丁祖德， 張 博， 李曉琴， 黃 娟， 彭立敏

(1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410075)

近30年，山嶺隧道地震破壞較為頻繁[1-3]。震害調(diào)查顯示，在隧道洞口段、斷層破碎帶等地段易出現(xiàn)隧道震害，這些地段的隧道地震研究成果也較多。如蔣樹屏等[4]基于公路隧道洞口段地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，得出慣性力對(duì)洞口段結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響不大，抗震重點(diǎn)是圍巖的失效防治。李林等[5]對(duì)淺埋偏壓洞口段鐵路隧道開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和動(dòng)力分析，指出地表臨空坡面會(huì)明顯增大偏壓隧道地表加速度放大倍率和位移值，襯砌拱頂兩側(cè)約45°位置和墻腳處為震害易發(fā)部位。崔光耀等[6-8]結(jié)合振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)分析了跨斷層隧道動(dòng)力特性及震害機(jī)理。耿萍等[9-10]完成了跨斷層隧道抗減震措施效果的模型試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)置減震層是提高隧道抗震性能的有效手段。但事實(shí)上，除了隧道洞口淺埋段及斷層破碎地段外，隧道深埋洞身普通段襯砌也有不少嚴(yán)重破壞現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)二次襯砌垮塌。如日本新瀉地震中的Uonuma隧道，汶川地震中的酒家埡隧道、龍溪隧道、龍洞子隧道等[11-12]。日本Uonuma隧道襯砌垮塌后，調(diào)查發(fā)現(xiàn)襯砌背后存在較大空洞；龍溪隧道的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，襯砌整體垮塌段存在襯砌背后不密實(shí)，在施工過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過圍巖大變形；龍洞子隧道經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，震害部分區(qū)段襯砌拱頂處存在脫空和不密實(shí)情況。臺(tái)灣集集地震中，大約75%的受損襯砌位于施工質(zhì)量差的區(qū)域?？梢?，襯砌背后空洞及厚度不足等缺陷是造成震害的重要因素。

隨著運(yùn)營隧道的日益增多及既有服役隧道質(zhì)量狀況不甚理想的現(xiàn)狀[13]，既有隧道抗震性能研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的逐漸重視。Hwang等[14]采用經(jīng)驗(yàn)方法評(píng)估了老舊鐵路隧道的抗震性能。Gome等[15]探討了隧道開挖引起的應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)已建地鐵隧道地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明應(yīng)力擾動(dòng)會(huì)明顯增大襯砌的地震響應(yīng)。鄧濤等[16]運(yùn)用有限差分軟件，開展了不同加固方法處理龍門隧道襯砌背后空洞的抗震穩(wěn)定性計(jì)算。于媛媛采用擬靜力方法，聶子云等[17]采用動(dòng)力有限元方法，分別研究了襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。但總體而言，上述缺陷隧道的抗震研究多采用定性分析、簡單數(shù)值模擬等，尚未有針對(duì)性的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。鑒于此，本文采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究隧道拱頂襯砌背后空洞及襯砌厚度不足對(duì)隧道地震響應(yīng)的影響，分析不同空洞規(guī)模及襯砌厚度不足程度下隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律，為高烈度地震區(qū)既有山嶺隧道的地震安全評(píng)價(jià)及隧道加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象為存在襯砌厚度不足與空洞缺陷的某Ⅳ級(jí)圍巖段兩車道高速公路隧道，隧道埋深30 m，凈寬11.16 m、凈高8.71 m，采用C30素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，完好襯砌厚度40 cm。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，共設(shè)置4組工況，具體見表1。其中，對(duì)于襯砌厚度不足的情況，采用對(duì)該部位襯砌減薄來實(shí)現(xiàn)(為方便表述，以下采用襯砌厚度減薄來描述厚度不足情況)。脫空范圍以隧道拱頂圓弧圓心為基準(zhǔn)展開，取約30°范圍對(duì)于襯砌減薄25%，取約42°范圍對(duì)于襯砌厚度減薄50%。試驗(yàn)時(shí)，制作一個(gè)薄拱形結(jié)構(gòu)設(shè)置在圍巖和襯砌之間來模擬襯砌背后空洞。

表1 試驗(yàn)工況

1.2 模型相似比設(shè)計(jì)

綜合考慮振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、隧道斷面大小和邊界效應(yīng)，根據(jù)相似理論，以長度、質(zhì)量密度和彈性模量為基本物理量，確定試驗(yàn)的幾何相似比為Cl=1/40，密度相似比Cρ=1，彈性模量相似比CE=1/40，模型體系各物理量的相似關(guān)系及其相似比見表2。

表2 模型相似比

1.3 試驗(yàn)材料及模型制作

選擇合適的模型相似材料是模型試驗(yàn)中關(guān)鍵的一環(huán)，直接影響著試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)研究成果，隧道襯砌相似材料主要采用微?；炷梁褪鄡煞N，圍巖相似材料主要分為以沙、粉煤灰等為骨料，配以甘油、水等為黏結(jié)劑配比而成，或采用多種化學(xué)材料相互配比而成。經(jīng)對(duì)材料配比試驗(yàn)的多方嘗試和綜合比較，選擇微粒混凝土作為襯砌模型材料，由于襯砌模型厚度薄，將鋼筋放入襯砌困難，故本文襯砌模型未考慮鋼筋。選擇砂、水泥、渣土及水混合作為圍巖相似材料。經(jīng)設(shè)計(jì)正交表格，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)試其強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。經(jīng)過多次配比試驗(yàn)后確定隧道襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量配比為水泥∶細(xì)砂∶水=1.2∶4∶1，Ⅳ級(jí)圍巖相似材料質(zhì)量配比水泥∶粗砂∶土∶水=1∶15∶5∶2。加工完成后的減薄襯砌模型見圖1。

圖1 襯砌模型Fig.1 Lining model

1.4 模型箱設(shè)計(jì)

模型箱整體尺寸為2.0 m×2.2 m×1.6 m(橫向×縱向×垂向)，底板平面尺寸3.0 m×2.5 m(橫向×縱向)。模型箱主體框架由12#槽鋼鋼焊接而成，采用4 mm厚鋼板做圍護(hù)， 6 mm厚鋼板做底板，正面中心設(shè)有預(yù)留觀察孔，方便傳感器線路連接。模型箱四周底部設(shè)有掛鉤方便起吊，采用M20螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)孔位上。箱體垂直和平行振動(dòng)方向分別內(nèi)襯厚度約20 cm和10 cm的聚苯乙烯泡沫層以減小邊界效應(yīng)。模型箱底部鋪設(shè)黏結(jié)一層碎石，以增大與模型箱底板的摩擦阻力，避免試驗(yàn)激振過程中的滑移。模型箱加工效果見圖2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.2 Photo of experimental model

1.5 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

四個(gè)襯砌模型沿縱向均勻布置，為方便安放，將工況1和工況2的襯砌模型置于兩端，依次為工況2、工況4、工況3和工況1襯砌模型的布置方式。各襯砌模型縱向長度50 cm，模型之間相對(duì)獨(dú)立，采用膠做簡單粘結(jié)處理。地震波加載方向與隧道縱向垂直，選取每個(gè)模型的中間部位作為測(cè)試截面。采集數(shù)據(jù)包括圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的加速度、襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)態(tài)接觸壓力，分別布設(shè)加速度傳感器、應(yīng)變片及土壓力盒。加速度傳感器的布設(shè)見圖3，各襯砌模型測(cè)試布置方案見圖4(圖中，A：加速度傳感器，S：應(yīng)變片，P：壓力盒傳感器)。

本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)共布置了8個(gè)加速度傳感器、81個(gè)應(yīng)變片和6個(gè)土壓力盒，在離洞口分別為75 cm和140 cm處的襯砌內(nèi)安裝了2個(gè)高分辨率攝像頭，實(shí)時(shí)記錄振動(dòng)時(shí)的裂紋發(fā)展。還在洞口架設(shè)了一臺(tái)攝像機(jī)，用于捕捉洞口襯砌的破壞情況。

圖3 加速度計(jì)布設(shè)示意(mm)Fig.3 Layout of accelerometers (mm)

圖4 襯砌模型測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points on lining model

1.6 地震動(dòng)參數(shù)輸入

試驗(yàn)采用按時(shí)間相似比壓縮后的EI Centro波和Kobe波，單向激振，地震動(dòng)持時(shí)約9 s，地震動(dòng)峰值分別按0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g和1.0 g逐漸增加，以模擬不同地震強(qiáng)度。EI Centro波時(shí)間壓縮后振動(dòng)臺(tái)輸入的加速度時(shí)程曲線見圖5。在加載前，進(jìn)行0.05 g的白噪聲掃頻，以獲得模型的整體振動(dòng)特征。

圖5 EI Centro波加速度時(shí)程曲線Fig.5 EI Centro wave of dynamic calculation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)測(cè)試了加速度、動(dòng)土壓力、動(dòng)應(yīng)變等參數(shù)，考察了EI Centro波和Kobe波兩種地震波，限于篇幅，本文主要以EI Centro波為例進(jìn)行分析。

2.1 加速度響應(yīng)特征

模型試驗(yàn)中沿豎向和水平向埋設(shè)了8個(gè)加速度傳感器，以測(cè)試隧道及圍巖不同位置的加速度響應(yīng)。圖6為不同地震動(dòng)強(qiáng)度下加速度放大系數(shù)隨模型高程及橫向距離的變化曲線。圖中的加速度豎向放大系數(shù)是指圍巖中線和模型箱上所設(shè)A1～A6加速度傳感器各測(cè)點(diǎn)處所得的加速度峰值(PGA)與對(duì)應(yīng)臺(tái)面實(shí)測(cè)加速度峰值(A1)之比，加速度橫向放大系數(shù)是指沿隧道仰拱高度處橫向布置的加速度傳感器A3、A7、A8，所測(cè)加速度峰值與A3處加速度峰值之比。

從圖6可知，同一加載強(qiáng)度下，隨著高程的增加，各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)均有明顯增大趨勢(shì)。在0.5 m以下高程處，豎向放大系數(shù)變化較平緩，在0.75 m以上時(shí)，放大系數(shù)增加較快，達(dá)到圍巖頂面時(shí)，增大趨勢(shì)有所減緩。這說明隧道的存在對(duì)周邊圍巖的加速度響應(yīng)有放大效應(yīng)，距離隧道越遠(yuǎn)，影響越小，所以放大系數(shù)增幅先快后放緩。較低地震動(dòng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的豎向放大效應(yīng)更明顯。橫向放大系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小。從隧道中線向模型邊界，橫向放大系數(shù)逐漸增大，在接近模型圍巖邊界時(shí)趨于平緩，甚至有所下降。橫向放大效應(yīng)在加載較強(qiáng)地震動(dòng)時(shí)更明顯。這說明地震波在圍巖傳播過程中具有滯后作用，從而引起襯砌變形。

圖6 加速度放大系數(shù)的變化曲線Fig.6 Curves of accleration amplification factor

2.2 應(yīng)變響應(yīng)特征

襯砌模型內(nèi)外側(cè)貼有應(yīng)變片，監(jiān)測(cè)地震過程中的環(huán)向應(yīng)變。以0.2 g的EI Centro波為例，四種試驗(yàn)工況的襯砌應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)見表3。應(yīng)變峰值分布見圖7。

表3 襯砌各部位的環(huán)向應(yīng)變峰值

圖7 0.2 g EI Centro波下的襯砌應(yīng)變峰值分布(με)Fig.7 Distribution of strains of lining under EI Centro wave input at 0.2 g (με)

表3和圖7顯示，當(dāng)加速度峰值為0.2 g時(shí)，對(duì)于襯砌完好且背后無空洞的情況，其最大動(dòng)應(yīng)變峰值出現(xiàn)與隧道中軸線約呈45°的拱腰及墻腳部位，邊墻部位也有較大的微應(yīng)變，這與已有研究結(jié)論一致。對(duì)于拱頂襯砌背后存在空洞的情況，其拱頂應(yīng)變?cè)黾用黠@，從工況1到工況4，應(yīng)變?cè)龇?倍，這說明拱頂空洞的存在放大了該部位的震動(dòng)效應(yīng)。隨著拱頂空洞及襯砌減薄程度的增加，拱頂及減薄邊緣處應(yīng)變不斷增大，應(yīng)變分布模式由花瓣?duì)钕蜇Q向菱形狀轉(zhuǎn)變?？梢?，拱頂襯砌減薄及背后空洞，會(huì)改變襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形分布，缺陷部位變形增大，成為抗震薄弱部位。

2.3 襯砌破壞特征

在每次震動(dòng)加載結(jié)束時(shí)，均進(jìn)行隧道內(nèi)表面裂縫等觀察，并結(jié)合隧道內(nèi)部的攝像頭拍攝的地震過程響應(yīng)情況，完整記錄襯砌破壞過程。對(duì)于試驗(yàn)工況1，首次觀察到可見裂縫對(duì)應(yīng)的地震強(qiáng)度為0.6 g；對(duì)于試驗(yàn)工況2，首次觀察到可見裂縫對(duì)應(yīng)的地震強(qiáng)度為0.4 g；對(duì)于試驗(yàn)工況3和工況4，分別為0.3 g和0.2 g。圖8和圖9分別為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)工況1和工況2的襯砌開裂特征，圖10為輸入地震波0.3 g時(shí)拍攝的工況3的襯砌裂縫特征。

圖8 試驗(yàn)工況1的襯砌開裂特征Fig.8 Cracks on model lining in test case 1

圖9 試驗(yàn)工況2的襯砌開裂特征Fig.9 Cracks on model lining in test case 2

圖10 0.3 g時(shí)的試驗(yàn)工況3襯砌開裂特征Fig.10 Cracks on model lining in test case 3 under EI Centro wave input at 0.3 g

從圖8～10可看出，加載0.6 g的EI Centro地震波時(shí)，試驗(yàn)工況1的右墻腳靠近仰拱處、左側(cè)墻腳及拱腰與邊墻間均出現(xiàn)縱向貫通裂縫，最終破壞模式是與隧道中軸線約呈45°角的拱腰、墻腳部位開裂為特征。輸入加速度為0.4 g時(shí)，工況2的拱頂、拱腰與邊墻間及墻腳首先出現(xiàn)裂縫，之后仰拱出現(xiàn)裂縫。最終破壞部位位于拱頂、拱腰、墻腳和仰拱處。對(duì)于工況3和工況4，通過隧道內(nèi)攝像頭拍攝畫面顯示，在輸入加速度分別為0.3 g、0.2 g時(shí)，拱頂首先出現(xiàn)裂縫，之后墻腳開裂，并在后續(xù)加載中不斷擴(kuò)寬并破壞?？梢姡r砌拱腰、墻腳及仰拱是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)，而當(dāng)拱頂襯砌存在缺陷時(shí)，將改變其破壞形式，破壞首先發(fā)生在缺陷部位，并在較小地震動(dòng)下就會(huì)引發(fā)裂縫。

3 結(jié) 論

(1) 地震動(dòng)豎向放大系數(shù)隨高程增加而增大，在0.5 m以下高程處增速相對(duì)平緩，隧道結(jié)構(gòu)以上部分圍巖放大系數(shù)增速顯著提高，臨近模型頂部時(shí)增幅又有所減緩。說明隧道的存在對(duì)周邊圍巖的加速度響應(yīng)有放大效應(yīng)。橫向放大系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小，地震波在圍巖傳播過程中具有滯后作用，引起巖土體位移差，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)變形。

(2) 當(dāng)隧道拱頂襯砌背后存在空洞缺陷時(shí)，拱頂應(yīng)變值大大增加，增幅2.7倍，明顯改變了拱頂處的受力狀態(tài)，在地震強(qiáng)度為0.4 g時(shí)已出現(xiàn)可見裂縫。當(dāng)同時(shí)存在襯砌厚度不足及背后空洞缺陷時(shí)，不僅改變了拱頂處的約束條件，而且襯砌的承載能力進(jìn)一步弱化，在地震波作用下其受力狀態(tài)及變形特征均有明顯變化，拱頂處首先產(chǎn)生裂縫，應(yīng)變?cè)龇?倍，在0.2 g的較小地震波強(qiáng)度下就已破壞。

(3) 缺陷的存在改變了襯砌地震破壞形式。對(duì)于完好襯砌，其破壞形態(tài)為與隧道中軸線約呈45°角的拱腰、墻腳部位開裂為特征；對(duì)于空洞缺陷，其最終破壞以拱頂、墻腳和仰拱部位裂縫為特征；對(duì)于襯砌厚度不足且有空洞缺陷，其破壞均以拱頂及墻腳開裂為主，只是破壞時(shí)峰值加速度不同，缺陷程度增大，破壞時(shí)的地震動(dòng)強(qiáng)度越小。

(4) 本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是基于橫向地震波作用下襯砌脫空對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，不同地震波入射方向下缺陷襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有待進(jìn)一步深入研究。