隧道橫穿高烈度地震區(qū)滑坡襯砌減震效果評(píng)估方法試驗(yàn)研究

摘要：

為評(píng)價(jià)高烈度地震區(qū)滑坡隧道減震結(jié)構(gòu)的減震效果，利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)測(cè)試，得到不同強(qiáng)度地震波作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募铀俣群蛣?dòng)應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息;結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃暧^災(zāi)變變形特征，采用多指標(biāo)評(píng)估方法，揭示隧道減震結(jié)構(gòu)區(qū)域性空間動(dòng)力響應(yīng)特征;基于彈塑性效應(yīng)定義隧道結(jié)構(gòu)塑性減震系數(shù)（PDC），闡明隧道結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）滑坡體破壞表現(xiàn)出區(qū)域性損傷破壞的連續(xù)性，隧道結(jié)構(gòu)的損傷部位存在區(qū)域性差異;（2）隧道結(jié)構(gòu)不同位置的加速度、速度和位移到達(dá)峰值的次數(shù)和時(shí)間存在差異，隧道結(jié)構(gòu)局部及整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受不同頻段地震波的影響;（3）海綿橡膠材料作為隧道襯砌減震層具有良好的減震效果，但不會(huì)改變隧道結(jié)構(gòu)受損變化的形式和頻譜響應(yīng)特性;（4）隧道結(jié)構(gòu)的損傷破壞具有明顯的累積效應(yīng)，整個(gè)過(guò)程可分為彈性變形階段、彈塑性變形階段和塑性變形階段，實(shí)際隧道工程抗減震設(shè)計(jì)應(yīng)防止隧道結(jié)構(gòu)過(guò)早進(jìn)入塑性變形階段。研究成果可為高烈度地震區(qū)隧道穿越滑坡區(qū)的變形機(jī)理及防控措施設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn); 高烈度地震區(qū); 隧道結(jié)構(gòu)減震; 多屬性地震數(shù)據(jù); 塑性減震系數(shù)

中圖分類號(hào)： U451""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）05-1084-13

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221207002

Experimental study on the evaluation method of damping effect of

linings in tunnel crossing landslides in high-intensity seismic zone

MA Zhigang1，2，3， WU Honggang3， YI Zhongqiang4

（1. State Key Laboratory for Tunnel Engineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing 100083， China;

2. School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing 100083， China;

3. Northwest Research Institute Co.， Ltd. of CREC， Lanzhou 730000， Gansu， China;

4. No. 6 Engineering Co.， Ltd. of China Railway No. 9 Group， Shenyang 110000， Liaoning， China）

Abstract：

To evaluate the seismic reduction effect of damping structures in landslide tunnels located in high-intensity seismic areas， a shaking table model test was performed. This test measured the acceleration and dynamic strain of the model under seismic waves of varying intensities. By combining these measurements with the observed macroscopic deformation characteristics， a multi-index evaluation method was used to reveal the regional spatial dynamic response characteristics of the tunnel damping structure. Using the elastoplastic effect， the plastic damping coefficient of the tunnel structure was defined to clarify the damage evolution law. Key results from the study include： （1） Landslide failure exhibits continuous regional damage and failure， with noticeable differences in the sites of tunnel structure damage. （2） There are differences in the number and timing of acceleration， velocity， and displacement peaks at different positions within the tunnel structure. These local and overall dynamic responses are affected by seismic waves of different frequency bands. （3） The use of sponge rubber material as a damping layer for the tunnel lining shows damping properties but does not change the form of tunnel structural damage or spectral response characteristics. （4） Tunnel structure shows an obvious cumulative effect， which can be divided into three stages： elastic deformation， elastic-plastic deformation， and plastic deformation. Anti-seismic designs for actual tunnel projects should aim to prevent the tunnel structure from prematurely entering the plastic deformation stage. The research results provide a theoretical reference for understanding the deformation mechanisms and developing prevention and control measures for tunnels crossing landslides in high-intensity seismic zones.

Keywords：

shaking table test; high-intensity seismic region; tunnel structure damping; multi-attribute seismic data; plastic damping coefficient

0 引言

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷提升，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)規(guī)模也在日益壯大［1］。大量鐵路和公路隧道工程在西部地區(qū)建設(shè)，而我國(guó)西部地區(qū)主要為烈度較高的山地地形，隧道工程不可避免地會(huì)穿越山嶺地段［2］。這些地區(qū)地形和地質(zhì)條件極為復(fù)雜，存在許多高山深澗等地質(zhì)狀況較差的地段，陸路交通難免會(huì)受到不良地質(zhì)災(zāi)害的影響，極大地阻礙了隧道工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)［3-4］。盡管如此，高烈度地震區(qū)隧道的動(dòng)力響應(yīng)和抗減震問(wèn)題一直未得到足夠的重視［5］，使得高烈度地震區(qū)隧道結(jié)構(gòu)與滑坡體的變形機(jī)理和防控技術(shù)成為亟需解決的問(wèn)題。

目前，滑坡區(qū)隧道抗減震防治技術(shù)主要包括坡體結(jié)構(gòu)防治和隧道結(jié)構(gòu)防治兩方面［6］。在隧道結(jié)構(gòu)抗減震研究方面，Konagai［7］最早提出在圍巖和襯砌之間布置一層吸能材料，利用其對(duì)地震波的消能耗散作用，降低襯砌的地震響應(yīng)。Kim等［8］、Hasheminejad等［9］通過(guò)理論及有限元計(jì)算等研究方法，分析評(píng)價(jià)了設(shè)置減震層的隧道結(jié)構(gòu)在地震力作用下的抗震效果。王帥帥等［10］分析了隧道減震層的減震原理，同時(shí)得出了減震層的最優(yōu)厚度值。崔光耀等［11-12］首先依托具體工程案例，利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D，對(duì)跨斷層隧道不同模式減震層的減震效果進(jìn)行研究;后來(lái)又采用剛?cè)岵?jì)抗減錯(cuò)技術(shù)對(duì)黏滑斷層隧道展開(kāi)研究，為隧道抗減震的研究提供了新思路。趙富發(fā)等［13］針對(duì)淺埋偏壓環(huán)境下的隧道，采用橡膠材料作為隧道減震結(jié)構(gòu)，并通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)討論了其減震效果。孫鐵成等［14］進(jìn)行了隧道有、無(wú)減震層的對(duì)比試驗(yàn)，研究了隧道在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)及減震層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)性能的影響。王明年等［15］建立了隧道支護(hù)系統(tǒng)減震模型，并利用模型試驗(yàn)結(jié)合有限元分析，研究了減震層不同參數(shù)對(duì)隧道減震效果的影響。

從上述研究來(lái)看，學(xué)者們?cè)谒淼揽箿p震方面已經(jīng)做了大量的工作，但在烈度較高的滑坡區(qū)這一特殊環(huán)境下的隧道結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。為此，本文以地震作用下橫穿高烈度地震區(qū)滑坡隧道為典型工程案例，開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn);對(duì)設(shè)置減震層的隧道展開(kāi)動(dòng)力特性研究，并采用多指標(biāo)評(píng)估方法對(duì)隧道減震結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。這對(duì)高烈度地震區(qū)滑坡隧道的減震設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 隧道減震模型建立及分析方法

一些現(xiàn)場(chǎng)的隧道震害表明［15］，產(chǎn)生震害的原因之一是受到慣性力的影響;而另一個(gè)更重要的原因是襯砌剛度與圍巖剛度之間存在較大差異，致使襯砌與圍巖產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，從而加大了襯砌的附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超過(guò)襯砌的承受閾值時(shí)，隧道就會(huì)產(chǎn)生破壞，如圖1所示的三義壹號(hào)鐵路隧道震害［16］。

為此，很多有關(guān)隧道抗減震的結(jié)構(gòu)和方法被陸續(xù)提出。其中，施加減震系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的方法，即在圍巖與隧道之間設(shè)置減震裝置或填充緩沖材料來(lái)充當(dāng)減震層。減震層可以改變圍巖與隧道結(jié)構(gòu)之間的地震力作用，并切斷二者之間地震波的傳遞途徑，最后通過(guò)減震材料的變形來(lái)耗散、吸收地震能量，從而達(dá)到減小隧道震害的目的。一般的隧道減震模型如圖2所示。

基于上述分析，本文回歸隧道最本源的抗減震問(wèn)題。首先，針對(duì)隧道橫穿高烈度地震區(qū)滑坡這一特殊環(huán)境，在襯砌和圍巖之間增設(shè)減震層結(jié)構(gòu)，利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)隧道減震模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試;然后，利用不同強(qiáng)度地震作用工況下模型結(jié)構(gòu)的宏觀變化跡象、加速度和動(dòng)應(yīng)變等多種數(shù)據(jù)信息，基于多屬性數(shù)據(jù)綜合分析，定義隧道結(jié)構(gòu)塑性減震系數(shù);最后，結(jié)合模型結(jié)構(gòu)宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，采用多指標(biāo)評(píng)估方法對(duì)隧道減震結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)概況

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在甘肅省中鐵科技研發(fā)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)如表1所列。模型箱尺寸為160 cm（長(zhǎng)）×95 cm（寬）×120 cm（高），具體如圖3所示。在試驗(yàn)前對(duì)模型箱的邊界進(jìn)行了相應(yīng)處理［17］。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨圃O(shè)計(jì)與相似材料選擇

本次試驗(yàn)測(cè)試主要參考前人的研究成果［18］，并結(jié)合現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)條件，取幾何長(zhǎng)度l、彈性模量E、密度ρ的相似參數(shù)Cl =1/100、CE=1/100、Cρ=1/1為基本參數(shù)，再根據(jù)Bockingham π定理，推導(dǎo)出其他變量相似關(guān)系［19］。具體試驗(yàn)相似性設(shè)計(jì)如表2所列。

設(shè)計(jì)隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，最終確定試驗(yàn)測(cè)試所用相似材料種類為石英砂、紅黏土、石膏粉、滑石粉、重晶石粉和水［20］。具體模型相似材料的參數(shù)配比如表3所列。

隧道模型實(shí)物如圖4所示。隧道結(jié)構(gòu)模型采用提前預(yù)制的方式制作，利用海綿橡膠材料來(lái)近似模擬隧道減震層，具體參數(shù)如表4所列。需要說(shuō)明的是，有研究認(rèn)為減震層的最優(yōu)厚度不宜大于0.2 m［10］，但本文主要討論的問(wèn)題不是減震層的最優(yōu)厚度，故按照相似比，本次試驗(yàn)選取的減震層厚度為2 mm。

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骷皽y(cè)點(diǎn)布置

僅在隧道模型結(jié)構(gòu)上一側(cè)設(shè)置減震層，為描述方便，將設(shè)置減震層一側(cè)稱為優(yōu)化側(cè)，另一側(cè)稱為未優(yōu)化側(cè)。選擇加速度傳感器和動(dòng)應(yīng)變片對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。在距隧道洞口兩端25 cm處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，加速度計(jì)（用“DA/WA”序號(hào)表示）從拱頂?shù)窖龉?，依次環(huán)向均勻布置在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)相應(yīng)位置，動(dòng)應(yīng)變片（用“S/W”序號(hào)表示）同樣依次環(huán)向均勻布置在隧道結(jié)構(gòu)同一斷面外側(cè)對(duì)應(yīng)位置。具體儀器布置方式如圖5所示。同時(shí)在臺(tái)面上布置1個(gè)加速度傳感器（圖中未畫出）。試驗(yàn)測(cè)試模型及制備過(guò)程分別如圖6、7所示。

2.4 試驗(yàn)加載方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)加載的地震波選取振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)廣泛使用的El-Centro波［21］（簡(jiǎn)稱EL波）。分別輸入地震峰值加速度系數(shù)（Peak Ground Acceleration，PGA）為0.1g、0.2g、0.3g和0.4g的EL波，輸入方向均為

水平方向。在正式加載前先對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行白噪聲測(cè)試［22］。由于試驗(yàn)主要關(guān)注隧道與圍巖之間的相互作用，有研究表明施加原始地震波形數(shù)據(jù)對(duì)研究目的的影響不大［23］，因此，未對(duì)輸入的地震波做壓縮處理。臺(tái)面測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖8所示。

3 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 多屬性時(shí)域特性減震效果評(píng)價(jià)

將測(cè)試得到的各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPECTR計(jì)算程序［24］，利用積分計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的多屬性時(shí)程曲線。圖9表示輸入地震波加速度峰值為0.1g時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的多屬性（加速度、速度、位移）時(shí)程曲線。

由圖9可知，當(dāng)輸入地震波加速度峰值為0.1g時(shí)，隧道兩側(cè)拱腰測(cè)點(diǎn)（DA2/DA6、WA2/WA6）的加速度峰值都較小，仰拱（WA4/DA4）和河側(cè)拱腳（WA5/DA5）測(cè)點(diǎn)較其他位置響應(yīng)強(qiáng)烈;除山側(cè)拱腳（WA3/DA3）和拱頂（WA1/DA1）外，未優(yōu)化側(cè)峰值加速度均大于優(yōu)化側(cè)。以震感較強(qiáng)烈的河側(cè)拱腳（WA5/DA5）為例，由于減震層的存在，其加速度峰值減少了15.5%，說(shuō)明減震層對(duì)地震波的能量具有一定的吸收能力，能夠起到消能減震的作用。從3個(gè)參數(shù)的時(shí)程曲線來(lái)看，加速度到達(dá)峰值的次數(shù)最多，其次是速度，最后是位移。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，加速度的大小并不完全決定速度和位移的大小，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度和位移值到達(dá)峰值的時(shí)間也不相同，整體上隧道優(yōu)化側(cè)的位移和速度幅值要小于未優(yōu)化側(cè)。

在上述多屬性時(shí)程曲線分析的基礎(chǔ)上，選取隧道兩側(cè)拱頂（WA1/DA1）、仰拱（WA4/DA4）和河側(cè)拱腳（WA5/DA5）特征測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)地震波引起的隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行深入分析，其特征測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，在PGA=0.1g的地震波激勵(lì)下，隧道兩側(cè)特征測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線變化不一致，其增減變化具有明顯的差異性。未優(yōu)化側(cè)河側(cè)拱腳（WA5）處位移增減幅度更加顯著，其位移響應(yīng)最大，而優(yōu)化側(cè)河側(cè)拱腳（DA5）處位移時(shí)程曲線的增減較為平緩，說(shuō)明減震層的存在極大地削減了地震波的能量。隧道兩側(cè)拱頂（DA1/WA1）和仰拱（DA4/WA4）的位移時(shí)程曲線增減趨勢(shì)大致相似，但拱頂位移先減小后增大，仰拱則正好相反。拱頂和仰拱產(chǎn)生不同方向的位移變化，易使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的彎矩效應(yīng)，從而發(fā)生扭曲變形。

3.2 加速度峰值比特性減震效果評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)隧道減震結(jié)構(gòu)不同位置的加速度變化規(guī)律，定義加速度峰值比率Pa為各特征測(cè)點(diǎn)的加速度峰值在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下的變化比（簡(jiǎn)稱峰值比Pa）［25］。其表達(dá)式為：

Pa=Pm-Pm-1Pm-1 （1）

式中：Pm為測(cè)點(diǎn)加速度峰值;Pm-1為測(cè)點(diǎn)前一級(jí)的加速度峰值。根據(jù)不同烈度地震波激勵(lì)下各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)Pa如圖11所示。

由圖11可知，隨著輸入地震波激勵(lì)不斷增大，隧道兩側(cè)Pa也逐漸增大，但受滑坡體影響，呈現(xiàn)出非線性、非平穩(wěn)性增大的特點(diǎn)。當(dāng)輸入地震波加速度峰值從0.1g增加到0.2g時(shí)，未優(yōu)化側(cè)拱頂（WA1）和山側(cè)拱腳（WA3）Pa增長(zhǎng)明顯，而隧道優(yōu)化側(cè)整體的Pa增長(zhǎng)幅度較小;當(dāng)輸入地震波加速度峰值從0.2g增加到0.3g時(shí)，未優(yōu)化側(cè)Pa增長(zhǎng)最大位置從拱頂（WA1）和拱腳（WA3）逐漸轉(zhuǎn)移至拱腰（WA2）和仰拱（WA4），而優(yōu)化側(cè)Pa整體增長(zhǎng)較明顯;當(dāng)輸入地震波加速度峰值從0.3g增加到0.4g時(shí)，隧道兩側(cè)Pa較前兩階段增長(zhǎng)較小。整體而言，隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化側(cè)Pa較未優(yōu)化側(cè)弱。

綜上可知，由于減震層的存在，隧道兩側(cè)Pa呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)狀態(tài)，說(shuō)明利用海綿橡膠材料作為減震層，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的地震加速度響應(yīng)具有良好的削減作用。減震層的存在重新分配了作用在隧道結(jié)構(gòu)上的地震力，同時(shí)吸收耗散了局部的地震能量，使得隧道結(jié)構(gòu)的抗減震性能因一部分地震力被減震層分擔(dān)而得到一定的提高。除此之外，減震層在高強(qiáng)度地震作用下的減震效果比在低強(qiáng)度地震作用下差，可能是因?yàn)樵诘卣饛?qiáng)度逐級(jí)增加的過(guò)程中，減震層的變形狀態(tài)逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)變至塑性變形，其能量吸收耗散的效率逐漸降低，從而導(dǎo)致其減震效果減弱。

3.3 地震波頻域特性減震效果評(píng)價(jià)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論隧道兩側(cè)有無(wú)減震層，其特征測(cè)點(diǎn)加速度傅里葉譜的峰值頻段變化基本一致，說(shuō)明在地震力作用下，隧道結(jié)構(gòu)的頻譜響應(yīng)特性不會(huì)因?yàn)闇p震層的介入而改變。為節(jié)約篇幅，以輸入PGA=0.1g的EL波為例進(jìn)行討論。同時(shí)，為了更易識(shí)別出地震波的卓越頻率，對(duì)測(cè)點(diǎn)頻譜曲線進(jìn)行平滑處理。圖12為測(cè)點(diǎn)WA1的傅里葉譜曲線。從圖12中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，低頻段f1（7～11 Hz）、中頻段f2（14～18 Hz）及高頻段f3（40～45 Hz）為3個(gè)傅里葉譜峰值頻率段。為節(jié)約篇幅，不討論與臺(tái)面測(cè)點(diǎn)頻譜曲線相似的f1頻段。

圖13表示隧道結(jié)構(gòu)各特征測(cè)點(diǎn)在f2、f3頻段的傅里葉譜曲線峰值（Fourier Spectrum Peak，F(xiàn)SP）分布態(tài)勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在f2頻段的地震波作用下，隧道未優(yōu)化側(cè)各個(gè)部位的動(dòng)力響應(yīng)都很強(qiáng)烈，而隧道優(yōu)化側(cè)動(dòng)力響應(yīng)較強(qiáng)的位置僅出現(xiàn)在河

側(cè)拱腰處;在f3頻段的地震波作用下，隧道優(yōu)化側(cè)動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)烈的位置仍在河側(cè)拱腰處，其他位置的動(dòng)力響應(yīng)減弱，隧道未優(yōu)化側(cè)動(dòng)力響應(yīng)較強(qiáng)的位置逐漸向拱頂區(qū)域發(fā)展。這說(shuō)明f2頻段的地震波易使隧道結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力響應(yīng)，f3頻段的地震波則易放大隧道結(jié)構(gòu)局部位置的動(dòng)力響應(yīng)，也就是說(shuō)，隨著地震力的持續(xù)作用，隧道結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)展易由局部的損傷逐漸向四周整體擴(kuò)張。

地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)的變形破壞通常會(huì)受到滑坡體運(yùn)動(dòng)的影響。圖14為不同加載工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞現(xiàn)象。如圖14（a）所示，當(dāng)輸入PGA=0.2g的EL波時(shí)，在坡體上段坡面產(chǎn)生了局部長(zhǎng)裂縫，坡表土體出現(xiàn)了一定的疏松。結(jié)合圖13可知，隧道結(jié)構(gòu)局部位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要受f3頻段的地震波作用，體現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)的FSP集中在拱頂和

仰拱局部區(qū)域。如圖14（b）所示，當(dāng)輸入PGA=0.3g的EL波時(shí)，坡體裂縫數(shù)量增多，局部裂縫變寬＼，加長(zhǎng)，同時(shí)坡體局部區(qū)域出現(xiàn)塌落，隧道動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)烈位置逐漸由兩側(cè)拱腳向仰拱處發(fā)展。結(jié)合圖13可知，此階段隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)主要受f2頻段的地震波作用。如圖14（c）所示，當(dāng)輸入PGA=0.4g的 EL波時(shí)，整個(gè)坡體表面出現(xiàn)大規(guī)模垮塌、沉降，特別是坡頂區(qū)域最為嚴(yán)重;隨著地震力持續(xù)作用，坡體垮塌面積逐漸加大，同時(shí)向坡腳區(qū)域發(fā)展，土塊脫落并向下滾動(dòng)至坡腳堆積，隧道兩側(cè)拱腳至下部仰拱區(qū)域的響應(yīng)更加強(qiáng)烈。結(jié)合圖13可知，該階段隧道的動(dòng)力響應(yīng)主要受f2頻段的地震波影響。

由于減震層的存在影響了地震波的傳播途徑，模型兩側(cè)出現(xiàn)了不同的宏觀試驗(yàn)跡象。同時(shí)，隧道與坡體的空間位置關(guān)系和不同地震力的作用效應(yīng)，使得隧道結(jié)構(gòu)不同位置的損傷破壞具有一定的差異性。坡體的變形破壞階段大致可以分為：變形累積階段變形加速階段變形破壞階段。

3.4 動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)域特性減震效果評(píng)價(jià)

為明確隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)向動(dòng)應(yīng)變時(shí)空響應(yīng)特性，以PGA=0.1g的EL波作用為例，繪制隧道左右兩側(cè)拱頂（W1、S1）、拱腰（W2/W6、S2/S6）和仰拱測(cè)點(diǎn)（W4、S4）的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖15所示。圖中應(yīng)變值受拉為正，受壓為負(fù)。

由圖15可以看出，隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)向動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線形狀與加速度時(shí)程相似，但各測(cè)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)變峰值的時(shí)間存在差異。未優(yōu)化側(cè)測(cè)點(diǎn)W1、W2、W4和W6的應(yīng)變峰值分別為-8.48、-12.28、9.82和13.35 με，優(yōu)化側(cè)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S4和S6應(yīng)變峰值分別為5.55、-7.91、4.06和-11.51 με;未優(yōu)化側(cè)各部位應(yīng)變分布大小為：兩側(cè)拱腰gt;仰拱gt;拱頂，優(yōu)化側(cè)各部位應(yīng)變分布大小為：兩側(cè)拱腰gt;拱頂gt;仰拱。優(yōu)化側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值均小于未優(yōu)化側(cè)，表明減震層可減弱隧道結(jié)構(gòu)的變形。

圖16展示了不同加載工況下各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變峰值。由圖可知，隨著地震激勵(lì)增大，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值也增大。當(dāng)?shù)卣鸺?lì)較小時(shí)（PGA=0.1g），由于地震能量較小，同時(shí)一部分能量被土體耗散吸收，致使隧道各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值較小，隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為均衡，但仍表現(xiàn)出空間位置響應(yīng)不同的特征。隨著地

震激勵(lì)持續(xù)增大，隧道結(jié)構(gòu)拉壓變化響應(yīng)趨勢(shì)逐漸清晰，表現(xiàn)為山側(cè)拱腰（W2/S2）和河側(cè)拱腳（W5/S5）主要產(chǎn)生壓應(yīng)變，其余位置主要產(chǎn)生拉應(yīng)變。未優(yōu)化側(cè)仰拱處的應(yīng)變峰值增長(zhǎng)明顯，而優(yōu)化側(cè)增長(zhǎng)較緩慢，表明減震層能夠吸收局部大的地震波能量，從而減小隧道結(jié)構(gòu)局部大的動(dòng)力響應(yīng)。隨地震激勵(lì)加強(qiáng)，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)趨勢(shì)大致相同，但優(yōu)化側(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值始終小于未優(yōu)化側(cè)，表明減震層能夠削減地震力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的沖擊作用，但不能改變其原有的損傷破壞形式;同時(shí)表明減震層在低強(qiáng)度地震力作用下的減震效果比在高強(qiáng)度地震力作用下好，這與前面的結(jié)論是一致的。

在不同烈度地震激勵(lì)下，隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向各測(cè)點(diǎn)均處于拉-壓循環(huán)狀態(tài)。這是由于圍巖的物理特性與隧道結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)?shù)卣鸩▊鬟f至圍巖和隧道結(jié)構(gòu)上時(shí)，傳遞能量被改變，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的地震慣性力，但其阻尼效應(yīng)不能及時(shí)耗散全部的地震力作用，致使地震波能量堆積，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生拉-壓瞬時(shí)損傷變形。兩側(cè)拱腰和拱腳位置出現(xiàn)拉、壓相反狀態(tài)，易使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，不同測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出區(qū)域性損傷破壞的空間耦合變形連續(xù)效應(yīng)。需要注意的是，較大應(yīng)變出現(xiàn)在仰拱、拱腰和拱腳區(qū)域，特別是拱腰和拱腳位置極易產(chǎn)生擠壓破壞，在實(shí)際隧道工程中需特別注意該區(qū)域的抗震設(shè)計(jì)。

3.5 基于彈塑性效應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)減震評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)3.4節(jié)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)域特性分析可知，在地震波加載結(jié)束后，測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變曲線末尾穩(wěn)定值總會(huì)與地震波激勵(lì)前的“零點(diǎn)基線”有所偏移，認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了永久損傷變形，即殘余應(yīng)變（Residual Strain，RS），如圖17所示。不同加載工況下隧道塑性減震系數(shù)（Plastic Damping Coefficient，PDC）的表達(dá)式如下：

PDC=RSW-RSSPDSW-PDSS （2）

式中：RSW和PDSW分別為未優(yōu)化側(cè)隧道特征測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變值和應(yīng)變峰值;RSS和PDSS分別為優(yōu)化側(cè)隧道特征測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變值和應(yīng)變峰值。PDC值越大，表明隧道塑性累積損傷越嚴(yán)重。

以隧道兩側(cè)拱頂（W1/S1）和仰拱（W4/S4）部位為例，繪制出不同地震動(dòng)強(qiáng)度下拱頂和仰拱的PDC變化分布圖（圖18）。

由圖18可知，當(dāng)輸入EL波的PGA為0.1g～0.2g時(shí)，由于地震力強(qiáng)度相對(duì)較小，隧道結(jié)構(gòu)的

PDC值也較小，但曲線斜率較大，說(shuō)明此階段隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)塑性變形能量快速積累，但限于模型結(jié)構(gòu)自身的阻尼效應(yīng)，隧道結(jié)構(gòu)主要處于彈性變形階段;對(duì)應(yīng)坡體現(xiàn)象：此階段僅在坡體牽引段出現(xiàn)少量張拉裂隙和局部疏松現(xiàn)象，整個(gè)坡體沒(méi)有發(fā)生明顯變形，仍保持較好的完整性。當(dāng)輸入EL波的PGA為0.2g～0.3g時(shí)，此階段PDC值逐漸增大，但是曲線斜率較上一階段明顯減小，說(shuō)明隧道結(jié)構(gòu)塑性變形能量積累的速率變小，但塑性變形能量總體仍持續(xù)加大，隧道結(jié)構(gòu)主要處于彈塑性變形階段;對(duì)應(yīng)坡體現(xiàn)象：此階段坡體表面裂縫數(shù)量增多，原有的裂隙加寬＼，加長(zhǎng)并逐漸向深部發(fā)展，局部區(qū)域出現(xiàn)垮塌，模型結(jié)構(gòu)塑性變形破壞進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)輸入EL波PGA增加至0.4g時(shí)，PDC值又急劇增加，特別是仰拱位置，表明隧道結(jié)構(gòu)塑性變形能量積累達(dá)到頂峰，塑性變形占據(jù)主要比例;對(duì)應(yīng)坡體現(xiàn)象：坡表垮塌區(qū)域已覆蓋整個(gè)坡體，同時(shí)坡頂發(fā)生沉降，坡體裂縫持續(xù)增多、加長(zhǎng)，坡體的這種大變形現(xiàn)象使得隧道結(jié)構(gòu)損傷變形加劇，隧道結(jié)構(gòu)主要處于塑性變形階段。

由此可見(jiàn)，隧道結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的損傷變形具有一定的累積效應(yīng)，而PDC在隧道結(jié)構(gòu)塑性損傷變形方面具有很好的識(shí)別作用，一定程度上能夠清楚地表現(xiàn)出隧道結(jié)構(gòu)的損傷變形過(guò)程。

4 結(jié)論

為評(píng)價(jià)隧道橫穿高烈度地震區(qū)滑坡襯砌的減震效果，本文利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試得到不同烈度地震作用下隧道結(jié)構(gòu)的加速度和動(dòng)應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合模型結(jié)構(gòu)宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，采取多指標(biāo)評(píng)估方法進(jìn)行分析。主要得出以下結(jié)論：

（1） 坡體破壞階段劃分為變形累積階段變形加速階段變形破壞階段，表現(xiàn)出區(qū)域性損傷破壞的連續(xù)性;同時(shí)，隧道與坡體的空間位置關(guān)系和不同地震力的作用效應(yīng)，使得隧道結(jié)構(gòu)不同位置的損傷破壞具有一定的差異性。

（2） 地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)不同位置的加速度、速度和位移到達(dá)峰值的次數(shù)和時(shí)間存在差異;隧道結(jié)構(gòu)的局部及整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受不同頻段地震波的影響。

（3） 海綿橡膠減震層具有良好的減震效果，但不會(huì)改變隧道的受損變化形式和頻譜響應(yīng)特性;同時(shí)，減震層結(jié)構(gòu)在低強(qiáng)度地震下（0.1g～0.2g）的減震效果優(yōu)于高強(qiáng)度地震（0.3g～0.4g）。

（4） 地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)的損傷具有明顯的累積效應(yīng)?；赑DC評(píng)價(jià)指標(biāo)，可將隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)損傷變形分為彈性變形階段（0.1g～0.2g）、彈塑性變形階段（0.2g～0.3g）和塑性變形階段（0.3g～0.4g）。

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（本文編輯：趙乘程）