王帥帥，高 波，隋傳毅，聞毓民

（西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

1 引 言

山嶺隧道受到周圍巖體的約束，其動(dòng)力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)自振特性的影響，長久以來被認(rèn)為有良好的抗震性能，隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和震害的頻繁出現(xiàn)，山嶺隧道抗減震研究開始受到國內(nèi)學(xué)者高度重視。

汶川地震后，王崢崢等[1]在現(xiàn)場初步統(tǒng)計(jì)了公路隧道的震害情況，匯總有關(guān)公路隧道震害調(diào)查資料后，系統(tǒng)地描述了隧道的震害形態(tài)，分析了震害產(chǎn)生原因，認(rèn)為隧道洞口是隧道惟一出露在地表外的部分，地震引起的滑坡和落石對隧道洞口結(jié)構(gòu)造成了不同程度的破壞。崔光耀等[2]總結(jié)了汶川地震公路隧道洞口段震害類型，認(rèn)為洞門、仰坡及明洞震害主要是由地震慣性力作用造成的，軟巖隧道洞口段襯砌震害主要是地震慣性力和強(qiáng)制位移造成的。因此，對洞口段仰坡的動(dòng)力穩(wěn)定性作進(jìn)一步研究具有重要的實(shí)際工程意義。

2 研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是非線性有限元分析手段的提高，數(shù)值模擬逐漸成為山嶺隧道洞口抗減震研究的重要研究方式，可以模擬復(fù)雜的三維地下結(jié)構(gòu)形式、復(fù)雜的圍巖介質(zhì)地質(zhì)條件、復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)和巖土動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系以及不同的地震動(dòng)輸入形式、不同的邊界條件影響等等。高峰等[3]、李育樞等[4]通過數(shù)值模擬，分析了圍巖條件、襯砌類型對洞口段地震響應(yīng)的影響，并得到了洞口設(shè)防長度為25～30 m，采用減震層和加固洞口圍巖可以有效地減小襯砌的應(yīng)力和位移等有益結(jié)論。

采用振動(dòng)臺試驗(yàn)法模擬地震振動(dòng)，能夠較好地把握地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性以及地下結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用特性等問題，很好地再現(xiàn)地震過程。進(jìn)行人工地震波的試驗(yàn)是試驗(yàn)室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)制的最直接方法，周德培[5]對南昆線樂善村2號和草庵2 座隧道進(jìn)行了振動(dòng)臺試驗(yàn)，確定在8、9 度地震時(shí)，設(shè)防長度樂善村隧道為25 m，草庵隧道為21.6 m，強(qiáng)震時(shí)洞口仰坡會坍塌，坍塌程度與原始坡度、巖體狀況等因素有關(guān)。申玉生等[6-7]對山嶺隧道洞口段結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大型振動(dòng)臺模型試驗(yàn)研究，建議設(shè)置隧道減震層改善隧道結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，在隧道洞口段設(shè)置一定數(shù)量的減震縫，吸收地震能量，減小對結(jié)構(gòu)的破壞，洞口段表面圍巖應(yīng)采取一定的加固措施，該結(jié)論已應(yīng)用于雅安-瀘沽高速公路高烈度地震區(qū)山嶺隧道工程，在雅安蘆山地震中隧道工作狀況正常。李育樞等[8]以黃草坪2#隧道進(jìn)洞口段為原型，開展了減震措施的大型振動(dòng)臺物理模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明隧道進(jìn)口48～60 m 范圍是隧道減震設(shè)防的重點(diǎn)區(qū)域，設(shè)置橫向減震層和系統(tǒng)錨桿加固圍巖均能有效地減少襯砌的動(dòng)土壓力和加速度反應(yīng)，而且加固圍巖的效果相對弱于設(shè)置橫向減震層。蔣樹屏等[9]在嘎隆拉隧道洞口段進(jìn)行了地震響應(yīng)大型振動(dòng)臺試驗(yàn)研究，認(rèn)為隧道抗震重點(diǎn)是圍巖的失效防治，減震層和抗震縫的減震率在45%左右。李林等[10]對淺埋偏壓洞口段隧道進(jìn)行了地震響應(yīng)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明偏壓隧道地表臨空坡面導(dǎo)致加速度放大效應(yīng)明顯增加，隧道襯砌橫截面共軛45°方向?yàn)檩^大內(nèi)力值分布部位，無偏壓隧道結(jié)構(gòu)橫截面內(nèi)力呈反對稱分布。耿萍等[11]通過鐵路隧道振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果表明，洞口段抗震設(shè)防長度為3 倍隧道跨度時(shí)減震效果顯著，驗(yàn)證了抗震設(shè)防長度的合理性。趙安平等[12]通過模型試驗(yàn)臺試驗(yàn)，表明基覆邊坡在地震力作用下的破壞模式是淺表層張拉而導(dǎo)致表層松散體流坍，重力墻、樁板墻等支擋結(jié)構(gòu)對于基覆邊坡的作用明顯。何麗平等[13]針對組合式支擋結(jié)構(gòu)開展了大型振動(dòng)臺模型試驗(yàn)，研究表明在兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位加速度放大系數(shù)發(fā)生了突變，故需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接處的抗震構(gòu)造措施。董金玉等[14]通過振動(dòng)臺試驗(yàn)得到邊坡的破壞模式為地震誘發(fā)-坡肩拉裂張開-坡面中部出現(xiàn)裂縫-裂縫貫通-發(fā)生高位滑坡-轉(zhuǎn)化為碎屑流-堆積坡腳。

國內(nèi)山嶺隧道洞口段抗減震研究已取得了很多成果，主要集中在于隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力響應(yīng)，針對洞口仰坡圍巖動(dòng)力作用下的力學(xué)特性和穩(wěn)定性研究較少。然而，汶川地震中山嶺隧道洞口段的震害調(diào)研表明，仰坡的穩(wěn)定性，特別是邊坡的滑坡和落石對隧道洞口段的破壞很嚴(yán)重[1-2]，因此，應(yīng)對仰坡的動(dòng)力穩(wěn)定性作進(jìn)一步研究，尤其是高烈度地震區(qū)的隧道洞口段仰坡動(dòng)力穩(wěn)定性研究。

3 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究隧道洞口段仰坡的地震動(dòng)力力學(xué)特性，本研究對洞口段均質(zhì)仰坡、含軟弱夾層仰坡和桁架梁加固仰坡3 種工況進(jìn)行了振動(dòng)臺試驗(yàn)。振動(dòng)臺為中國地震局工程力學(xué)研究所的三向6 自由度振動(dòng)臺，臺面尺寸為5 m×5 m，承載能力為30 t，水平向最大加速度為1.0 g，垂直向0.7g（根據(jù)實(shí)際荷載確定），工作頻率范圍為0.5～40 Hz。

3.1 模型試驗(yàn)依托工程概況

汶川地震中，龍洞子隧道洞口高陡仰坡產(chǎn)生滑塌和崩塌，使防護(hù)結(jié)構(gòu)全部損壞，隧道右洞洞門被崩滑體掩埋，左洞洞門端墻開裂，帽石及翼墻局部被落石砸壞[1]。

隧道穿越白巖山背斜，地質(zhì)條件以碳酸鹽巖為主，核部為石炭系黃龍組，兩翼為黃龍組及梁山組、陽新組。隧道圍巖巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。該隧道出口仰坡高陡，坡高約120 m，仰坡坡角為60°～70°，如圖1 所示。

圖1 龍洞子隧道地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of Longdongzi tunnel

3.2 模型材料參數(shù)

綜合考慮振動(dòng)臺尺寸、承載能力和隧道原型尺寸，確定幾何相似比Cl=1/25，彈性模量相似比CE=1/42，根據(jù)相似關(guān)系得出密度相似比Cρ=1/1.4，其余物理量根據(jù)Bukingham π 定理，滿足相似率的基本方程基本相似關(guān)系得到。

表1 模型相似關(guān)系和相似比Table 1 Similarity relations and ratios of physical parameters

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，在課題組研究基礎(chǔ)上[7-9]，隧道圍巖采用粉煤灰、河沙和機(jī)油的混合物模擬，且粉煤灰：河沙：機(jī)油=0.56:0.30:0.14。襯砌材料選用中砂為骨料的微粒混凝土，以一定的水灰比和配合比組成的新型模型材料，其彈性模量和抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比較低，有利于模型相似率的實(shí)現(xiàn)，且水泥：中砂=1:6，水灰比為1:6。軟弱圍巖由粉煤灰和石英砂拌合而成的黏聚力很小的模型土模擬?？蚣芰翰捎媚緱l模擬，錨索采用鍍鋅鐵絲模擬。

表2 模型土的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of similar material

3.3 模型制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖錇閯傂阅Ｐ拖?，尺寸（長×寬×高）為3.7 m×1.5 m×1.8 m，用槽鋼為骨架、鋼板為面板焊接而成，箱體兩側(cè)焊接了斜支撐以進(jìn)行加勁。為減少激振方向側(cè)壁對模型土的摩擦力，側(cè)壁貼了一層光滑的聚乙烯塑料薄膜。為減少模型土沿激振方向邊界面上波的反射，在垂直于激振方向的側(cè)壁上鋪設(shè)了厚170 mm 的聚苯乙烯泡沫板。為增加圍巖材料和模型箱底部的摩擦力，防止圍巖底面與模型箱底部發(fā)生相對滑移，在模型箱底部澆筑了1 層100 mm 厚的表面粗糙的砂漿層。襯砌模型每段長800 mm，沿隧道軸向依次為A、B、C、D 四段襯砌模型，襯砌間用環(huán)氧樹脂植筋膠粘接成整體，以確保襯砌結(jié)構(gòu)能模擬隧道原型的整體受力狀態(tài)。第2 組試驗(yàn)中，在軟弱面部位鋪設(shè)了1 層3 cm 厚黏聚力很小的模型土以模擬軟弱夾層。第3組試驗(yàn)中，框架梁采用橫截面尺寸為2 cm×3 cm 的木條模擬，錨索采用鍍鋅鐵絲模擬，采用預(yù)埋錨固塊的方式為錨索提供錨固力。各模型具體尺寸見圖2，圍巖材料采用體積控制法分層填筑，以保證圍巖材料的密度符合相似率要求。各制作完畢后的照片見圖3。

圖2 模型基本尺寸(單位：cm)Fig.2 The model sizes(unit:cm)

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.3 Photos of experimental model

試驗(yàn)中輸入汶川大地震的臥龍波，水平向和豎直向臥龍波均選取其東西向分量，按照時(shí)間相似比壓縮，得到振動(dòng)臺輸入地震波的加速度時(shí)程曲線，如圖4 所示。試驗(yàn)為單向激振，先沿豎直方向按照0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.8 g 和1.0 g 的加速度幅值逐級加載，然后沿隧道軸向（水平向）按照同樣的幅值序列激振。

注:其他類型的不定式極限0·∞、∞-∞、1∞，∞0、00可通過初等運(yùn)算轉(zhuǎn)化為這兩種形式，從而運(yùn)用洛必達(dá)法則來求出函數(shù)的極限。

圖4 輸入地震波加速度時(shí)程曲線Fig.4 Acceleration time history of input seismic wave

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 均質(zhì)圍巖仰坡破壞形態(tài)

（1）模型土破壞形態(tài)

進(jìn)行豎直方向激振時(shí)，隨著輸入加速度幅值增大，仰坡模型土整體保持穩(wěn)定。當(dāng)輸入加速度達(dá)到1.0 g時(shí)，仰坡僅在坡肩部位和拱頂仰坡模型土出現(xiàn)少量豎向裂縫，總體上無明顯破壞現(xiàn)象。

激振方向?yàn)樗淼浪捷S向，當(dāng)水平向加速度較小時(shí)，洞口段無明顯破壞；當(dāng)加速度達(dá)增大時(shí)，坡肩首先有少量塊體沿水平向拋射滑落，并且隧道拱頂上部模型土豎向裂縫擴(kuò)展、變大、局部掉塊，模型土上部坡頂面出現(xiàn)軸向裂縫，加速度進(jìn)一步增大時(shí)，坡肩至坡面上部部位開始出現(xiàn)較大量的塊體崩塌，沿坡面滑落，最終形成碎屑流堆積于坡腳。隧道洞口段均質(zhì)仰坡破壞模式為：坡肩土體受到強(qiáng)烈水平向地震力作用而發(fā)生水平向拉裂，然后傾倒，最后崩塌滑落，本結(jié)論與董金玉等[14]的結(jié)果試驗(yàn)一致，仰坡破壞形態(tài)見圖5。

圖5 仰坡破壞形態(tài)照片F(xiàn)ig.5 Photos for failure mode of entrance slope

邊坡破壞試驗(yàn)結(jié)果與汶川地震中龍洞子隧道高陡仰坡產(chǎn)生滑塌和崩塌、防護(hù)結(jié)構(gòu)全部損壞、右洞洞門被崩滑體掩埋的震害現(xiàn)象符合，說明試驗(yàn)結(jié)果是可信的，見圖6。

圖6 龍洞子隧道洞口仰坡震害Fig.6 Earthquake damage of Longdongzi tunnel

（2）襯砌結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

從圖7 襯砌模型內(nèi)部的裂縫分布可見，A、B兩節(jié)襯砌的裂縫分布較為復(fù)雜，除了拱頂，拱腰和仰拱部位縱向裂縫，還存在較多斜向裂縫，呈現(xiàn)出明顯的空間分布形態(tài)，而C、D 兩段襯砌的裂縫則主要為縱向裂縫，呈平面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

從對比A～D 段襯砌的裂縫形態(tài)，A、B 兩段襯砌模型明顯處于三維空間應(yīng)力狀態(tài)，裂縫分布較復(fù)雜，出現(xiàn)了縱向裂縫，還出現(xiàn)很多斜裂縫，而C、D 兩段襯砌則表現(xiàn)為平面應(yīng)力狀態(tài)，可以認(rèn)為均質(zhì)仰坡隧道洞口段地震影響設(shè)防深度為A、B 兩段襯砌的長度，對應(yīng)于實(shí)際工程中40 m，大概在3倍洞徑深度范圍，研究結(jié)論與耿萍等[13]的結(jié)論一致。

圖7 襯砌開裂形態(tài)照片F(xiàn)ig.7 Photos for cracks on model linings

4.2 含軟弱夾層仰坡破壞形態(tài)

進(jìn)行Z 方向激振時(shí)，隨著輸入加速度幅值增大，仰坡模型土整體保持穩(wěn)定。當(dāng)輸入加速度達(dá)到1.0 g時(shí)，隧道拱頂處仰坡和仰坡坡腳部位模型土出現(xiàn)擠壓掉塊，總體上無明顯破壞現(xiàn)象，模型圖破壞形態(tài)見圖8。

圖8 仰坡破壞形態(tài)照片F(xiàn)ig.8 Photo for failure mode of entrance slope

沿隧道軸向水平向激振后，當(dāng)加速度幅值為0.2 g時(shí)，洞口段仰坡模型土整體保持穩(wěn)定，坡頂表面沿軟弱夾層部位出現(xiàn)張拉裂縫，但軟弱夾層上覆土體未出現(xiàn)明顯滑動(dòng)和崩塌；當(dāng)加速度幅值為0.4 g時(shí)，坡腳土體受到強(qiáng)烈地震力作用而壓潰，坡頂表面沿軟弱夾層部位張拉裂縫變寬，最后軟弱夾層上覆土沿軟弱夾層崩塌、滑落，模型土破壞形式與趙安平等[12]研究結(jié)論類似，說明模型試驗(yàn)結(jié)果可信，含軟弱夾層仰坡破壞形態(tài)見圖9。

圖9 含軟弱夾層仰坡破壞形態(tài)照片F(xiàn)ig.9 Photos for failure mode of entrance slope with weak intercalation

（2）襯砌結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

從襯砌模型結(jié)構(gòu)的裂縫分布來看，A、B 兩段襯砌內(nèi)部裂縫分布較第1 組要好，只在拱頂，仰拱部位出現(xiàn)縱向裂縫，主要是含軟弱夾層仰坡破壞時(shí)水平向加速度小于均質(zhì)仰坡。對比分析圖10(c)和10(d)發(fā)現(xiàn)，跨軟弱夾層部位襯砌裂縫較多，不僅在拱頂，仰拱處出現(xiàn)了縱向裂縫，還出現(xiàn)了許多斜裂縫，裂縫形態(tài)復(fù)雜，實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)跨軟弱夾層段襯砌結(jié)構(gòu)。

4.3 桁架梁加固仰坡破壞形態(tài)

（1）模型土破壞形態(tài)

激振過程中，洞口段土體保持整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)整體的滑動(dòng)和崩塌現(xiàn)象，當(dāng)輸入水平向加速度為0.8 g時(shí)，僅在框架梁部分梁格內(nèi)出現(xiàn)了局部的掉塊，坡頂表面出現(xiàn)了沿隧道軸向的裂縫，裂縫寬度較小，分布較多，見圖11。

（2）襯砌結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

對比分析圖12 中A、B 兩段襯砌內(nèi)部裂縫分布形態(tài)，在拱頂和仰拱部位存在縱向裂縫，但裂縫寬度較小，與第1 組襯砌裂縫深度相比，加固后襯砌沿襯厚度方向沒有貫通，整體上仰坡加固后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較較好，呈平面應(yīng)力狀態(tài)，可見對洞口段仰坡進(jìn)行加固可以明顯改善襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布形態(tài)。

圖10 襯砌開裂形態(tài)Fig.10 Photos for cracks on model linings

圖11 仰坡上部模型土開裂Fig.11 Photos for cracks at the top surface

圖12 襯砌開裂形態(tài)Fig.12 Photos for cracks on model linings

5 結(jié) 論

（1）與水平向激振相比，豎向激振對洞口段仰坡的影響較小，即使輸入豎直向加速度達(dá)到1.0 g，模型土整體上仍保持完整，只有含軟弱夾層仰坡在坡腳局部擠壓破碎。

（2）含軟弱夾層洞口段仰坡破壞最嚴(yán)重，上覆土整體沿軟弱夾層滑動(dòng)、坍塌，均質(zhì)仰坡僅在坡肩出現(xiàn)局部崩塌，桁架梁加固后仰坡整體抗震穩(wěn)定性最好。

（3）仰坡坡肩為均質(zhì)仰坡抗震薄弱部位，軟弱夾層及其上覆土是含軟弱夾層仰坡薄弱部位，而采用桁架梁加固后，洞口段仰坡和襯砌模型受力得到明顯改善。

（4）洞口段襯砌，特別是跨軟弱夾層部位襯砌，由于約束較弱，呈明顯空間復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)抗減震研究，如采取設(shè)減震縫、減震層等，均質(zhì)邊坡隧道洞口段有效設(shè)防長度為40 m。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)論，建議實(shí)際工程中應(yīng)對隧道洞口段均質(zhì)仰坡坡肩重點(diǎn)加固，對坡腳進(jìn)行隧道防護(hù)，根據(jù)崩塌土體范圍，建議采用柔性防護(hù)網(wǎng)措施；對含軟弱夾層洞口段仰坡應(yīng)重點(diǎn)加固上覆土體，加固范圍應(yīng)深入軟弱夾層后土體，防止地震作用下，上覆土體巖軟弱夾層滑動(dòng)、塌落。洞口段襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)通過加強(qiáng)配筋，設(shè)置縱、橫向減震縫，減震層等多種方式進(jìn)行減震防護(hù)。

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