高烈度區(qū)雙洞隧道洞口段地震響應分析與振動臺模型試驗

皇 民，苑俊杰，趙玉如，畢潔同，王 松

(河南工程學院土木工程學院, 河南 鄭州 451191)

0 引言

近年來強震的持續(xù)活動，導致許多隧道地下結構受損嚴重，如2008年的汶川地震使得附近很多隧道塌方，致使多條交通線中斷,其中隧道洞口段震害尤其嚴重[1-5]。而當前國內對隧道地下結構的抗震研究不足，隧道地下結構抗震規(guī)范中關于地下結構的條文不夠深入和具體，不能適應強震區(qū)隧道工程的需要[6-8]。

隧道洞口段是抗震的薄弱環(huán)節(jié)[4]，隧道洞口段抗震研究中，采用三維數(shù)值分析一直是一種比較有效的研究手段，且國內外學者已經(jīng)取得了較多成果，但由于巖土非線性本構模型以及地震動力方程的復雜性，數(shù)值分析的局限性也較大，難以獲得令人滿意的隧道地震響應結果，因此目前振動臺模型試驗仍舊是研究隧道抗震的可靠手段。國內外一些學者利用地震振動臺進行了山嶺隧道洞口段模型試驗，且獲得了一定的研究成果。李育樞等[9]對黃草坪2#隧道洞口段進行了減震模型試驗，發(fā)現(xiàn)從隧道模型洞口內48～60 m后，隧道地震響應趨于穩(wěn)定，該范圍是隧道洞口段抗震設防重點范圍。蔣樹屏等[10]對嘎隆拉隧道洞口段進行了振動臺試驗研究，得出了地震作用下，隧道結構與巖土為同步震動，地震慣性力對隧道地震反應作用較小的結論，因此隧道地下結構抗震關鍵為隧道巖土體的穩(wěn)定；陶連金等[11]對軟弱圍巖中的山嶺隧道洞口段動力模型進行試驗研究，試驗表明除了隧道襯砌結構之外，洞口仰坡也是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。

以上研究都是針對單洞隧道洞口段的情況，而針對雙洞隧道洞口段的地震分析與試驗尚不多見。本文擬以雅瀘高速扯羊雙洞隧道洞口段為例，運用數(shù)值分析和模型試驗相結合的手段，系統(tǒng)研究雙洞隧道洞口段震害特征與工程應對措施。

1 工程概況

雅安至瀘沽高速公路所處線路位置為強震斷層，烈度最高為九度。其中扯羊隧道是雅瀘高速公路通過彝海鄉(xiāng)與曹古鄉(xiāng)之間山體而設計的分離式路基隧道,左線全長1 755 m，右線全長1 730 m，最大埋深約為242 m。隧道計算參數(shù)如表1所示。

2 建立洞口段數(shù)值模型

以扯羊隧道雅安端洞口為模型，采用FLAC3D軟件建立洞口段模型，共99 070個單元，節(jié)點105 714個(圖1)。模型縱向長120 m，橫向長187 m，高度165 m；邊界條件采用黏動力邊界；圍巖本構關系采用摩爾庫倫塑性模型，隧道襯砌采用彈性本構；地震波輸入采用應力波輸入，首先將加速度地震波積分為速度和位移波并與圍巖波阻抗相乘可得到地震應力波，應力波輸入時間間隔為0.02 s。

圖1 隧道洞口段分析模型Fig.1 Tunnel entrance model

隧址位于九度地震帶，地震波采用四川省地震局提供的以危險性概率分析得到隧道基巖人工波(圖2)。

圖2 隧道地震波加速度Fig.2 Acceleration of seismic wave

對地震波進行三維頻譜分析，如圖3所示?？梢钥闯觯旱卣饡r程5 s、10 s和15 s對應的能量密度較高，且頻率在12 Hz以內，表明地震波能量是以低頻波為主。

圖3 地震波時頻分解三維圖Fig.3 Three dimensional map of time frequency decomposition of tunnel wave

地震波中除了測量和計算原因之外，還存在一定的干擾誤差，若不校正，會導致計算結果產(chǎn)生偏差。因此，需要對原始地震波進行基線校正[12-14]。在此采用MATLAB工具箱，對原始地震波進行修正，修正前后的地震波如圖4、圖5所示。

圖4 修正前的地震波位移時程Fig.4 The original displacement time history

圖5 修正后的地震波位移時程Fig.5 The corrected displacement time history

3 數(shù)值計算結果

由于左右兩隧道數(shù)值分析結果基本呈對稱分布，在此以右洞隧道為例加以說明。右洞隧道在地震波作用下的峰值位移沿隧道縱向距離變化情況如圖6所示，峰值內力沿隧道縱向距離變化情況如圖7～圖9所示。

圖6 橫向位移沿縱向變化圖Fig.6 Horizontal displacement changes along longitudinal distance

圖7 峰值彎矩沿縱向變化圖Fig.7 Bending moment changes along longitudinal distance

圖8 峰值軸力沿縱向變化圖Fig.8 Axial force changes along longitudinal distance

圖9 峰值剪力沿縱向變化圖Fig.9 Shear force changes along longitudinal distance

數(shù)值分析計算結果表明：

(1)明暗洞交接處位移較大，且在仰拱位置出現(xiàn)X方向位移最大值12.40 cm，拱頂處最小為11.34 cm，所有控制點的橫向位移隨埋深增大而趨于減小；

(2)隨著隧道埋深增加，內力總體上逐步增加。但在里程64 m為隧道明洞暗洞交接處，隧道內力和位移均出現(xiàn)突變，其中彎矩突變情況最明顯，左墻角彎矩值最大達到44.56 kN·m；

(3)隧道仰拱處地震作用下的位移較大，而墻腳處內力較大，仰拱與墻腳處在隧道抗震中是較為不利的位置；

(4)右洞左側與左洞右側的位移內力較大，表明在地震作用下雙洞隧道之間存在一定的動力相互作用。

4 模型試驗

模型試驗方案設計內容包括：計算相似參數(shù)、設計模型材料，加工試驗模型，制作模型試驗箱，選用振動臺設備、加載地震波，試驗量測與數(shù)據(jù)分析。

4.1 試驗相似參數(shù)設計

根據(jù)相似理論[15]，以扯羊隧道洞口段為原型，依據(jù)試驗條件以及數(shù)據(jù)采集需要，在幾何長度、密度、質量等參數(shù)中，可以設定其中兩個作為獨立參數(shù)，按照設定的相似比推算出其他各參數(shù)的相似比。綜合試驗條件且參考其他相關文獻，本次試驗確定模型幾何相似比為1∶30[9-11]。隧道地震研究中一般設定泊松比μ、結構應變ε、材料摩擦角φ三個參數(shù)相似比為1，相似準則計算中需要考慮的其他參數(shù)主要包括：物體幾何尺寸L、物體質量M、物體密度ρ、時間T、結構荷載F、結構剛度K、結構應力σ、物體彈模E、結構振動頻率f、速度v、加速度a、結構阻尼系數(shù)c一共12個參數(shù)，其中基本量綱參數(shù)為3個，可得量綱矩陣式如下：

(1)

由上述矩陣推導出如下方程組：

(2)

求解(2)式可獲得如下π矩陣：

(3)

對該π矩陣進行計算可得到9條獨立的π項公式，即9條相似準則，進而可得到試驗中主要物理量的相似關系如表2所示。

表2 主要參數(shù)相似關系Table 2 Similarity ratio of main parameters

4.2 模型試驗材料制備

根據(jù)正交試驗進行設計，采用機油、河砂及粉煤灰混合材料作為隧道圍巖相似材料[16]。配制材料比例為機油∶河砂∶粉煤灰=1∶3∶6。試驗采用細度模數(shù)為1.7～2.0的細砂和二級F類粉煤灰，其中粉煤灰主要用于調節(jié)模型材料的容重以使其滿足相似參數(shù)要求。

隧道襯砌結構設計標號為C25，厚0.5 m，相似材料擬采用石膏，按照相似關系計算其厚度為17 mm。制作襯砌相似材料時可以摻入少量重型材質以增加其密度。

經(jīng)過反復試驗和對比，確定隧道襯砌相似材料配制比例為石膏∶石英砂∶水∶重晶石=10∶10∶13∶18。

隧道圍巖相似材料的性質如表3所示。

表3 隧道圍巖相似材料參數(shù)Table 3 Property parameters of similar materials in tunnel surrounding rock

隧道襯砌相似材料參數(shù)如表4所示。

4.3 模型試驗振動臺設計

試驗振動臺采用德國SCHENCK產(chǎn)品，幾何尺寸為2.5 m×2.5 m，最大載荷100 t，加載加速度峰值為1個重力加速度，臺面在豎向和水平方向最大位移值為50 cm，承載頻率0.1～30 Hz。臺架主體為格柵結構，由鋼板焊接并在局部進行加強(圖10)?？刂葡到y(tǒng)采用32通道動態(tài)數(shù)字信號測試系統(tǒng)。

表4 隧道襯砌相似材料參數(shù)Table 4 Property parameters of similar materials of tunnel lining

圖10 振動臺Fig.10 Platform table

4.4 模型箱的設計

為了減小反射波對模型邊界的影響，模型箱制作時應盡量降低邊界效應[13]，其設計要求為：結構強度高，足夠穩(wěn)定；邊界條件接近原型圍巖的地震響應情況。

綜合試驗各項要求，確定模型試驗箱高度為2 m，橫向與縱向長度均為2.5 m(圖11)。模型箱采用剛性固定邊界，其內側鋪設聚苯乙烯板厚度為10 cm，以降低地震反射應力波對研究的干擾。

圖11 模型箱與試驗裝置Fig.11 Model test box and loading device

4.5 模型試驗監(jiān)測

試驗目的為觀測隧道震害并分析結構震害機理和原因，在此基礎上綜合評價結構地震響應情況。試驗量測內容主要包括加速度、應變記錄和模型破壞觀測。監(jiān)測斷面情況見圖12。其中斷面1位于距離隧道洞口0.3 m處，斷面3位于距離隧道另一端0.3 m處，斷面2處于斷面1和斷面3的中間中心位置。其中1斷面為觀測主斷面，其余兩斷面為輔助斷面。在隧道襯砌內外側對稱粘貼應變片，以監(jiān)測應變應力值，應變片采用5 mm×2 mm泊式膠基電阻應變片，以半橋式進行觀測。同時在隧道模型距洞口20 cm處及振動臺上安設結構加速度計，通過結構加速度曲線的變化，反演模型圍巖的地震響應。

圖12 隧道模型監(jiān)測測點布置圖Fig.12 Map of monitoring point of tunnel model

試驗中隧道模型如圖13所示。在隧道模型試驗激振過程中，利用高速數(shù)據(jù)采集儀對隧道襯砌振動時的振幅進行分析。

圖13 隧道試驗模型Fig.13 Tunnel model for test

4.6 地震波加載方案

表5為試驗地震波加載方式，分六次對隧道模型橫向加載，輸入加速度峰值逐級提高。

表5 地震波加載情況Table 5 Loading conditions of seismic waves

4.7 模型動力特性測試

試驗前應對振動臺臺面輸入小振幅白噪信號，用以測試模型動力特性，測試情況如圖14、圖15所示，由圖可知模型系統(tǒng)的自振頻率為5.74 Hz。

圖14 模型加速度響應Fig.14 Model system acceleration response curve

圖15 模型加速度響應傅里葉譜Fig.15 Model system acceleration Fourier spectrum

4.8 模型土及隧道結構開裂情況

在六次激振過程中，隧道襯砌結構表面未出現(xiàn)明顯裂縫，墻角與仰拱等局部處有輕微裂紋，兩個模型交接處也有細小開裂現(xiàn)象(圖16)。

圖16 地震后隧道襯砌開裂情況Fig.16 Cracks of tunnel lining after earthquake

在震動過程中模型土表面出現(xiàn)了較多裂紋(圖17)。裂紋首先從距隧道拱頂兩側45°位置沿模型土向上發(fā)展，裂紋發(fā)展的主要原因是模型土與結構的相互作用；左洞右側與右洞左側的模型圖開裂情況更加嚴重，表明雙洞隧道之間在地震作用下存在有較強的動力相互作用，試驗結論與之前的數(shù)值分析結果相一致。

圖17 地震后模型圍巖開裂情況Fig.17 Cracks on soils surface of model after earthquake

隧道模型拱頂與仰拱監(jiān)測點的地震響應如圖18、圖19所示。

圖18 襯砌拱頂應變Fig.18 Strain of lining vault

圖19 襯砌仰拱應變Fig.19 Strain of the invert arch of lining

由圖可知：仰拱處的應變峰值為93高于拱頂處應變峰值71(應變值單位為1×10-6)，兩者數(shù)值比較接近而方向相反，表明兩者在地震中存在錯動響應，易導致隧道襯砌剪切破壞；各監(jiān)測點的應變曲線在地震響應中存在較小的偏差，并保持到地震停止，表明襯砌在地震響應中產(chǎn)生了永久的附加應變。為了真實反應襯砌在地震響應中的應變曲線，需要剔除襯砌靜應變的影響，在此設定隧道動應變?yōu)樗淼揽倯儨p去隧道靜應變，并定義相對動應變?yōu)樗淼绖討兣c隧道靜應變之比。分析表明：襯砌總應變隨距離洞口的距離增大而增大，襯砌相對動應變則隨距離洞口的距離增大而減小。其原因是埋深的增大加強了圍巖對隧道襯砌的約束作用，減弱了地震作用對襯砌的影響，因此較大的隧道埋深對隧道洞口的抗震是有利的。

5 結論

(1)地震作用下，隧道仰拱橫向位移較大，隨著隧道埋深增加，各監(jiān)測點位移及隧道襯砌相對動應變均趨于減小。

(2)隨著隧道埋深增加，內力逐步增加。其中墻角部位內力較大，屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)。

(3)強震作用下，洞口處隧道圍巖產(chǎn)生貫通性裂縫，影響洞口穩(wěn)定，應針對洞口采取有效的加固措施。

(4)地震作用下的明洞與暗洞交接處存在內力和位移的突變，為抗震薄弱環(huán)節(jié)。

(5)左洞隧道的右側與右洞隧道的左側應變高于其他兩側，說明試驗模型中的雙洞隧道之間在地震作用下存在一定的地震動力相互作用。