái)M合的人工波，分別對(duì)應(yīng)于50年超越概率63%、10%、2%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[11－16]，試驗(yàn)采用多次加載的方式，加載方案考慮單向和組合向加載，如表3所示。

表3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載方案Table 3 Loading scheme of shaking table test

8 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及加載工況較多，限于篇幅，本文只列出對(duì)應(yīng)10%超越概率下具有代表性測(cè)點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)，地震波輸入方向?yàn)閄向，其他詳細(xì)結(jié)果另文分析。

圖4～6為相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入地震波的襯砌、洞口仰坡和地表加速度時(shí)程，其中，襯砌和洞口仰坡測(cè)點(diǎn)位于斷層的下盤(pán)，地表測(cè)點(diǎn)位于斷層的上盤(pán)。

圖4 襯砌與臺(tái)面加速度時(shí)程Fig.4 Acceleration time history of monitoring points at lining

圖5 洞口仰坡與臺(tái)面加速度時(shí)程Fig.5 Acceleration time history of monitoring points at front slope

圖6 地表與臺(tái)面加速度時(shí)程Fig.6 Acceleration time history of monitoring points at surface

此工況下，襯砌測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖 4）加速度峰值為0.26 g，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為8.75 s；洞口仰坡測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）加速度峰值為0.47 g，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為7.53 s；地表測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖6）加速度峰值為0.66 g，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為5.74 s。可見(jiàn)，洞口仰坡及坡頂?shù)乇韺?duì)地震輸入加速度有明顯的放大作用，對(duì)應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)則有減小的趨勢(shì)，這在一定程度說(shuō)明了地下結(jié)構(gòu)本身具有良好的抗震性能。

此外，對(duì)比襯砌、洞口仰坡和地表處的加速度記錄可發(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄的加速度波形和輸入地震波波形趨勢(shì)比較吻合，而地表測(cè)點(diǎn)記錄的加速度波形則存在一定的差異。可見(jiàn)，斷層對(duì)地震波在巖土體內(nèi)的傳播有一定影響。

如圖 7所示，襯砌測(cè)點(diǎn)記錄的位移峰值為6.41 mm，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為6.48 s，地表測(cè)點(diǎn)記錄的位移峰值為7.33 mm，對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)刻為4.97 s。受?chē)鷰r的約束作用，在地震作用下隧道和圍巖的變形具有基本相同的趨勢(shì)。但可能因?yàn)閿鄬拥拇嬖?，周?chē)鷰r體的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的錯(cuò)斷。

如圖8所示，襯砌仰拱測(cè)點(diǎn)記錄的土壓力峰值為7.6 kPa，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為14.11 s。

圖7 襯砌與地表位移時(shí)程Fig.7 Displacement time histories of monitoring points at lining and surface

圖8 襯砌動(dòng)土壓力時(shí)程Fig.8 Soil-pressure time history of monitoring points at lining

圖9是模擬的斷層段襯砌破壞情況，從圖中可以看出，襯砌右拱腰位置破壞較為嚴(yán)重，左拱腰和仰拱底板位置也出現(xiàn)了縱向裂紋，且貫通該段襯砌，其主要原因是斷層上下盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)，致使相鄰段襯砌相互擠壓所致。圖10為洞口仰坡破壞情況，出現(xiàn)的裂紋基本沿坡面水平向和豎直向延伸，且大多集中在洞室上方，這與一些實(shí)際震害現(xiàn)象是吻合的。

圖9 斷層處襯砌破壞Fig.9 Damaged lining in faults

圖10 洞口仰坡處裂紋Fig.10 Cracks on front slope

9 結(jié) 語(yǔ)

本文以西藏某重大隧道工程為依托，開(kāi)展了穿越斷層隧道振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)注重細(xì)節(jié)處理，在試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，如相似材料的配置、模型箱的設(shè)計(jì)、模型邊界的處理及測(cè)試儀器的布置等方面，做到了有理可循、有據(jù)可依。對(duì)襯砌、洞口仰坡和地表測(cè)點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)以及震害現(xiàn)象分析后發(fā)現(xiàn)：

（1）穿越斷層隧道與均質(zhì)圍巖隧道地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律有相似的地方，隨著地震波的向上傳播，巖土體地震響應(yīng)增大；

（2）因?yàn)榈卣饡r(shí)斷層上下盤(pán)相互位移，導(dǎo)致斷層處襯砌破壞嚴(yán)重，拱部和底板出現(xiàn)縱向貫通裂縫，給隧道結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患，很可能出現(xiàn)塌方致使交通中斷；

（3）斷層對(duì)地震波在巖土體內(nèi)的傳播規(guī)律有一定影響，主要是因?yàn)閿鄬悠扑閹Ф螏r性與周?chē)鷰r體存在差異，但地震波傳播方向與斷層走向及傾角的關(guān)系可能也是影響的重要因素之一，應(yīng)進(jìn)一步研究。

（4）隧道洞口仰坡出現(xiàn)較多裂紋，且集中在洞室上方，因此，對(duì)于高烈度地震區(qū)隧道應(yīng)做好邊仰坡的抗震措施。

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