高聚物外包盾構隧道離心機振動臺試驗研究

馬 雪，王復明，郭成超，張繼春

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.中山大學土木工程學院，廣東 廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點實驗室，廣東 廣州 510275；4.廣東省地下空間開發工程技術研究中心，廣東 廣州 510275）

引言

已有很多學者研究了隧道減震防災［1］，特別是外包減震層這種減震方法。日本東京大學Kim 等［2］在揭示隧洞徑與減震層厚比，土模量，剪切剛度比，泊松比與減隔震效果的關系，得出低泊松比材料的減震效果良好。在國內，蔣樹屏等［4-5］通過振動臺模型試驗，研究了地震波輸入頻率、減震層剛度和減震層阻尼等參數對隧道減震效果的影響。王明年等［6-7］也研究了減震層厚度、減震層彈性模量和地震波頻率等參數對隧道減震效果的影響，并得出低頻時有減震層的優厚度；當采用柔性襯砌時，減小減震層的彈性模量減小，顯著提高減震效果。高峰等［8］分析了在隧道施工中設置減震層和注漿加固圍巖這兩種減震措施的減震效果、適用條件及其減震機理。耿萍等［9］開展了穿越斷層破碎帶隧道設置減震層的振動臺模型試驗研究。外包層減震是屬于隧道的一種橫向減震模式，常用的橫向減震裝置主要包括：減震器、板式減震層和壓注式減震層等［10］。減震器一般由提供剛度的彈簧和提供阻尼的橡膠材料組成，主要有承壓式減震器、承剪式減震器之分。對于板式減震層，是將減震材料制成板材，以便于現場施工［10］。壓注式減震層是將液狀材料與硬化添加劑一起壓注到圍巖與襯砌之間的間隙內，硬化后就形成減震層，比如聚氨酯［2，11］，橡膠［12］，泡沫混凝土［13-14］，瀝青質材料［15］，閉孔泡沫鋁［16］等。與其他材料相比，高聚物快速成型，凝期極短，施工方便，占據施工面積小等優點，但高聚物材料在國內的應用起步較晚，最初是用于道路面板脫空的無損修復等。而高聚物更為先進，具有質量輕、早強、工期短、膨脹力大、防滲性能好、非開挖、無毒無害、不會發生霉變或腐爛等諸多優點，目前王復明院士團隊結合我國道路、土石壩、給排水管道等基礎設施的結構特點及病害特征，以非水反應雙組份高聚物材料為基礎，已經研發出整套注漿系統及無損修復技術。高聚物已在土石壩防滲、隧道堵水［17］、道面修復［18，19］、地基修復抬升［20］、管道修復［21］等工程實踐中得到了廣泛的應用研究，但此材料應用于地下結構的減震的研究還較少。為更好理解高聚物對地下隧道的減震作用，文中基于高聚物外包盾構隧道開展了離心機模型動力試驗研究，有關結果進一步證明了高聚物能提高地下工程的減震性能，為高聚物外包盾構隧道減震理論研究與高聚物注漿減震工程設計提供了參考。

1 模型試驗設計

1.1 試驗原理

離心機模型試驗是使用高速旋轉離心機，在土工模型上施加n倍重力的離心慣性力，以補償因比例縮小n倍，而應力相應減小n倍的應力損失。土工離心模型試驗最大特征是模型再現了原型的應力水平和狀態，即模型土體和結構物中應力水平與原型應力水平完全相等，應力狀態完全一致，從而在模型中重現原型的受力變形特征和破壞模式。

1.2 相似比設計

離心機振動臺模型試驗中，相似比例問題有原型結構與模型結構的相似、原型場地與模型場地的相似、場地土模型與地下結構模型相似比例的匹配。相似比例問題首先來源于振動臺設備能力的限制。考慮到離心機性能、模型箱尺寸、模型大小，此次離心機振動臺模型試驗的離心機加速度設計為50 g。襯砌結構是一個彈性圓柱殼體結構，既受彎曲應力，又受軸力。彎曲變形和軸向變形的控制方程不相同。具體的推導過程詳見周小文和孫玲玲的研究［22-23］，在模型的橫截面尺寸和原型滿足1/n的關系下，

彎曲應力相似準則：

軸向應力相似準則：

式中：σ，h，n分別為襯砌應力、厚度、泊松比；下標p，m 分別對應原型與模型；n為離心模型相似率即加速度值。

1.3 試驗設備

1.3.1 土工離心機

試驗采用浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點試驗室的ZJU 400土工離心機設備。離心機設備主機由吊籃、轉臂、支座、連軸器、減速器、傳動軸、調速電機及控制器等組成。最大運行能力為400 g·t，最大離心加速度為150 g。

1.3.2 振動臺

本次試驗所采用的離心機振動臺為電液伺服液壓驅動式，此振動臺是浙江大學與日本Solution 公司聯合研發，能實現水平單向振動，主要由電液激振系統、蓄能器、高壓油源、管路系統、測試系統和控制系統等組成。

1.3.3 模型箱

試驗所用模型箱為疊環式層狀剪切模型箱，內部尺寸為600 mm×350 mm×400 mm（長×寬×高）。剪切箱由20層中空鋁環組成，相鄰兩環最大相對位移可達5 mm。

1.4 試驗材料及盾構隧道模型的制作

1.4.1 試驗材料

試驗材料包括圍巖材料和結構材料。圍巖材料采用福建標準砂、結構材料選用鋁合金管和高聚物。高聚物是多元醇和異氰酸酯反應產生的發泡聚合物，產生的發泡體密度可由注入模具的原料質量調整。本次試驗選用的高聚物密度是0.3 g·cm-3。試驗材料的物理力學參數如表1和表2。

表1 福建標準砂力學參數Table 1 Parameters of Fujian standard sand

表2 高聚物和鋁合金管參數Table 2 Paramters of polymer and aluminium tube

1.4.2 隧道模型的制作

鋁合金的變形性能比較好且易于加工，而且便于收集應變的信號，因此本次試驗選用鋁合金管為隧道模型。為了分析高聚物是否外包盾構隧道模型的對比效果，同時鑒于剪切模型箱內部尺寸有限，故隧道模型的長度最終選取為110 mm，兩個隧道模型總長220 mm。鋁管的外徑為120 mm，根據比尺關系，相當于原型中外徑為6 m 的隧道。假定原型隧道的管片厚度為0.35 m，模型隧道的厚度根據彎矩比例關系求得。隧道管片有2 種受彎形式：一種為橫向受彎；一種為縱向受彎。文中考慮的是橫向減震，所以選取彎曲變形控制，彎曲變形也是地震作用下的主要變形，因此在進行模型的壁厚設計時，應以原型和模型彎曲變形相似為準則。離心機試驗模型與原型中隧道管片厚度的相似關系為［22-23］：

式中：h，E，n分別為厚度、彈性模量、泊松比；下標p，m 分別對應原型與模型；n為離心模型相似率即加速度值。計算出鋁合金管的厚度約為5 mm。

根據此材料前期研究成果［24］，非水反應雙組分高聚物外包層的厚度為200 mm時，其減震效率和造價相對最優。根據相似比，模型尺寸為4 mm。高聚物外包隧道模型采用對開模具制備，如圖1所示，模具內徑110 mm，高110 mm，模具上部有4.5 mm注漿孔與注漿槍頭連接，模具中部有排氣孔。在注漿前，將隧道模型按入預制卡槽中。用噴槍注入高聚物原料（多元醇和異氰酸酯），快速反應并膨脹，均勻充填于模具內部，同時排出模具內部的氣體。注入模具的高聚物混合原料重量太少，雖然能達到0.2 g·cm-3的減震層最優密度［14］，但是重量太少反應不充分；注入重量過大，雖然反應充分，但形成密度過高的高聚物層，不利于減震。經過多次嘗試，注入混合原料為64.32 g時，在隧道模型外形成密度為0.3 g·cm-3的高聚物外包層。

圖1 一套對開模具（單位：mm）Fig.1 A set of mold（unit：mm）

1.5 傳感器布置及模型制備

模型尺寸、加速度計和應變片位置，見圖2。襯砌內部貼上加速度計測試襯砌內壁水平向加速度。由于高聚物注漿膨脹時會放熱，考慮到應變片不受放熱影響，所以只在隧道襯砌的內壁貼應變片。在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和仰拱8處貼應變片，見圖2（b）。

圖2 模型傳感器布置Fig.2 Illustration of the test configuration

試驗采用砂雨法制備干砂模型，落距與相對密度標定曲線如圖3所示。模型相對密度設定為58%，落距為60 cm。

圖3 相對密度－落距關系曲線Fig.3 Relationship between relative density and drop height

2 試驗結果與分析

本節列出了測量結果并進行了簡要的討論，為了與工程實際、理論原型比較，離心機試驗所得的結果轉換成原型尺度進行分析和總結。

2.1 加速度反應

2.1.1 臺面加速度

地震波波形采用2008 年汶川地震中臥龍觀測站、正弦波形和1999年中國臺灣集集地震的加速度記錄，3種波形具有不同峰值加速度和不同頻譜特征。實測臺面加速度峰值介于5～10 g，其三者的峰值加速度分別為5.2、6.9 和9.2 g，原型加速度峰值介于0.104、0.138、0.184 g，模擬抗震烈度為7 度～8 度地震。其原型時程曲線如圖4所示。其三者地震波的主頻為2.32，1.36，1.26 Hz，由于篇幅，這里并未展示其頻譜圖形。

圖4 振動臺臺面加速度（原型）Fig.4 Acceleration of shaking table（prototype）

2.1.2 有無高聚物外包層隧道襯砌加速度對比

在圖5（a）中，加速度時程曲線數據來自于圖2（a）的加速度計Acce2和Acc5，由圖5（a）可知，在無高聚物外包層時，加速度時程曲線波形和峰值較為相近；由圖5（b）可知，二者的頻譜也類似。說明高聚物外包隧道后，并未減小隧道模型加速度反應。兩種工況下隧道的慣性力沒有太大區別，就圍巖加速度而言，減震層并未減少結構動力響應。在輸入正弦波和集集波時，加速度計Acc2和Acc5的信號數據也呈現同樣的規律，說明高聚物外包層并未吸收或過濾地震波。

圖5 隧道襯砌上時程曲線和傅氏譜Fig.5 Time histories and Fourier amplitude spectra of horizontal acceleration response of tunnel shield

2.2 隧道應變幅值動力特性

為了更好地研究隧道動力特性，文中選取監測隧道斷面各點峰值動應變作為研究對象。當輸入臥龍波、正弦波和集集地震波后，選取隧道各部位動應變峰值繪制成圖，如圖6所示。為了便于分析，當離心重力加速度升到50 g后，隧道各點的應變值歸零。在此基礎上，施加地震激勵。可以發現，隧道的拱肩和拱腳的動應變峰值最大，呈45°±90°方向分布。3個地震波中，集集地震的峰值加速度最大，隧道上的動應變峰值也最大。圖6 左側和右側分別是未設置高聚物外包層和設置高聚物外包層動應變峰值，為了定量比較高聚物外包隧道模型后的減震效果，提出了減震率γ，見式（3）：

圖6 隧道模型不同部位動應變峰值（10-6）Fig.6 Peak strains on different locations of tunnel models（10-6）

式中：ε1是無高聚物外包層時的應變值：ε2是有高聚物外包層時的應變值。

由表3 可知，臥龍波、正弦波和集集波輸入時，各點的平均減震率為32.44%、30.93%和30.65%，三者的平均減震率都大于30%。由動應變結果可知，高聚物外包層可以有效降低隧道管片動力響應，改善其受力狀態。

表3 應變峰值減小率Table 3 Reduction rate of peak strain %

由加速度、頻譜和隧道結構動力響應結果可知，隧道的動力響應特征并非由隧道受力振動決定，而取決于圍巖和隧道的變形。由隧道模型結構動力響應可推測，隧道的變形模式呈X型變形（圖7），沒有高聚物外包層時的變形量Δ1，而有高聚物外包層的變形是Δ2，Δ1＞Δ2。減震層的減震機理是吸收土體變形，從而減少了變形從土體向隧洞傳遞。前人對于其他材料的減震機理也有描述，泊松比、減震層厚度，土體的剛度都對減震效果起到很重要的作用［2］。

圖7 減震層減震機理Fig.7 Mechanism of isolation layer on seismic isolation

2.3 沉降對比

在地表變形監測中，激光位移計1遠離結構，激光位移計2在無高聚物外包層的隧道上方，激光位移計3在有高聚物外包層隧道上方（見圖2）。由圖8可知，三者的沉降趨勢類似，在數次地震激勵后，三者最終沉降都不大于0.25 m，受結構的影響隧道上方地表沉降都小于自由場的沉降。受高聚物外包層的影響，有外包隧道上方地表的沉降小于無外包隧道上方的地表沉降。高聚物外包層隧道上方地表的最終沉降分別比無外包隧道模型和自由場地表沉降約小20%和50%。高聚物層替換了原隧道周圍的砂土，使得相對應的砂土區域的模量加強，有高聚物外包隧道頂部的地面沉降變小。

圖8 不同部位地表沉降Fig.8 Settlement of different locations

3 結論

文中針對高聚物外包和無外包盾構隧道模型，采用離心機振動臺，進行動力響應對照試驗。得到以下結論：

（1）在同一地震波激勵工況下，有高聚物外包層并未減小盾構隧道模型加速度反應，有外包的隧道頻譜與無外包層的隧道頻譜相差不大，說明高聚物外包層并沒有明顯減小峰值加速度，也沒有濾波作用。

（2）無論有無高聚物外包層，盾構隧道的拱肩和拱腳的應變峰值絕對值比其他部位大，隧道類似X 型變形模式。從抗減震角度考慮，拱肩和拱腳處應采取加強措施。對于無高聚物外包的隧道模型，其地震反應大于有高聚物外包的隧道模型。與無外包的隧道模型各點動應變相比，在臥龍波、正弦波和集集波作用下，有高聚物外包層的盾構隧道模型動應變減小率分別為32.4%、30.93和30.65%。

（3）盡管自由場、有高聚物外包隧道頂部和無外包隧道頂部的地表沉降都很小，且相差不大。但有高聚物外包層隧道的頂部地表沉降最小，說明在中密砂土地層中，由于高聚物外包和隧道結構的影響，其上方地表沉降最小。

（4）試驗結果表明：離心機振動臺試驗證明在中密砂土地層中，高聚物對盾構隧道有橫向減震作用，數值模擬分析也證明在巖層中也有相似效果［24］。此次試驗結果對高聚物應用于盾構隧道減震設計有一定的參考價值，在設計施工方案設定時，根據實際情況，酌情調整。