一種模擬發(fā)震斷層動力特性的隧道地震試驗方法

胡　輝， 李冰天， 仇文革

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都　610031)

0　引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部地區(qū)的交通工程正在得到大力建設，其中鐵路和公路隧道占據(jù)著很大的比例，部分長大隧道工程不可避免地穿越活動斷層。與此同時，近年來我國西部地區(qū)地震頻發(fā)，2008年汶川地震震后調查資料結果表明，地震會對隧道工程造成一定程度的破壞，而穿越活動斷層隧道的破壞尤為嚴重。因此，迫切需要對長大隧道穿越活動斷層時的地震響應進行深入研究。

模型試驗是研究隧道穿越斷層時地震響應的一種重要手段。目前，隧道穿越斷層的模型試驗方法主要有2種： 一種是劉學增等[1-2]采用的同濟大學自行開發(fā)的試驗裝置的方法，該裝置利用升降千斤頂?shù)姆绞绞乖囼炏渖媳P沉降進而來模擬斷層的錯動，研究正斷層黏滑錯動對公路隧道的影響； 另一種試驗方法是利用振動臺進行動力加載，就是將設置有斷層圍巖的隧道模型箱置于振動臺上進行模擬地震試驗，王崢崢等[3-4]對此方法進行了試驗設計和研究，何川等[5]利用此方法研究了隧道穿越斷層破碎帶的震害機制，信春雷等[6]利用此方法對跨斷層隧道抗減震措施進行了研究。

以上2種試驗方法均有各自的優(yōu)點： 同濟大學的試驗裝置可以對斷層錯動的錯動量和錯動過程進行定量控制，而振動臺試驗方法可以通過輸入地震波很好地模擬實際地震的情況。但這2種模型試驗方法又都有其不足之處。首先，在2種方法的試驗過程中，千斤頂?shù)纳岛驼駝优_的振動均使模型箱表現(xiàn)為受迫振動，因而不能體現(xiàn)實際情況中斷層自主發(fā)振的特性，有一定的失真； 其次，試驗箱體趨于剛性，且縱向長度不足，無法體現(xiàn)斷層錯動發(fā)生時地層位移由發(fā)震斷層位置向遠端逐漸減小的過程，導致在研究長大隧道穿越活動斷層時，無法對隧道由斷層段到非斷層段沿縱向的振動特性變化進行模擬研究。

基于以上2種模型試驗方法存在的問題，本文提出一種模擬長大隧道穿越活動斷層動力響應的新型模型試驗裝置，既能夠模擬斷層自主發(fā)震，也能夠模擬長大隧道穿越活動斷層時的縱向振動特性變化。同時基于該試驗裝置，還提出一種通過組合彈簧改變動力響應的試驗方法。

1　模型箱設計制作

長大隧道穿越活動斷層模型試驗箱如圖1所示，箱體尺寸為6.0 m×1.0 m×1.0 m(長×寬×高)。根據(jù)斷層運動特點，將模型箱底板分為上盤和下盤2部分，同時分為固定端、緩沖區(qū)和斷層錯動區(qū)3個區(qū)域。固定端由鋼架支撐并固定于地面，模擬遠端非斷層區(qū)不受斷層錯動影響的區(qū)域； 斷層錯動區(qū)設置可以改變傾角的斷層錯動面，由千斤頂組支撐，試驗前根據(jù)斷層錯動方向、傾角和錯動量，利用千斤頂組固定上、下盤的位置，試驗時釋放支撐主動錯動盤的千斤頂組，斷層自主發(fā)生錯動，從而分別對正逆斷層進行模擬； 緩沖區(qū)連接固定端和斷層錯動區(qū)，前后兩側設置多塊擋板，采用與底板焊接、相互之間搭接的方式。該裝置既能夠模擬斷層自主發(fā)震，也能夠很好地模擬斷層錯動引起地層位移向遠端逐漸減小的過程。

(a) 3D效果圖

(b) 模型試驗圖

2　試驗方法設計

試驗開始前，模型箱斷層錯動區(qū)上下兩盤各由1組千斤頂支撐，升高其中1組千斤頂至固定高度來模擬正逆斷層的初始狀態(tài)。進行圍巖裝填，隧道布置，監(jiān)控量測元件設置。在模型箱緩沖區(qū)和斷層錯動區(qū)下方試驗臺上設置若干數(shù)量的彈簧。試驗過程中，通過釋放升高的千斤頂組，使斷層產(chǎn)生自發(fā)的錯動。預先布置的彈簧有2個作用： 一是在千斤頂組釋放后成為新的支撐系統(tǒng)； 二是可以通過改變彈簧的參數(shù)來改變斷層錯動發(fā)生后整個圍巖-隧道體系的動力響應，這是該試驗方法的精髓所在，也是本文研究的重點。

2.1　彈簧剛度試驗

試驗使用粗細2種不同型號的彈簧，試驗前對彈簧進行剛度測試，如圖2所示。測試結果如表1所示。

(a) 壓縮前　　　　　　　　　　　　(b) 壓縮后

彈簧類型彈簧剛度/(N/mm)粗彈簧123.5細彈簧48.3

2.2　通過組合彈簧改變動力響應

試驗中通過改變彈簧組的參數(shù)使整個圍巖-隧道體系在斷層錯動發(fā)生后的動力響應發(fā)生改變。

彈簧組的可變參數(shù)主要有以下3種： 單個彈簧的剛度系數(shù)、彈簧組包含彈簧的個數(shù)以及彈簧組在試驗臺上的布置方式。組合彈簧模型如圖3所示，其中： 圖3(a)表示基本彈簧組； 圖3(b)中通過整體改變彈簧組內(nèi)彈簧的剛度系數(shù)(使用粗或細彈簧)，來改變整個彈簧組剛度系數(shù)的數(shù)量級； 圖3(c)中通過改變彈簧組內(nèi)彈簧的個數(shù)，在同一數(shù)量級內(nèi)改變彈簧組的剛度系數(shù)。

(a) 基本彈簧組

(b) 改變彈簧剛度系數(shù)

(c) 改變彈簧個數(shù)

斷層發(fā)生錯動后，試驗模型整體所構成系統(tǒng)的振動全過程，可以近似看作是有阻尼的自由振動，而彈簧組的參數(shù)則表征了系統(tǒng)的彈簧剛度系數(shù)。

在結構動力學[7]中，有阻尼的自由振動的振動頻率

(1)

系統(tǒng)的彈簧剛度系數(shù)k與系統(tǒng)的振動頻率呈正相關，證明在試驗中可以通過改變彈簧組參數(shù)來改變圍巖-隧道體系在斷層錯動發(fā)生后的動力響應，且可以預知改變結果。另一方面，在試驗中為了使圍巖-隧道體系發(fā)生一定范圍內(nèi)的動力響應，可以通過設置對應參數(shù)的彈簧組來達到效果。

2.3　試驗工況設置

根據(jù)組合彈簧形式，共設置4組工況進行試驗。

表2　試驗工況

3　試驗數(shù)據(jù)采集與結果

3.1　數(shù)據(jù)采集方法

在試驗過程中，利用加速度傳感器和高速攝影儀(見圖4)對整個試驗過程進行監(jiān)控量測。

(a) 加速度傳感器

(b) 高速攝影儀

利用加速度傳感器對斷層錯動發(fā)生時錯動盤的振動情況進行監(jiān)測，傳感器布置在模型箱錯動盤隧道上方土體內(nèi)，如圖5(a)所示。利用高速攝影儀對斷層錯動發(fā)生時錯動盤下彈簧組振動情況進行定位監(jiān)測，以此來間接反映試驗過程中模型箱的振動。選取的監(jiān)測點位于彈簧上方試驗箱底板下邊緣，如圖5(b)所示，試驗過程中對所有監(jiān)測點進行同步監(jiān)測。

(a) 加速度傳感器布置

(b) 高速攝影儀布置

3.2　監(jiān)測結果分析

3.2.1加速度傳感器監(jiān)測結果

以工況1為例，得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　工況1監(jiān)測數(shù)據(jù)

選取加速度正向最大值(波峰)到負向最大值(波谷)為半個周期，工況1的振動周期T=(0.113 2-0.089)×2=0.048 4 s，工況1振動頻率f1=1/T=20.7 Hz。

運用上述方法對其他工況進行分析，得到各工況的頻率，如表3所示。

表3　各工況振動頻率

進而得到各工況振動頻率與組合彈簧總剛度的關系曲線，如圖7所示。

圖7　振動頻率-組合彈簧剛度曲線

Fig. 7Curves of vibration frequency and combined spring stiffness

通過對各工況數(shù)據(jù)的曲線回歸，得到2次回歸公式：

y= 0.9x2+ 0.025x-2.2 。

(2)

式中:x為模型箱振動頻率，Hz；y為組合彈簧總剛度，N/mm。

在試驗中，根據(jù)該振動頻率-組合彈簧剛度回歸公式，就可以設置相應的組合彈簧形式，來模擬任意某預期的動力響應(模型箱振動頻率)。

3.2.2高速攝影儀監(jiān)測結果

試驗前測得粗彈簧原長25.5 cm，模型箱底板距離試驗臺26 cm。利用高速攝影儀捕捉試驗箱底板最大下沉位置、最大上升位置和最終位置，得到各工況模型箱振動位移曲線，如圖8—11所示。

圖8　工況1模型箱振動位移曲線

圖9　工況2模型箱振動位移曲線

圖8—11中量測數(shù)據(jù)證明本文試驗方法能夠模擬斷層錯動處最大錯動位移到遠端不動點不同錯動位移的漸變，與實際地震時斷層錯動相似。本模型試驗方法能夠更加準確地模擬實際情況。

圖10　工況3模型箱振動位移曲線

圖11　工況4模型箱振動位移曲線

4號監(jiān)測點(斷層附近)各工況下的最大錯動量、最小錯動量和最終錯動量(初始位置與各位置差值)如表4所示，可得到各工況下錯動量與組合彈簧剛度的關系曲線，并對數(shù)據(jù)進行曲線回歸，得到2次回歸公式，如圖12—14所示。

表44號監(jiān)測點錯動量

Table 4Dislocation displacements of monitoring point No. 4

mm

圖12　最大錯動量-組合彈簧剛度曲線

Fig. 12Curves of maximum dislocation displacements and combined spring stiffnesses

圖13　最小錯動量-組合彈簧剛度曲線

Fig. 13Curves of minimum dislocation displacements and combined spring stiffnesses

圖14　最終錯動量-組合彈簧剛度曲線

Fig. 14Curves of final dislocation displacements and combined spring stiffnesses

在試驗中，要想模擬任意某預期的動力響應(模型箱錯動位移量)，可以根據(jù)以上錯動位移-組合彈簧剛度回歸公式，設置相應的組合彈簧形式。

4　結論與討論

1)本文提出的試驗裝置能夠模擬活動斷層在不同錯動方向、傾角和錯動量條件下自主發(fā)震，進而模擬斷層錯動對隧道斷層區(qū)的影響，在一定程度上解決了振動臺等試驗方法中受迫振動的問題。

2)試驗裝置能夠模擬實際斷層錯動發(fā)生時，地層位移由發(fā)震斷層位置向遠端逐漸減小的過程，進而模擬穿越活動斷層長大隧道斷層段到非斷層段沿縱向的振動特性變化，解決了研究長大隧道穿越活動斷層問題模型試驗的邊界問題。

3)基于本文提出的試驗裝置和試驗方法，通過改變彈簧組的參數(shù)，包括彈簧組單個彈簧單元的剛度系數(shù)、彈簧組內(nèi)彈簧單元的個數(shù)等，可以改變試驗中斷層錯動發(fā)生時隧道及圍巖的動力響應，同時通過對試驗數(shù)據(jù)的回歸分析和驗證，可以得到振動頻率-組合彈簧剛度回歸公式和錯動位移-組合彈簧剛度回歸公式。利用上述方法進行試驗并得到公式，在相同試驗條件下可以根據(jù)公式設置組合彈簧參數(shù)，進而模擬任意預期的振動頻率和錯動位移。

本文的研究也存在不足，彈簧組參數(shù)、振動頻率和錯動量等未與實際活動斷層發(fā)震中地基剛度、地震頻率和斷層錯動位移等建立一一對應關系，需要在接下來的研究中進行完善。