崔光耀， 紀 磊， 王明年， 朱長安

(1. 北方工業(yè)大學 土木工程學院， 北京 100144； 2. 西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031；3. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；4. 四川省交通運輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 成都 610041)

隨著我國交通基礎(chǔ)工程向三高地區(qū)(高地震烈度、高海拔、高緯度)持續(xù)深入發(fā)展，強震區(qū)交通隧道大量涌現(xiàn)，如在建川藏鐵路，全線共198座隧道。高烈度地震區(qū)交通隧道的抗震設(shè)防設(shè)計正日益引起人們的關(guān)注。

洞口段和斷層破碎帶段是隧道抗震設(shè)防設(shè)計的重點段落[1-2]。硬巖洞口段受地震影響較小，軟巖洞口段震害較嚴重[3-5]。汶川地震中，軟巖洞口段甚至出現(xiàn)了襯砌垮塌的嚴重震害[6]。如何進一步提高強震區(qū)軟巖洞口段的抗震性能，是目前亟待解決的技術(shù)問題之一。

目前，隧道抗震措施主要有結(jié)構(gòu)加強和圍巖加強兩種；減震措施主要有施設(shè)減震層和減震縫兩種。抗震措施對抵抗地震慣性力作用明顯；減震措施對消減強制位移作用明顯。軟巖洞口段隧道結(jié)構(gòu)受強震影響，其所受地震慣性力和強制位移均遠大于普通段隧道結(jié)構(gòu)。因此，本文提出剛?cè)嵯酀箿p震措施(二襯加強+二襯施設(shè)減震縫)對軟巖洞口段進行抗震設(shè)防設(shè)計。二襯減震縫一般依據(jù)模板臺車長度設(shè)置(減震縫與施工縫設(shè)置在同一斷面)，減震縫內(nèi)置橡膠止水帶，同時用嵌縫膏填充減震縫背水面，用瀝青砂拌合料填充減震縫隙內(nèi)部。

國內(nèi)外專家、學者對強震區(qū)隧道洞口段抗震及減震技術(shù)進行了一定研究，主要有：依托震害資料，對隧道洞口段震害機理進行了研究[7-8]；通過大型振動臺模型試驗，對隧道洞口段地震響應(yīng)規(guī)律和特性進行了研究[9]；依托黃草坪2#隧道，對圍巖加強抗震措施(系統(tǒng)錨桿)和施設(shè)減震縫減震措施分別進行了振動臺模型試驗研究[10]；采用數(shù)值仿真技術(shù)，對隧道縱向動力響應(yīng)特性及施設(shè)減震縫減震技術(shù)進行了研究[11-13]；利用數(shù)值分析，對洞口段采用三種注漿方式(全環(huán)接觸注漿、全環(huán)間隔注漿及局部注漿)的圍巖加固抗震措施以及采用提高支護結(jié)構(gòu)剛度的抗震措施分別進行了研究[14-15]等。綜上，在隧道洞口段采用抗震措施結(jié)合減震措施進行綜合抗震設(shè)防方面研究較少，采用振動臺模型試驗進行此方面研究更鮮有報道。本文以白云頂隧道進口段為研究背景，對隧道洞口段采用剛?cè)嵯酀箿p震措施進行振動臺模型試驗研究，這對高烈度地震區(qū)交通隧道洞口段抗減震技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

1 白云頂隧道進口段工程概況

1.1 隧址區(qū)地質(zhì)條件

白云頂隧道進口段覆蓋層為第四系崩坡積層，以塊碎石土為主，充填少量砂質(zhì)粉土，Ⅴ級圍巖。覆蓋層下伏Ⅱ級圍巖，以砂巖和灰?guī)r為主，巖性堅硬，弱風化。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道采用復合式襯砌，馬蹄形斷面，跨度×高度=11.30 m×9.65 m。初支為厚25 cm的C20噴射混凝土，二襯為厚60 cm的C25模筑鋼筋混凝土。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗分組

減震縫通常依據(jù)模板臺車長度設(shè)置，本次以9 m模板臺車為例進行研究。二襯結(jié)構(gòu)分別采用C25(E為28 GPa)和C35(E為31.5 GPa)混凝土進行研究。

為研究高烈度地震區(qū)隧道洞口段采用剛?cè)嵯酀箿p震措施的動力特性和抗減震效果，試驗分組如表1所示。

2.2 試驗設(shè)備

采用三方向、六自由度大型振動臺進行試驗。臺面尺寸為：長度及寬度均為6 m，最大載重為60 t，頻率范圍為0.1～100 Hz。振動臺如圖1所示，振動臺基本參數(shù)如表2所示。

(a)臺面(b) 作動器

采用自制模型試驗箱進行試驗，試驗箱尺寸為：2.5 m(長)×2.5 m(寬)×2 m(高)。為盡可能減小激振過程中試驗箱底與圍巖的相對滑動，在箱底膠結(jié)一層碎石以增大摩擦力；為盡可能消除邊界效應(yīng)及減小激振過程中試驗箱邊壁與圍巖的摩擦力，在試驗箱邊壁鋪設(shè)15 cm厚模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，并在內(nèi)表面粘貼6020膜(聚氯乙烯薄膜)。如圖2所示。

試驗采用動力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀和動力應(yīng)變/ICP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儀進行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。測試傳感器主要有：加速度計、微型土壓力盒及電阻應(yīng)變片等。

圖3 試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Fig.3 Test data acquisition system

(a) 動力應(yīng)變采集儀(b) 動力應(yīng)變/ICP轉(zhuǎn)換儀

2.3 相似設(shè)計及相似材料

考慮到試驗的邊界效應(yīng)，并結(jié)合試驗箱尺寸，本次試驗幾何相似比取為30。加速度相似取比為1，彈性模量相似比取為45，其他參數(shù)相似比如表3所示。

圍巖主要通過河砂、粉煤灰、重晶石粉、粗/細石英砂、凡士林、松香及機油熱融混合模擬，各材料配比按正交試驗確定。初支與二襯采用石膏摻合料模擬，防水板采用聚乙烯膜模擬。二襯結(jié)構(gòu)膏水比分別為1.48(C25)和1.67(C35)。如圖4所示。

2.4 試驗動力荷載

本次試驗采用汶川地震實測波(臥龍測站)，地震波持時164.6 s，記錄間隔0.005 s。經(jīng)調(diào)幅(9度)、相似變換、濾波和基線校正，加速度時程曲線(以東西向為例)如圖5所示。

2.5 監(jiān)測斷面及測點布置

為研究隧道洞口段施設(shè)剛?cè)嵯酀箿p震措施的動力特性和抗減震效果，在洞口軟巖段設(shè)置監(jiān)測斷面-A斷面，在硬巖段設(shè)置監(jiān)測斷面-E斷面，在軟硬圍巖交接段設(shè)置三個監(jiān)測斷面，分別是B斷面(交接位置為仰拱)、C斷面(交接位置為邊墻)和拱頂(交接位置為D斷面)，如圖6所示。

圖5 加速度時程曲線(東西向)

(a) 剖面圖

(b) 俯視圖

在各監(jiān)測斷面仰拱中部內(nèi)側(cè)布置單向加速度計(J)；在拱頂外側(cè)布置微型土壓力盒(T)和縱向應(yīng)變片(ZY)；在拱頂、邊墻及仰拱中部內(nèi)外側(cè)成對布置橫向應(yīng)變片(Y)，測點布置如圖7所示。

圖7 測點布置

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 地震動峰值加速度(PGA)

提取各工況各量測斷面測點加速度時程曲線，如圖8所示(以工況3-C斷面為例)。

圖8 加速度時程曲線

由各測點加速度時程曲線提取其PGA，如圖9所示。計算各工況各測點PGA增大或減小的百分比，如表4所示。

圖9 地震動峰值加速度

由圖8和圖9及表4可知：

(1) 僅采取結(jié)構(gòu)加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段PGA增長很小，最大僅為1.95%；隨著斷面軟巖范圍的增大，PGA增大百分比不斷增大，至軟巖段最大，為7.59%。

(2) 二襯同等結(jié)構(gòu)強度、施設(shè)與不施設(shè)減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設(shè)縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點PGA變化很小，最大僅為1.55%。這說明二襯施設(shè)減震縫對減小地震慣性力方面，基本無作用。

(3) 剛?cè)嵯酀箿p震措施(工況4相對于工況1)。隧道洞口硬巖段PGA增長很小，最大僅為1.05%；隨著斷面軟巖范圍的增大，PGA增大百分比不斷增大，軟巖段最大，為9.26%。

3.2 縱向應(yīng)變

提取各工況各量測斷面測點縱向應(yīng)變時程曲線，如圖10所示(以工況2-B斷面為例)。

圖10 縱向應(yīng)變時程曲線

由各測點縱向應(yīng)變時程曲線提取峰值，如圖11所示。計算各工況各測點縱向應(yīng)變峰值的減小百分比，如表5所示。

圖11 縱向應(yīng)變峰值

由圖10和圖11及表5可知：

(1) 僅采取結(jié)構(gòu)加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段縱向應(yīng)變峰值減小較小，最大為6.19%；隨著斷面軟巖范圍的增大，縱向應(yīng)變峰值減小百分比不斷增大，至軟巖段最大，為13.36%。

(2) 二襯同等結(jié)構(gòu)強度、施設(shè)與不施設(shè)減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設(shè)縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點縱向應(yīng)變峰值減小基本一致，減小百分比在20%～30%。這說明二襯施設(shè)減震縫對減小結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變方面，作用較為明顯。

(3) 剛?cè)嵯酀箿p震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點縱向應(yīng)變峰值減小基本一致，減小百分比在30%～40%。這說明剛?cè)嵯酀箿p震措施對減小結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變方面，作用明顯。

3.3 接觸應(yīng)力

提取各工況各量測斷面測點接觸應(yīng)力時程曲線，如圖12所示(以工況4-A斷面為例)。

圖12 接觸應(yīng)力時程曲線

由各測點接觸應(yīng)力時程曲線提取峰值，如圖13所示。計算各工況各測點接觸應(yīng)力峰值的增大或減小百分比，如表6所示。

圖13 接觸應(yīng)力峰值

由圖12和圖13及表6可知：

(1) 僅采取結(jié)構(gòu)加強措施情況(工況2相對于工況1)。隧道洞口硬巖段接觸應(yīng)力峰值增大較大，最大為14.72%；隨著斷面軟巖范圍的增大，接觸應(yīng)力峰值增大百分比不斷增大，至軟巖段最大，為24.90%。支護結(jié)構(gòu)強度提高后，結(jié)構(gòu)剛度得以提高，其限制圍巖應(yīng)力釋放的作用增強。

(2) 二襯同等結(jié)構(gòu)強度、施設(shè)與不施設(shè)減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設(shè)縫后，隧道洞口硬巖段接觸應(yīng)力峰值減小較小，最大為-9.36%；隨著斷面軟巖范圍的增大，縱向應(yīng)變峰值減小百分比不斷增大，至軟巖段最大，為-17.89%。二襯施設(shè)減震縫后，結(jié)構(gòu)縱向剛度下降，致使結(jié)構(gòu)所受接觸應(yīng)力整體下降，接觸應(yīng)力峰值減小百分比在5%～20%。

(3) 剛?cè)嵯酀箿p震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點接觸應(yīng)力峰值增大百分比較小，10%以下。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況各測點二襯內(nèi)外側(cè)橫向應(yīng)變片量測數(shù)據(jù)，計算各測點截面的軸力、彎矩及安全系數(shù)，如圖14所示(以工況2-C斷面拱頂測點為例)。結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可按式(1)和(2)進行計算[16]。

矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件抗壓強度

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受壓構(gòu)件抗拉強度

(2)

式中：K為安全系數(shù)；N為軸向力(kN)；b為截面寬度(m)；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度；Rl為混凝土的抗拉極限強度；h為截面厚度(m)。

(a) 軸力

(b) 彎矩

(c) 安全系數(shù)

提取拱頂各測點安全系數(shù)時程曲線的最小值，如圖15所示。計算各工況各測點安全系數(shù)最小值的增大百分比，見表7所示。

圖15 安全系數(shù)最小值

由圖14和圖15及表7可知：

(1) 僅采取結(jié)構(gòu)加強措施情況(工況2相對于工況1)。結(jié)構(gòu)加強后，隧道硬巖洞口段所受地震慣性力及強制位移變化很小，支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值增大百分比較大，在55%～65%；隨著斷面軟巖范圍的增大，支護結(jié)構(gòu)所承受的地震慣性力增長較快，結(jié)構(gòu)內(nèi)力增長較快，結(jié)構(gòu)安全性能增速減緩，至軟巖段降至30.40%。

(2) 二襯同等結(jié)構(gòu)強度、施設(shè)與不施設(shè)減震縫情況(工況3相對于工況1、工況4相對于工況2)。設(shè)縫后，隧道洞口段全段各量測斷面測點安全系數(shù)最小值增大基本一致，增大百分比在40%～55%。這說明二襯施設(shè)減震縫對提高隧道洞口段結(jié)構(gòu)的安全性，作用明顯。

(3) 剛?cè)嵯酀箿p震措施(工況4相對于工況1)。采取措施后，隧道洞口段全段各量測斷面測點安全系數(shù)最小值增大在85%～145%。這說明剛?cè)嵯酀箿p震措施對提高隧道洞口段結(jié)構(gòu)的安全性，作用顯著。

4 結(jié) 論

(1) 僅采取結(jié)構(gòu)加強情況。各量測斷面測點PGA變化較小，最大為7.59%；縱向應(yīng)變峰值減小百分比在5%～15%；接觸應(yīng)力峰值增大百分比在10%～25%；安全系數(shù)最小值增大百分比在30%～65%。結(jié)構(gòu)加強在抵抗地震慣性力方面有明顯作用，抗震效果明顯。

(2) 二襯同等結(jié)構(gòu)強度、施設(shè)與不施設(shè)減震縫情況。各量測斷面測點PGA變化很小，最大僅為1.55%；縱向應(yīng)變峰值減小百分比在20%～30%；接觸應(yīng)力峰值減小百分比在5%～20%；安全系數(shù)最小值增大百分比在40%～55%。減震縫在消減強制位移方面有明顯作用，減震效果明顯。

(3) 結(jié)構(gòu)加強并施設(shè)減震縫情況(剛?cè)嵯酀?。隧道洞口段全段PGA減小百分比在10%以下；縱向應(yīng)變峰值減小百分比在30%～40%；接觸應(yīng)力峰值減小百分比在10%以下；安全系數(shù)最小值增大百分比在85%～145%。這說明剛?cè)嵯酀箿p震措施對提高隧道洞口段結(jié)構(gòu)的安全性，作用顯著。