跨斷層隧道動力特性大型振動臺試驗研究

劉　云， 高　峰

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶　400074；2.重慶工業職業技術學院 建筑與環境工程學院，重慶　401120)

跨斷層隧道動力特性大型振動臺試驗研究

劉云1,2， 高峰1

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074；2.重慶工業職業技術學院 建筑與環境工程學院，重慶401120)

通過與普通隧道進行振動臺對比試驗，探討了跨斷層隧道的地震響應規律及破壞特點，分析了襯砌裂縫的發展過程、加速度響應、應變大小以及圍巖動土壓力分布規律。試驗結果表明：① 從應變和破壞現象上看，斷層隧道的橫斷面破壞程度遠大于縱向；② 強地震作用下斷層隧道接縫處將產生較大的錯動，接縫的錯動極大影響隧道安全；③ 襯砌圍巖動土壓力具有兩側大、上下小的特點，臨近破壞時隧道加速度響應將發生突變；④ 襯砌不同位置裂縫的產生和發展方向并不相同，頂部和底部由內向外發展，腰部兩側由外向內發展。以上試驗研究結果可為斷層隧道的抗震設計提供參考。

斷層隧道；裂縫；加速度響應；應變；圍巖動土壓力

受圍巖的約束作用，隧道結構通常具有較好的抗震性能[1]，然而大量事實表明，在遭遇強地震時位于斷層破碎帶附近的地下結構破壞較嚴重[2-3]。同時受斷層高地應力影響，結構剪切變形較大，當穿越含水豐富的地區，將會引起隧道災難性的破壞。目前，斷層隧道的抗震設計已成為熱點、難點問題，許多學者開展相關研究。其中，何川等[4]通過試驗及數值模擬，研究了斷層隧道的內力分布規律和變形特點; Moradi等[5]通過離心機試驗得出增加地下結構厚度和降低圍巖的剛度，有利于防止結構的剪切破壞；王錚錚等[6]建立了靜-動力聯合分析模型，研究了高烈度斷層隧道的損傷反應特征；崔光耀等[7]通過試驗探討了斷層黏滑錯動時隧道在初襯和二襯間設置減震層的相關要求；蔣樹屏等[8]依據統計資料，采用數值分析法對不同埋深的隧道動力響應規律進行分析。

盡管取得一些成果，但主要集中于某些特定工程，尚不足完全揭示斷層隧道的破壞機理和動力響應特性；同時我國現行規范對于遭遇斷層的隧道多為定性描述，主要是基于避讓原則加以規定，可操作性不強。由于隧道通常為生命線工程，保障斷層隧道安全對人民生命財產、搶險救災意義特別重大，需要深入研究。因此，通過斷層隧道與普通隧道的振動臺對比試驗，分析了斷層隧道襯砌裂縫的發展過程、加速度響應、應變大小以及圍巖動土壓力分布特點，試驗結果為穿越斷層隧道的抗震設計提供參考。

1振動臺模型試驗概況

1.1試驗模型基本情況

隧道振動臺試驗在哈爾濱工程力學研究所的地震模擬振動臺上進行，其基本參數為：振動臺臺面尺寸為5 m×5 m，最大負荷質量25 t；最大位移：X,Y向均為100 mm，Z向50 mm；三個方向的最大速度為50 cm/s；X,Y向最大加速度為1.5 g，Z向最大加速度為0.7 g；振動臺的正常工作頻率范圍為0.5～50.0 Hz。試驗箱為普通剛性模型箱，考慮到模型箱需與振動臺尺寸相互匹配，同時便于隧道模型的安置，其尺寸高×寬×長為3.5 m×1.5 m×1.8 m，試驗隧道高度為0.25 m，寬度為0.3 m。每個管段長度為0.5 m，管段之間采用柔性連接，為得到跨斷層隧道的動力響應規律，在2#管段與3#管段間設置斷層，斷層傾角90°，走向與隧道軸向夾角為30°。在5#管段與6#管段間也設置斷層，斷層傾角90°，走向與隧道軸向夾角為45°，具體布置見圖1。

圖1　隧道振動臺試驗模型布置圖Fig.1 Tunnel model diagram for shaking table test

1.2試驗相似比

需指出，本次試驗目的為研究跨斷層隧道的動力特性及破壞機制，并不針對某一特定工程，假設存在試驗模型放大20倍的工程原型,采用重力相似律及量綱分析法[9-11]進行分析，選取密度、加速度、長度作為基本控制量，其中Cρ=1，Cl=20，由于原型和試驗模型都處于同一自重場下，故加速度相似比Ca=1，其余物理量利用π定理導出(見表1)。值得指出的是：縮放試驗(含振動臺、離心機等)的尺寸效應還難以消除，原型縮放不易過大，以降低尺寸效應的影響；同時由于土體的復雜性，原型按照相似理論進行縮放后，很難找到完全滿足所有相似比的試驗材料，需根據試驗目的進行判斷，文章重點在于研究隧道的動力響應和裂縫的演化發展過程，側重強度相似，彈性模量只是近似滿足。

表1　模型主要相似常數

1.3材料最終的配合比及監測點布置

1.3.1材料配合比

試驗中隧道圍巖采用標準砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水的混合材料，配合比為70.2%∶11.8%∶7.2%∶0.03%∶0.57%∶10.2%，斷層寬3 cm，采用松散的中砂填充，通過實驗室進行相關力學參數試驗，得到圍巖、斷層及襯砌的力學參數，見表2。

表2　模型材料物理力學參數

注：*為經驗值

1.3.2監測點布置

為得到隧道襯砌的加速度、動土壓力、應變響應規律，在1#、3#及5#管段襯砌四周設置相應的監測點，其具體位置見圖2，其中應變片(環向及縱向)均貼著襯砌內側，動土壓力盒緊貼著襯砌外側。

圖2　傳感器布置圖(cm)Fig.2 Layout of acceleration meter (cm)

2模型邊界條件及試驗工況

2.1模型箱邊界處理

在振動臺試驗中模型箱效應對試驗結果影響較大，為盡量消除這種不利影響，保證模型箱能再現自由場結構的地震響應規律，課題組在模型箱內壁四周添加聚苯乙烯泡沫柔性材料吸收邊界波，以此消除隧道相應的邊界效應[12]，根據Soong[13]建立的等效阻尼Cd及等效剛度kd模型，通過試驗方法進行測定。

Cd=G″V/ωh2，kd=G′V/h2

(1)

式中：V為體積；G′為柔性材料的存儲剪切模量；h為柔性材料厚度；G″為柔性材料損耗剪切模量；ω為土體和模型箱的自震頻率。通過計算最終得到聚苯乙烯泡沫柔性填充材料的厚度為18.5 cm。

2.2輸入地震波和加載工況

本次試驗選擇2008年的汶川-臥龍波作為地震激勵，利用0.05 g白噪聲得到結構體的基本振動特性，試驗中汶川-臥龍波從0.2 g開始逐級施加，直至加載到1.0 g，輸入的地震波工況見表3。當地震波加速度為雙向或三向輸入時， 輸入的地震波均為監測站記錄的實際地震波，據統計資料表明地震時豎向加速度峰值與水平向峰值比值接近1/3～2/3[14]，因此試驗豎向加速度峰值(Z向)按水平向(Y向)峰值的1/3后加載，其中圖3顯示的為模型試驗輸入0.8 g地震波時的水平向加速度曲線。

表3　地震波輸入工況

圖3　模型試驗輸入的水平向加速度曲線(0.8 g)Fig.3 Input horizontal seismic acceleration-time curve in model test(0.8 g)

3隧道動力響應及破壞機制分析

由于試驗數據較多，文章主要針對1#和過斷層的5#管段進行比較，分別得到普通隧道和斷層傾角90°、走向與隧道軸向夾角為45°的斷層隧道的動力響應特點。為敘述方便，將1#管段稱為普通隧道，將5#管段稱為斷層隧道。需指出：由于試驗時輸入地震幅值由小到大，加速度響應、應變、動土壓力等均有累積效應，為避免這種效應帶來的影響，本文所列圖表的數值大小都為扣除上一步加載工況后的數值。

3.1模型接縫處情況對比

圖4為地震結束后各隧道接縫處的變形情況，可以看出普通隧道接縫錯動很小，大約為1 mm，而斷層隧道接縫錯動明顯，達到6 mm。試驗可知，當斷層隧道穿越含水豐富地區(如跨海隧道、跨河隧道)，在遭遇大地震時，接縫處的錯動使水可能從接縫處涌入，對隧道安全造成巨大威脅，這點應引起工程部門重視。

3.2隧道襯砌破壞狀態對比

3.2.1普通隧道

從普通隧道地震下最終破壞圖(見圖5)，只有襯砌腰側外部產生細小裂縫，其余部分未發現明顯裂縫，隧道的抗震性能較好，這和多次地震現象吻合。

3.2.2跨斷層隧道

圖6為跨斷層隧道地震下最終破壞圖，可看出在襯砌的頂部、腰部以及底部均出現裂縫。頂部和底部為內側大外側小，裂縫由內向外發展；而腰側裂縫外側大內側小，裂縫由外向內發展，這點同普通隧道相同(見圖5)。

3.3隧道加速度響應對比

圖7為輸入水平地震波峰值為0.2 g時，普通隧道與斷層隧道監測點3的水平加速度響應對比圖。圖示表明監測點加速度具有一定的放大效應，普通隧道要略小于斷層隧道。

圖4 隧道接縫處錯動Fig.4Faultmovementtunnelsjointing圖5 普通隧道地震下最終破壞圖Fig.5Finalfailurediagramofcommontunnel

圖6 跨斷層隧道地震下最終破壞圖Fig.6Failurediagramofcross-faulttunnelsunderearthquake

圖7　加速度響應時程曲線對比Fig.7 Time history contrast curve of acceleration response

由于數據較多，將各工況的監測點水平加速度峰值統計見圖8。可以看出，在0.2～0.6 g隧道襯砌的加速度放大系數變化不大，除少數數據外，斷層隧道數值均大于普通隧道；當輸入加速度為0.8 g時，斷層隧道監測點的水平加速度響應更加明顯，襯砌動力特性變化巨大，推測與強地震下裂縫快速發展、隧道臨近破壞有關。

圖8　水平加速度放大效應對比Fig.8 Comparison of horizontal acceleration magnified effect

3.4隧道周圍土壓力對比

圖9為輸入0.6 g(YZ向輸入)汶川地震波時斷層隧道監測點1的動土壓力時程曲線，可以看出圍巖動土壓力隨著地震作用變化而不斷變化，在地震作用的峰值時刻達到最大值。為保證隧道動力設計的安全，將圍巖動土壓力峰值進行統計，見圖10。

圖9　斷層隧道測點1動土壓力時程曲線(0.6 g)Fig.9 Time history curve ofdynamic earth pressure of key point 1 (0.6 g)

圖10　襯砌圍巖峰值動土壓力對比Fig.10 Comparison of surrounding rock peak pressure at lining

由圖10可知,輸入的地震作用越大，圍巖動土壓力越大；相同情況下斷層隧道的圍巖動土壓力要大于普通隧道；襯砌兩側的動土壓力要大于頂部和底部，因此進行抗震設計時需對襯砌兩側進行加強處理。

3.5隧道襯砌應變對比

將各監測點的應變統計見表4和表5，由于試驗中部分應變片損壞(如測點4)，造成部分數據缺失。從表4的環向峰值應變分析可知：除少數數據外，斷層隧道監測點應變大于普通隧道；兩種隧道類型都是測點1的應變數值較大，這與隧道襯砌不同位置裂縫發展方向相吻合，即襯砌頂部裂縫由內向外，腰部由外向內，緊貼著襯砌內側的測點1的數值較大(監測部位為襯砌頂部)。

表4　環向峰值應變對比

從縱向峰值應變(見表5)分析，其大小也隨地震作用增大而增大，普通隧道同斷層隧道兩者數值相差不大，同表4比較后可知縱向峰值應變要普遍小于環向應變，這與試驗中沒發現橫向裂縫的現象相吻合。

表5　縱向峰值應變對比

4結論

通過振動臺對比試驗探討了穿越斷層隧道的動力響應和破壞規律，得出以下研究結論：

(1) 當遭遇高烈度、強地震作用時，斷層隧道接縫處易產生較大錯動，對隧道安全造成威脅。因此處于地震頻發地區的斷層隧道接縫處理，應引起工程師重視。

(2) 隧道襯砌在地震作用下存在一定的加速度放大效應，相同情況下普通隧道地震響應程度要低于斷層隧道；當襯砌結構臨近破壞時，加速度放大效應系數將發生突變。

(3) 從斷層襯砌裂縫的發展方向分析得出，頂部和底部裂縫由內向外發展，腰部裂縫由外向內發展；斷層隧道裂縫數量明顯多于普通隧道，后者抗震性能更好。

(4) 兩種隧道類型的圍巖動土壓力都存在兩側大、上下小的特點，應對襯砌兩側進行加強處理；相同情況下，斷層隧道的受力及應變比普通隧道更大，進行隧道抗震設計時須結合圍巖特點，保證隧道安全。

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Experimental study on the dynamic characteristics of a tunnel-crossing fault using a shake-table test

LIU Yun1,2, GAO Feng1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. Faculty of Architechtural and Enviromental Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

Through comparison by means of shake-table tests between common tunnels and cross-fault tunnels, the seismic response law and failure characteristics of the cross-fault tunnels were discussed. Besides this, the developing process of the lining cracks, the acceleration response, the strain magnitude and the distribution regularities of surrounding rock pressure in these tunnels were investigated. The comparative results show the following characteristics: ① Judging from the strain and damage phenomenon, the cross-sectional extent of the fault tunnel is much larger than that in the longitudinal direction. ② When encountering strong earthquakes, large dislocations will emerge at the construction joints, and joint dislocation will greatly affect the security of the tunnel. ③ The surrounding rock pressure of the lining is bigger at the waist and smaller at the top and bottom, while the acceleration response of the tunnel will occur as a mutation near the destruction. ④ The generation position and development direction of different lining location cracks are not the same. The cracks at the top and bottom will grow from the inside to the outside. However, those at the two sides will grow in the opposite direction. The above analytical results can provide beneficial reference for seismic design of the cross-fault tunnels.

cross-fault tunnels; crack; acceleration response; strain; surrounding rock pressure

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.025

國家重點研究發展計劃(973)項目資助(2011CB013600)；國家自然科學基金資助(51178490)；山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(重慶交通大學)開放基金( CQSLBF-Y14-14);重慶市研究生科研創新項目(CYB15108);重慶工業職業技術學院校級科研項目(GZY201507-ZK)

2015-06-29修改稿收到日期：2015-11-22

劉云 女，博士生，1988年生

高峰 男，教授，博士生導師，1964年生

U45

A