不同地质条件下隧道洞口仰坡地震破坏特性研究

王帅帅，高 波，隋传毅，闻毓民

（西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031）

1 引 言

山岭隧道受到周围岩体的约束，其动力反应一般不明显表现出结构自振特性的影响，长久以来被认为有良好的抗震性能，随着地下结构数量的增多和震害的频繁出现，山岭隧道抗减震研究开始受到国内学者高度重视。

汶川地震后，王峥峥等[1]在现场初步统计了公路隧道的震害情况，汇总有关公路隧道震害调查资料后，系统地描述了隧道的震害形态，分析了震害产生原因，认为隧道洞口是隧道惟一出露在地表外的部分，地震引起的滑坡和落石对隧道洞口结构造成了不同程度的破坏。崔光耀等[2]总结了汶川地震公路隧道洞口段震害类型，认为洞门、仰坡及明洞震害主要是由地震惯性力作用造成的，软岩隧道洞口段衬砌震害主要是地震惯性力和强制位移造成的。因此，对洞口段仰坡的动力稳定性作进一步研究具有重要的实际工程意义。

2 研究现状

随着数值仿真技术的不断发展，特别是非线性有限元分析手段的提高，数值模拟逐渐成为山岭隧道洞口抗减震研究的重要研究方式，可以模拟复杂的三维地下结构形式、复杂的围岩介质地质条件、复杂的地下结构和岩土动力本构关系以及不同的地震动输入形式、不同的边界条件影响等等。高峰等[3]、李育枢等[4]通过数值模拟，分析了围岩条件、衬砌类型对洞口段地震响应的影响，并得到了洞口设防长度为25～30 m，采用减震层和加固洞口围岩可以有效地减小衬砌的应力和位移等有益结论。

采用振动台试验法模拟地震振动，能够较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题，很好地再现地震过程。进行人工地震波的试验是试验室中研究结构地震反应和破坏机制的最直接方法，周德培[5]对南昆线乐善村2号和草庵2 座隧道进行了振动台试验，确定在8、9 度地震时，设防长度乐善村隧道为25 m，草庵隧道为21.6 m，强震时洞口仰坡会坍塌，坍塌程度与原始坡度、岩体状况等因素有关。申玉生等[6-7]对山岭隧道洞口段结构动力响应进行了大型振动台模型试验研究，建议设置隧道减震层改善隧道结构的整体受力状态，在隧道洞口段设置一定数量的减震缝，吸收地震能量，减小对结构的破坏，洞口段表面围岩应采取一定的加固措施，该结论已应用于雅安-泸沽高速公路高烈度地震区山岭隧道工程，在雅安芦山地震中隧道工作状况正常。李育枢等[8]以黄草坪2#隧道进洞口段为原型，开展了减震措施的大型振动台物理模型试验研究，试验结果表明隧道进口48～60 m 范围是隧道减震设防的重点区域，设置横向减震层和系统锚杆加固围岩均能有效地减少衬砌的动土压力和加速度反应，而且加固围岩的效果相对弱于设置横向减震层。蒋树屏等[9]在嘎隆拉隧道洞口段进行了地震响应大型振动台试验研究，认为隧道抗震重点是围岩的失效防治，减震层和抗震缝的减震率在45%左右。李林等[10]对浅埋偏压洞口段隧道进行了地震响应振动台模型试验研究，结果表明偏压隧道地表临空坡面导致加速度放大效应明显增加，隧道衬砌横截面共轭45°方向为较大内力值分布部位，无偏压隧道结构横截面内力呈反对称分布。耿萍等[11]通过铁路隧道振动台试验结果表明，洞口段抗震设防长度为3 倍隧道跨度时减震效果显著，验证了抗震设防长度的合理性。赵安平等[12]通过模型试验台试验，表明基覆边坡在地震力作用下的破坏模式是浅表层张拉而导致表层松散体流坍，重力墙、桩板墙等支挡结构对于基覆边坡的作用明显。何丽平等[13]针对组合式支挡结构开展了大型振动台模型试验，研究表明在两种结构的结合部位加速度放大系数发生了突变，故需要加强结构连接处的抗震构造措施。董金玉等[14]通过振动台试验得到边坡的破坏模式为地震诱发-坡肩拉裂张开-坡面中部出现裂缝-裂缝贯通-发生高位滑坡-转化为碎屑流-堆积坡脚。

国内山岭隧道洞口段抗减震研究已取得了很多成果，主要集中在于隧道洞口段衬砌结构本身的动力响应，针对洞口仰坡围岩动力作用下的力学特性和稳定性研究较少。然而，汶川地震中山岭隧道洞口段的震害调研表明，仰坡的稳定性，特别是边坡的滑坡和落石对隧道洞口段的破坏很严重[1-2]，因此，应对仰坡的动力稳定性作进一步研究，尤其是高烈度地震区的隧道洞口段仰坡动力稳定性研究。

3 模型试验方案设计

为了研究隧道洞口段仰坡的地震动力力学特性，本研究对洞口段均质仰坡、含软弱夹层仰坡和桁架梁加固仰坡3 种工况进行了振动台试验。振动台为中国地震局工程力学研究所的三向6 自由度振动台，台面尺寸为5 m×5 m，承载能力为30 t，水平向最大加速度为1.0 g，垂直向0.7g（根据实际荷载确定），工作频率范围为0.5～40 Hz。

3.1 模型试验依托工程概况

汶川地震中，龙洞子隧道洞口高陡仰坡产生滑塌和崩塌，使防护结构全部损坏，隧道右洞洞门被崩滑体掩埋，左洞洞门端墙开裂，帽石及翼墙局部被落石砸坏[1]。

隧道穿越白岩山背斜，地质条件以碳酸盐岩为主，核部为石炭系黄龙组，两翼为黄龙组及梁山组、阳新组。隧道围岩岩体受构造影响严重，岩体较为破碎，节理裂隙较发育。该隧道出口仰坡高陡，坡高约120 m，仰坡坡角为60°～70°，如图1 所示。

图1 龙洞子隧道地质剖面图Fig.1 Geological profile of Longdongzi tunnel

3.2 模型材料参数

综合考虑振动台尺寸、承载能力和隧道原型尺寸，确定几何相似比Cl=1/25，弹性模量相似比CE=1/42，根据相似关系得出密度相似比Cρ=1/1.4，其余物理量根据Bukingham π 定理，满足相似率的基本方程基本相似关系得到。

表1 模型相似关系和相似比Table 1 Similarity relations and ratios of physical parameters

根据正交试验设计理论，在课题组研究基础上[7-9]，隧道围岩采用粉煤灰、河沙和机油的混合物模拟，且粉煤灰：河沙：机油=0.56:0.30:0.14。衬砌材料选用中砂为骨料的微粒混凝土，以一定的水灰比和配合比组成的新型模型材料，其弹性模量和抗压强度与普通混凝土相比较低，有利于模型相似率的实现，且水泥：中砂=1:6，水灰比为1:6。软弱围岩由粉煤灰和石英砂拌合而成的黏聚力很小的模型土模拟。框架梁采用木条模拟，锚索采用镀锌铁丝模拟。

表2 模型土的力学参数Table 2 Mechanical parameters of similar material

3.3 模型制作

试验模型箱为刚性模型箱，尺寸（长×宽×高）为3.7 m×1.5 m×1.8 m，用槽钢为骨架、钢板为面板焊接而成，箱体两侧焊接了斜支撑以进行加劲。为减少激振方向侧壁对模型土的摩擦力，侧壁贴了一层光滑的聚乙烯塑料薄膜。为减少模型土沿激振方向边界面上波的反射，在垂直于激振方向的侧壁上铺设了厚170 mm 的聚苯乙烯泡沫板。为增加围岩材料和模型箱底部的摩擦力，防止围岩底面与模型箱底部发生相对滑移，在模型箱底部浇筑了1 层100 mm 厚的表面粗糙的砂浆层。衬砌模型每段长800 mm，沿隧道轴向依次为A、B、C、D 四段衬砌模型，衬砌间用环氧树脂植筋胶粘接成整体，以确保衬砌结构能模拟隧道原型的整体受力状态。第2 组试验中，在软弱面部位铺设了1 层3 cm 厚黏聚力很小的模型土以模拟软弱夹层。第3组试验中，框架梁采用横截面尺寸为2 cm×3 cm 的木条模拟，锚索采用镀锌铁丝模拟，采用预埋锚固块的方式为锚索提供锚固力。各模型具体尺寸见图2，围岩材料采用体积控制法分层填筑，以保证围岩材料的密度符合相似率要求。各制作完毕后的照片见图3。

图2 模型基本尺寸(单位：cm)Fig.2 The model sizes(unit:cm)

图3 试验模型照片Fig.3 Photos of experimental model

试验中输入汶川大地震的卧龙波，水平向和竖直向卧龙波均选取其东西向分量，按照时间相似比压缩，得到振动台输入地震波的加速度时程曲线，如图4 所示。试验为单向激振，先沿竖直方向按照0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.8 g 和1.0 g 的加速度幅值逐级加载，然后沿隧道轴向（水平向）按照同样的幅值序列激振。

注:其他类型的不定式极限0·∞、∞-∞、1∞，∞0、00可通过初等运算转化为这两种形式，从而运用洛必达法则来求出函数的极限。

图4 输入地震波加速度时程曲线Fig.4 Acceleration time history of input seismic wave

4 试验结果分析

4.1 均质围岩仰坡破坏形态

（1）模型土破坏形态

进行竖直方向激振时，随着输入加速度幅值增大，仰坡模型土整体保持稳定。当输入加速度达到1.0 g时，仰坡仅在坡肩部位和拱顶仰坡模型土出现少量竖向裂缝，总体上无明显破坏现象。

激振方向为隧道水平轴向，当水平向加速度较小时，洞口段无明显破坏；当加速度达增大时，坡肩首先有少量块体沿水平向抛射滑落，并且隧道拱顶上部模型土竖向裂缝扩展、变大、局部掉块，模型土上部坡顶面出现轴向裂缝，加速度进一步增大时，坡肩至坡面上部部位开始出现较大量的块体崩塌，沿坡面滑落，最终形成碎屑流堆积于坡脚。隧道洞口段均质仰坡破坏模式为：坡肩土体受到强烈水平向地震力作用而发生水平向拉裂，然后倾倒，最后崩塌滑落，本结论与董金玉等[14]的结果试验一致，仰坡破坏形态见图5。

图5 仰坡破坏形态照片Fig.5 Photos for failure mode of entrance slope

边坡破坏试验结果与汶川地震中龙洞子隧道高陡仰坡产生滑塌和崩塌、防护结构全部损坏、右洞洞门被崩滑体掩埋的震害现象符合，说明试验结果是可信的，见图6。

图6 龙洞子隧道洞口仰坡震害Fig.6 Earthquake damage of Longdongzi tunnel

（2）衬砌结构破坏形态

从图7 衬砌模型内部的裂缝分布可见，A、B两节衬砌的裂缝分布较为复杂，除了拱顶，拱腰和仰拱部位纵向裂缝，还存在较多斜向裂缝，呈现出明显的空间分布形态，而C、D 两段衬砌的裂缝则主要为纵向裂缝，呈平面结构受力状态。

从对比A～D 段衬砌的裂缝形态，A、B 两段衬砌模型明显处于三维空间应力状态，裂缝分布较复杂，出现了纵向裂缝，还出现很多斜裂缝，而C、D 两段衬砌则表现为平面应力状态，可以认为均质仰坡隧道洞口段地震影响设防深度为A、B 两段衬砌的长度，对应于实际工程中40 m，大概在3倍洞径深度范围，研究结论与耿萍等[13]的结论一致。

图7 衬砌开裂形态照片Fig.7 Photos for cracks on model linings

4.2 含软弱夹层仰坡破坏形态

进行Z 方向激振时，随着输入加速度幅值增大，仰坡模型土整体保持稳定。当输入加速度达到1.0 g时，隧道拱顶处仰坡和仰坡坡脚部位模型土出现挤压掉块，总体上无明显破坏现象，模型图破坏形态见图8。

图8 仰坡破坏形态照片Fig.8 Photo for failure mode of entrance slope

沿隧道轴向水平向激振后，当加速度幅值为0.2 g时，洞口段仰坡模型土整体保持稳定，坡顶表面沿软弱夹层部位出现张拉裂缝，但软弱夹层上覆土体未出现明显滑动和崩塌；当加速度幅值为0.4 g时，坡脚土体受到强烈地震力作用而压溃，坡顶表面沿软弱夹层部位张拉裂缝变宽，最后软弱夹层上覆土沿软弱夹层崩塌、滑落，模型土破坏形式与赵安平等[12]研究结论类似，说明模型试验结果可信，含软弱夹层仰坡破坏形态见图9。

图9 含软弱夹层仰坡破坏形态照片Fig.9 Photos for failure mode of entrance slope with weak intercalation

（2）衬砌结构破坏形态

从衬砌模型结构的裂缝分布来看，A、B 两段衬砌内部裂缝分布较第1 组要好，只在拱顶，仰拱部位出现纵向裂缝，主要是含软弱夹层仰坡破坏时水平向加速度小于均质仰坡。对比分析图10(c)和10(d)发现，跨软弱夹层部位衬砌裂缝较多，不仅在拱顶，仰拱处出现了纵向裂缝，还出现了许多斜裂缝，裂缝形态复杂，实际工程中应重点加强跨软弱夹层段衬砌结构。

4.3 桁架梁加固仰坡破坏形态

（1）模型土破坏形态

激振过程中，洞口段土体保持整体稳定，未出现整体的滑动和崩塌现象，当输入水平向加速度为0.8 g时，仅在框架梁部分梁格内出现了局部的掉块，坡顶表面出现了沿隧道轴向的裂缝，裂缝宽度较小，分布较多，见图11。

（2）衬砌结构破坏形态

对比分析图12 中A、B 两段衬砌内部裂缝分布形态，在拱顶和仰拱部位存在纵向裂缝，但裂缝宽度较小，与第1 组衬砌裂缝深度相比，加固后衬砌沿衬厚度方向没有贯通，整体上仰坡加固后，隧道衬砌结构受力状态较较好，呈平面应力状态，可见对洞口段仰坡进行加固可以明显改善衬砌结构内力分布形态。

图10 衬砌开裂形态Fig.10 Photos for cracks on model linings

图11 仰坡上部模型土开裂Fig.11 Photos for cracks at the top surface

图12 衬砌开裂形态Fig.12 Photos for cracks on model linings

5 结 论

（1）与水平向激振相比，竖向激振对洞口段仰坡的影响较小，即使输入竖直向加速度达到1.0 g，模型土整体上仍保持完整，只有含软弱夹层仰坡在坡脚局部挤压破碎。

（2）含软弱夹层洞口段仰坡破坏最严重，上覆土整体沿软弱夹层滑动、坍塌，均质仰坡仅在坡肩出现局部崩塌，桁架梁加固后仰坡整体抗震稳定性最好。

（3）仰坡坡肩为均质仰坡抗震薄弱部位，软弱夹层及其上覆土是含软弱夹层仰坡薄弱部位，而采用桁架梁加固后，洞口段仰坡和衬砌模型受力得到明显改善。

（4）洞口段衬砌，特别是跨软弱夹层部位衬砌，由于约束较弱，呈明显空间复杂应力状态，应加强抗减震研究，如采取设减震缝、减震层等，均质边坡隧道洞口段有效设防长度为40 m。

根据试验研究结论，建议实际工程中应对隧道洞口段均质仰坡坡肩重点加固，对坡脚进行隧道防护，根据崩塌土体范围，建议采用柔性防护网措施；对含软弱夹层洞口段仰坡应重点加固上覆土体，加固范围应深入软弱夹层后土体，防止地震作用下，上覆土体岩软弱夹层滑动、塌落。洞口段衬砌结构应通过加强配筋，设置纵、横向减震缝，减震层等多种方式进行减震防护。

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