穿越斷層隧道鋼筋橡膠接頭振動臺試驗研究

閆高明， 申玉生， 高 波， 隋傳毅， 鄭 清， 周鵬發(fā)

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室 土木工程學院, 成都 610031；2. 北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044)

隧道通常被認為具有較好的抗震性能，但是國內外歷次地震表明隧道也會遭到嚴重的破壞[1-2]。例如1999年臺灣集集地震中，臺灣中部距發(fā)震斷層25 km范圍內就有44座隧道受損，嚴重受損者達25%，中等受損者達25%[3]。2008年汶川地震中，多達30座隧道受到損害[4]。這些地震中穿越斷層的隧道往往破壞最為嚴重。例如，2008年汶川地震，龍溪隧道，龍洞子、紫坪鋪隧道等幾個破壞最為嚴重的隧道都穿越了斷層。因此，穿越活動斷層的分析和及其抗減震措施的研究是高烈度地震區(qū)隧道工程建設的一個難以回避的重要問題。目前，國內外針對穿越斷層的隧道的抗減震措施已經(jīng)做了大量研究，提出隧道的減震措施主要有擴挖，設置減震層，設置減震縫[5-10]。單獨采用橫斷面擴挖的方式必將導致隧道開挖面過大(圖1)且不利于襯砌結構安全性的問題。而設置減震層對于隧道受斷層的錯動的影響較小，如圖2所示。設置減震縫的措施雖保證了隧道的破壞由整體變?yōu)榫植?，但是因為是?jié)段處的完全斷開，容易造成某位置發(fā)生剪切變形大甚至錯臺，故不利于震后交通盡快的搶修運營。

圖1 隧道擴挖受斷層錯動影響示意圖

圖2 隧道設置減震層受斷層錯動影響示意圖

近年來，有學者提出了柔性接頭的設計[11-12]。在隧道穿越斷層處，設置接頭后，襯砌節(jié)段能夠通過自適應變形適應地震造成的強制位移，襯砌發(fā)生階梯式位移，減小了應力集中(圖3)，同時保證隧道發(fā)生局部破壞。雖然柔性接頭的理念已有人提出，但是具體的接頭形式以及設置接頭隧道的地震響應特征和破壞形態(tài)的模型試驗還鮮有人研究。振動臺模型試驗則能夠較好地控制試驗條件，模型尺寸比例相比離心機試驗也更大，是目前一種有效的研究手段。

圖3 隧道設置柔性接頭受斷層錯動影響示意圖

本文提出一種新型的鋼筋和橡膠相結合的接頭形式，通過振動臺試驗研究設置此新型接頭的山嶺隧道的地震響應特征和破壞形態(tài)，為隧道結構特別是高烈度地震區(qū)穿越活動斷層隧道的抗減震設計提供必要的理論參考和技術支持。

1 接頭設計

傳統(tǒng)隧道的防震害措施主要是基于對地震動的“抗”和“減”，都是屬于被動的設計思路，本文基于“引”，“讓”的這種主動防御震害的設計思路[13-14]，提出一個鋼筋和橡膠層相結合的接頭方式。本文所提出接頭主要由鋼筋和橡膠層組成，如圖4所示。接頭位置處設置鋼筋搭接，同時用柔性橡膠填充，使接頭具有橡膠的柔性和鋼筋的延性，命名此接頭為鋼筋橡膠接頭。設計該接頭的剛度小于襯砌節(jié)段的剛度，地震作用時，由于接頭的柔性和延性，斷層區(qū)域襯砌節(jié)段之間可以先通過自身的自適應移動釋放部分地震動能量，減小對襯砌本身的影響。大震時，由于該接頭的剛度相對較低，具有一定的延性，可以將地震動的能量“引”到節(jié)段間消散一部分能量，接頭破壞使隧道的破壞局部化，更有利于震后的快速搶修。

2 振動臺模型試驗

2.1 背景工程概況

本系列試驗以在汶川地震中受損嚴重的龍溪隧道為背景工程。龍溪隧道位于岷江左岸都江堰龍溪鎮(zhèn)—汶川映秀鎮(zhèn)間的茶坪山以南地段，地形起伏較大，受岷江切割，隧道軸線走向北西，越嶺山脊走向北東，與軸線大角度相交?？傮w上隧道區(qū)內嶺脊兩側溝谷發(fā)育，山體地形破碎，顯示為溝谷相間的地貌形態(tài)。隧道洞身段穿越F8斷裂，地層走向總體表現(xiàn)為北東東，傾向北西，傾角50°～80°。F8 黏滑斷層破碎帶為V級圍巖，斷層上下盤圍巖均為IV級圍巖。試驗中模擬斷層寬度為3 m，隧道寬9.20 m，高8.04 m。

2.2 振動臺設備介紹

本次試驗所用振動臺為西南交通大學陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室振動臺，地震模擬振動臺面尺寸為8 m×10 m，負載能力160 t，具體技術參數(shù)如表1所示。

表1 振動臺參數(shù)

本次模型試驗隧道模型在剛性模型箱(2.5 m×2.5 m×2 m)中進行，模型試驗箱由鋼板和角鋼焊接而成，用高強螺栓固定在振動臺上，在模型箱內部的四周放置EPS土工泡沫材料，以用來吸收邊界反射的震動能量，減小隧道模型邊界效應的影響。在模型箱底部鋪設一層砂漿混凝土墊層，增大模型箱底部與模型土的摩擦，防止試驗中模型箱與圍巖模型發(fā)生相對位移。

2.3 模型相似材料參數(shù)及制備

模型試驗的相似材料是試驗的關鍵，只有準確模擬出實際隧道周圍的地質條件參數(shù)，有效的數(shù)據(jù)才可以被獲得。根據(jù)背景工程的設計圖紙以及試驗的條件，本次試驗選取的基本量綱是幾何尺寸、密度和彈性模量，其相似比分別為1∶30，1∶1.5，和1∶45，其他物理量相似參數(shù)根據(jù)Bukingham π定理計算得到，具體值如表2所示。

表2 振動臺試驗相似關系

試驗中，重力加速度的相似比應該為1，因為試驗的重力條件與實際隧道的條件一致；應變相似比應該為1，因在實際工程中，試驗與原型的應變特性和動力響應應該是一致的。

在選擇圍巖和襯砌相似材料時，一般應符合下列基本要求：① 均勻性、各向同性和連續(xù)性；② 模型與原型材料泊松比相同或相近,其它力學性質相似；③ 改變材料的配比可使材料力學性質在一個較大范圍內變化；④ 材料相互間不會發(fā)生化學反應。圍巖相似材料一般由骨料、膠結材料和輔助材料三類材料組成。本試驗選擇圍巖相似材料的原材料選擇河沙作為骨料，主要是由于其自身的均勻性可以模擬實際圍巖中的離散型；選擇機油作為膠結材料主要是由于機油的膠結能力較弱可以較好的模擬軟弱圍巖；選擇粉煤灰作為輔助材料主要是為了滿足所需材料密度較低的特性，因為粉煤灰是比表面積大的多孔結構，而且具有強大的吸附能力，可以減少機油揮發(fā)。

依據(jù)正交試驗設計，最終確定模型試驗IV級上下盤圍巖的配比是粉煤灰∶河沙∶機油50∶40∶10，斷層破碎帶的配比是粉煤灰∶河沙∶機油57∶31∶12，圍巖基本力學參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖和襯砌的原型和模型參數(shù)

將按本次試驗物理力學參數(shù)要求制備好的圍巖相似材料以松散狀均勻填入模型箱內，反復壓夯至預定標線，然后環(huán)刀取樣復核容重值，合格后再填第二層，每個結構體分多層填入，每層壓實完畢，用鐵鉤在表面劃毛后再填下一層，以使結構體無成層現(xiàn)象。填料完畢，再靜放24 h，使其經(jīng)過土體的自平衡階段。

石膏與混凝土相近，均屬脆性材料，且性能穩(wěn)定，成型方便，易于加工，其強度和彈性模量較小，可以模擬混凝土結構的破壞行為。劉學增等[15-17]采用石膏和水按照一定比例配制襯砌結構的相似材料。結合隧道試驗中相似材料的基本物理力學參數(shù)指標的要求，采用正交試驗法進行配比試驗設計，經(jīng)多次試驗配比的調整，最終確認相似材料水∶石膏∶硅藻土∶石英砂∶重晶石的配合比為1∶0.6∶0.2∶0.1∶0.4，其相關物理力學參數(shù)見表3?？紤]到石膏容易吸水受潮，刷清漆能保證試塊不吸水軟化，故本次襯砌制備過程中都對襯砌模型表面刷了一層薄清漆。

2.4 接頭設計

依據(jù)上文中提出接頭形式，試驗中接頭形式主要是先將襯砌節(jié)段預留的鋼筋網(wǎng)搭接，在節(jié)段間剩余空間采用橡膠填充(如圖5所示)。具體過程先在接頭斷面上搭接鋼筋網(wǎng)，然后在剩余空隙處鋪設橡膠減震層。結合工程實際，又由于試驗條件、制作難度等各因素的限制，該接頭長度取為2 cm。此接頭是鋼筋延性材料和橡膠柔性材料相結合的接頭。接頭的材料參數(shù)如表4所示。

圖5 接頭形式

表4 接頭材料物理力學參數(shù)

2.5 監(jiān)測方案制定

依據(jù)試驗目的針對性地布置傳感器既可以獲得有效的試驗數(shù)據(jù)，又可以減小傳感器對試驗結果地影響。本試驗布置5個監(jiān)測斷面，分別命名I、II、III、IV、V監(jiān)測斷面。II、III、IV斷面位于斷層區(qū)域內，為主要監(jiān)測斷面，I、V斷面為次要監(jiān)測斷面。具體試驗監(jiān)測方案如圖6所示，襯砌自左至右依次命名A、B、C、D、E、F、G和H段，其中A、H段襯砌長度為80 cm，B和G段襯砌長為20 cm,其余襯砌節(jié)段均為10 cm。I、V斷面分別距兩端邊界為60 cm，II、III、IV監(jiān)測斷面位于襯砌節(jié)段的中間位置。由于地震波的激振方向為水平垂直于隧道軸向，考慮到應變片通道數(shù)的限制和對稱性，故次要監(jiān)測斷面I、V僅布設了半環(huán)應變片，襯砌內外側對應布設，布設位置為拱頂(S1)、拱腳(S4)和仰拱(S5)；主要監(jiān)測斷面II、III、IV全環(huán)布置，布設位置為拱頂(S1)、拱肩(S2)、拱腳(S4)和仰拱(S5)，每個監(jiān)測點內外兩側均粘貼應變片。其中III號監(jiān)測斷面完全位于斷層內，II、IV號監(jiān)測斷面位于斷層邊緣。I～V號監(jiān)測斷面聯(lián)合可用于考察斷層影響范圍，II號與IV號斷面可以考察上下盤內襯砌結構不同的應力情況。試驗中所用應變片采用1/4橋連接，其應變片型號為BX120-3AA，電阻值為120.2 Ω ±0.1%, 靈敏系數(shù)是2.05 ± 0.28%, 柵尺寸是3 mm ×2 mm。

圖6 模型監(jiān)測方案

試驗共設置7個加速度計。其中有6個壓電式加速度傳感器(TST120A500)，其參考敏度為0.516 V/g，測量范圍是10g，頻率范圍是0.2～3 000 Hz。 I至V監(jiān)測斷面仰拱內側各布置一個，土體頂面布置一個，A3號加速度計位于斷層內，A1至A5可以考察斷層影響范圍， A2與A6可以考察垂直距離上斷層邊緣加速度放大效應，A2與A4聯(lián)合考察上下盤距離斷層等距離位置的加速度響應情況。另一個磁電式加速度傳感器(TST125H)，其靈敏度為0.345 V/(m/s2)，測量范圍是20 m/s2，頻率范圍是0.25～100 Hz。該加速度計布置在臺面處，用來記錄輸入地震波。

2.6 加載方案

在地震中，部分穿越非發(fā)震斷層的隧道既受到斷層錯動的影響，又受到地震動的影響。針對非發(fā)震斷層對隧道影響的模擬，目前主要有兩種研究方法：擬靜力斷層錯動和地震波激勵方式[18-20]。但是兩者加載方式都沒有很好的再現(xiàn)斷層錯動和地震波激勵兩者共同作用對隧道的影響。在地震中，斷層錯動的時機和機制尚不清晰，同時考慮到振動臺試驗的條件，本次試驗將非發(fā)震斷層對隧道的影響簡化為兩步加載。

第一步，加載斷層錯動。2008年汶川地震后龍溪隧道錯動達1 m，根據(jù)相似關系，本試驗錯動位移取3 cm。將模型箱上盤底部的四個千斤頂同時釋放3 cm模擬正斷層錯動。

第二步，加載地震波。本試驗采用汶川地震中斷層附近茂縣地辦臺站監(jiān)測的EW向分量的地震波，與隧道軸線垂直的水平方向進行激震，選擇原地震波20～165 s期間的地震波，加速度持時按照時間相似比1:5.5進行壓縮，如圖7所示。圖8為輸入地震波三維時頻分析圖。其中，地震波能量大部分在時間域上主要集中在前15 s內，在頻率域上主要集中在20 Hz內。

圖7 輸入地震波加速度時程曲線

圖8 輸入地震波三維時頻分析圖

第二步地震動加載之前，先加載0.05g白噪聲，主要是用于獲得振動臺系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，使振動臺能夠準確再現(xiàn)輸入地震波。然后加載試驗地震波。

2.7 模型自振頻率分析

模型箱是試驗的載體，是模型試驗的順利進行關鍵所在，因此要求模型箱有足夠的強度和剛度，在試驗過程中保存穩(wěn)定，不宜變形過大。同時試驗中要求模型箱的自振頻率不能與模型土自振頻率相近，以免發(fā)生共振。

由于模型箱的上下盤相互獨立，對上下盤獨立建模。通過研究，錯動式剛性模型箱上盤、下盤的一階頻率分別為16.239 Hz和18.264 Hz[21]。

模型土自振頻率通過有限元軟件模態(tài)分析得到。模型土尺寸依據(jù)模型試驗確定為長2.5 m，寬2.5 m，高 2.0 m。模型土用實體單元模擬，材料采用摩爾庫倫本構，具體參數(shù)與試驗相同。根據(jù)模型試驗的實際情況，數(shù)值模型邊界設置為：底部采用采用全約束，與隧道軸向垂直方向兩側水平垂向約束；由于地震波加載方向為水平剪切向，所以與隧道軸向平行方向兩側自由不約束。通過模態(tài)分析得到模型土的一階頻率為14.129 Hz。

建立包含隧道結構的模型土-結構數(shù)值模型，模型土尺寸、材料設置與上文相同，襯砌結構尺寸與試驗相同，采用實體單元模擬，采用彈性本構，具體參數(shù)與試驗相同，襯砌與圍巖間以“Tie”接觸模擬，即假設模態(tài)分析中兩者間不產(chǎn)生相對滑動。邊界條件設置與上文相同。計算此模型的一階頻率為13.971 Hz。

計算結果表明土體自振頻率與模型箱的自振頻率較為接近，由此模擬結果可判斷模型箱在進行振動臺實驗時可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，因此需要改變模型箱的自振頻率。

試驗開始之前在剛性模型箱底部焊接了一塊鋼板，在箱體四周進行橫梁加固。這樣提高了此模型箱的自振頻率滿足不發(fā)生共振的要求，同時加固了模型箱，使其在試驗過程中更加穩(wěn)固。

通過圖9和圖10可知，兩模型的一階頻率基本相同，這說明隧道的存在對模型土的一階頻率影響不大，隧道結構對地層具有明顯的追隨性和依賴性。

圖9 模型土模態(tài)分析

圖10 模型土-結構模型模態(tài)分析

3 試驗結果

3.1 加速度響應分析

限于篇幅，這里選取0.3g加速度峰值地震波作用下隧道結構的加速度響應數(shù)據(jù)進行分析。圖11為0.3g時襯砌結構I、III和V監(jiān)測斷面的加速度時程曲線和頻譜曲線。從圖中可知，不同位置的加速度時程曲線與輸入地震波時程曲線特征相似，主要的不同點是它們的加速度響應峰值不同。以上表明接頭的設置不改變襯砌結構的加速度響應特征，但是改變了加速度影響的峰值。除了H節(jié)段A5處加速度響應峰值大于輸入地震動峰值，其他兩個監(jiān)測斷面均小于輸入地震動峰值。隋傳毅等[22]通過振動臺監(jiān)測到的斷層處的加速度響應峰值大于輸入地震動峰值。這是由于H節(jié)段A5位于距斷層遠端的下盤，模型土與襯砌節(jié)段相對緊密接觸，襯砌節(jié)段隨著模型土一起振動，故其加速度峰值稍大于輸入加速度值；而上盤和斷層區(qū)域受到斷層錯動影響，對隧道的約束減弱，接頭的變形調整能力使該位置處襯砌的加速度峰值減小。從頻譜圖可以看到，相對A節(jié)段A1和D節(jié)段A3處的頻譜圖，H節(jié)段A5位置頻譜圖的高頻成分最顯著，說明隨著斷層錯動和地震波的影響，斷層處和上盤部分的模型土軟化要嚴重一些。由圖11(f)可知，H節(jié)段A5位置的一階頻率為10.68 Hz，這與數(shù)值計算有較好的吻合性。與上節(jié)數(shù)值計算的模型土-結構的頻率相差約23.5%，這可能是由于錯動和地震動加載對下盤模型土的軟化影響造成的。以上分析也說明隧道結構對地層有追隨性和依賴性。

(a) A1加速度時程圖

3.2 震后破壞形態(tài)

震動加載結束后，模型土開挖到襯砌位置時，對襯砌進行必要的外觀拍攝和測量，然后取出襯砌節(jié)段，在模型表面以標注手繪裂紋的方式記錄隧道的破壞形態(tài)，如圖12和圖13所示。因模型兩端襯砌A、H節(jié)段破環(huán)較小，故在圖中沒有展示。從圖中可以看到，位于上盤和斷層的襯砌節(jié)段，拱腳和仰拱破壞較為嚴重，而位于斷層區(qū)域的D、E節(jié)段破壞最為嚴重，均出現(xiàn)仰拱隆起，而龍溪隧道穿越斷層處也出現(xiàn)這種震害類型。從圖中可以看到，襯砌節(jié)段很少有橫向裂縫；而汶川地震龍溪隧道震害調查中，橫向裂縫使一種普遍的震害現(xiàn)象[23-24]，這是由于接頭的設置使地震動對襯砌的橫向剪切破壞主要集中引向接頭處。與斷層相同距離的F段相比，位于上盤的C節(jié)段破壞明顯較為嚴重。B節(jié)段拱腳開裂，而距斷層相同位置的下盤的G節(jié)段幾乎沒有破壞產(chǎn)生。同時由圖13可知，位于節(jié)段B、C之間的接頭、節(jié)段C、D之間的接頭和段D、E之間的接頭破壞嚴重。上述現(xiàn)象一方面表明正斷層錯動對上盤影響較大，另一方面說明接頭的設置阻隔了節(jié)段間力的傳遞，使破壞局部化。

圖12 襯砌節(jié)段震后破壞形態(tài)

圖13 襯砌節(jié)段裂縫和接頭破壞情況

4 結 論

針對目前穿越斷層山嶺隧道抗減震措施研究不足的現(xiàn)狀，本文提出一種新型的鋼筋橡膠接頭，并在地震作用下進行了設置所提出接頭措施的隧道模型試驗，分析了此隧道模型加速度響應、襯砌破壞形態(tài)，主要得出以下結論：

(1) 穿越斷層隧道在強地震中容易受到嚴重破壞，發(fā)生剪切破壞或是垮塌。本文采用了兩階段斷層錯動-震動聯(lián)合作用的加載方式模擬地震對穿越活動斷層隧道的影響。

(2) 數(shù)值模態(tài)分析與試驗結果的分析具有較好的吻合性，驗證了斷層錯動-震動聯(lián)合作用下分段接頭隧道對模型土有追隨性和依賴性。

(3) 斷層錯動-震動聯(lián)合作用下，接頭的設置不改變襯砌結構的加速度響應特征，但是改變了襯砌的加速度響應峰值。接頭由于自身的變形協(xié)調性有效地減小了穿越斷層位置襯砌的加速度響應。

(4) 所提出接頭有效地減少了地震造成的剪切破壞，阻隔了節(jié)段間力的傳遞，使襯砌破壞局部化，襯砌破壞主要集中在斷層附近區(qū)域。

需要指出的是，由于試驗條件的限制，對于不同工況下定量化的接頭設計需做更深入研究，但是試驗結果證明提出的接頭可有效減小地震對襯砌的損害，故本文提出的接頭設計理念、接頭的設計以及相關的結論可為穿越活動斷層隧道的抗減震設計提供一定的理論參考和技術支持。