跨断层隧道动力特性大型振动台试验研究

刘　云， 高　峰

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆　400074；2.重庆工业职业技术学院 建筑与环境工程学院，重庆　401120)

跨断层隧道动力特性大型振动台试验研究

刘云1,2， 高峰1

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074；2.重庆工业职业技术学院 建筑与环境工程学院，重庆401120)

通过与普通隧道进行振动台对比试验，探讨了跨断层隧道的地震响应规律及破坏特点，分析了衬砌裂缝的发展过程、加速度响应、应变大小以及围岩动土压力分布规律。试验结果表明：① 从应变和破坏现象上看，断层隧道的横断面破坏程度远大于纵向；② 强地震作用下断层隧道接缝处将产生较大的错动，接缝的错动极大影响隧道安全；③ 衬砌围岩动土压力具有两侧大、上下小的特点，临近破坏时隧道加速度响应将发生突变；④ 衬砌不同位置裂缝的产生和发展方向并不相同，顶部和底部由内向外发展，腰部两侧由外向内发展。以上试验研究结果可为断层隧道的抗震设计提供参考。

断层隧道；裂缝；加速度响应；应变；围岩动土压力

受围岩的约束作用，隧道结构通常具有较好的抗震性能[1]，然而大量事实表明，在遭遇强地震时位于断层破碎带附近的地下结构破坏较严重[2-3]。同时受断层高地应力影响，结构剪切变形较大，当穿越含水丰富的地区，将会引起隧道灾难性的破坏。目前，断层隧道的抗震设计已成为热点、难点问题，许多学者开展相关研究。其中，何川等[4]通过试验及数值模拟，研究了断层隧道的内力分布规律和变形特点; Moradi等[5]通过离心机试验得出增加地下结构厚度和降低围岩的刚度，有利于防止结构的剪切破坏；王铮铮等[6]建立了静-动力联合分析模型，研究了高烈度断层隧道的损伤反应特征；崔光耀等[7]通过试验探讨了断层黏滑错动时隧道在初衬和二衬间设置减震层的相关要求；蒋树屏等[8]依据统计资料，采用数值分析法对不同埋深的隧道动力响应规律进行分析。

尽管取得一些成果，但主要集中于某些特定工程，尚不足完全揭示断层隧道的破坏机理和动力响应特性；同时我国现行规范对于遭遇断层的隧道多为定性描述，主要是基于避让原则加以规定，可操作性不强。由于隧道通常为生命线工程，保障断层隧道安全对人民生命财产、抢险救灾意义特别重大，需要深入研究。因此，通过断层隧道与普通隧道的振动台对比试验，分析了断层隧道衬砌裂缝的发展过程、加速度响应、应变大小以及围岩动土压力分布特点，试验结果为穿越断层隧道的抗震设计提供参考。

1振动台模型试验概况

1.1试验模型基本情况

隧道振动台试验在哈尔滨工程力学研究所的地震模拟振动台上进行，其基本参数为：振动台台面尺寸为5 m×5 m，最大负荷质量25 t；最大位移：X,Y向均为100 mm，Z向50 mm；三个方向的最大速度为50 cm/s；X,Y向最大加速度为1.5 g，Z向最大加速度为0.7 g；振动台的正常工作频率范围为0.5～50.0 Hz。试验箱为普通刚性模型箱，考虑到模型箱需与振动台尺寸相互匹配，同时便于隧道模型的安置，其尺寸高×宽×长为3.5 m×1.5 m×1.8 m，试验隧道高度为0.25 m，宽度为0.3 m。每个管段长度为0.5 m，管段之间采用柔性连接，为得到跨断层隧道的动力响应规律，在2#管段与3#管段间设置断层，断层倾角90°，走向与隧道轴向夹角为30°。在5#管段与6#管段间也设置断层，断层倾角90°，走向与隧道轴向夹角为45°，具体布置见图1。

图1　隧道振动台试验模型布置图Fig.1 Tunnel model diagram for shaking table test

1.2试验相似比

需指出，本次试验目的为研究跨断层隧道的动力特性及破坏机制，并不针对某一特定工程，假设存在试验模型放大20倍的工程原型,采用重力相似律及量纲分析法[9-11]进行分析，选取密度、加速度、长度作为基本控制量，其中Cρ=1，Cl=20，由于原型和试验模型都处于同一自重场下，故加速度相似比Ca=1，其余物理量利用π定理导出(见表1)。值得指出的是：缩放试验(含振动台、离心机等)的尺寸效应还难以消除，原型缩放不易过大，以降低尺寸效应的影响；同时由于土体的复杂性，原型按照相似理论进行缩放后，很难找到完全满足所有相似比的试验材料，需根据试验目的进行判断，文章重点在于研究隧道的动力响应和裂缝的演化发展过程，侧重强度相似，弹性模量只是近似满足。

表1　模型主要相似常数

1.3材料最终的配合比及监测点布置

1.3.1材料配合比

试验中隧道围岩采用标准砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水的混合材料，配合比为70.2%∶11.8%∶7.2%∶0.03%∶0.57%∶10.2%，断层宽3 cm，采用松散的中砂填充，通过实验室进行相关力学参数试验，得到围岩、断层及衬砌的力学参数，见表2。

表2　模型材料物理力学参数

注：*为经验值

1.3.2监测点布置

为得到隧道衬砌的加速度、动土压力、应变响应规律，在1#、3#及5#管段衬砌四周设置相应的监测点，其具体位置见图2，其中应变片(环向及纵向)均贴着衬砌内侧，动土压力盒紧贴着衬砌外侧。

图2　传感器布置图(cm)Fig.2 Layout of acceleration meter (cm)

2模型边界条件及试验工况

2.1模型箱边界处理

在振动台试验中模型箱效应对试验结果影响较大，为尽量消除这种不利影响，保证模型箱能再现自由场结构的地震响应规律，课题组在模型箱内壁四周添加聚苯乙烯泡沫柔性材料吸收边界波，以此消除隧道相应的边界效应[12]，根据Soong[13]建立的等效阻尼Cd及等效刚度kd模型，通过试验方法进行测定。

Cd=G″V/ωh2，kd=G′V/h2

(1)

式中：V为体积；G′为柔性材料的存储剪切模量；h为柔性材料厚度；G″为柔性材料损耗剪切模量；ω为土体和模型箱的自震频率。通过计算最终得到聚苯乙烯泡沫柔性填充材料的厚度为18.5 cm。

2.2输入地震波和加载工况

本次试验选择2008年的汶川-卧龙波作为地震激励，利用0.05 g白噪声得到结构体的基本振动特性，试验中汶川-卧龙波从0.2 g开始逐级施加，直至加载到1.0 g，输入的地震波工况见表3。当地震波加速度为双向或三向输入时， 输入的地震波均为监测站记录的实际地震波，据统计资料表明地震时竖向加速度峰值与水平向峰值比值接近1/3～2/3[14]，因此试验竖向加速度峰值(Z向)按水平向(Y向)峰值的1/3后加载，其中图3显示的为模型试验输入0.8 g地震波时的水平向加速度曲线。

表3　地震波输入工况

图3　模型试验输入的水平向加速度曲线(0.8 g)Fig.3 Input horizontal seismic acceleration-time curve in model test(0.8 g)

3隧道动力响应及破坏机制分析

由于试验数据较多，文章主要针对1#和过断层的5#管段进行比较，分别得到普通隧道和断层倾角90°、走向与隧道轴向夹角为45°的断层隧道的动力响应特点。为叙述方便，将1#管段称为普通隧道，将5#管段称为断层隧道。需指出：由于试验时输入地震幅值由小到大，加速度响应、应变、动土压力等均有累积效应，为避免这种效应带来的影响，本文所列图表的数值大小都为扣除上一步加载工况后的数值。

3.1模型接缝处情况对比

图4为地震结束后各隧道接缝处的变形情况，可以看出普通隧道接缝错动很小，大约为1 mm，而断层隧道接缝错动明显，达到6 mm。试验可知，当断层隧道穿越含水丰富地区(如跨海隧道、跨河隧道)，在遭遇大地震时，接缝处的错动使水可能从接缝处涌入，对隧道安全造成巨大威胁，这点应引起工程部门重视。

3.2隧道衬砌破坏状态对比

3.2.1普通隧道

从普通隧道地震下最终破坏图(见图5)，只有衬砌腰侧外部产生细小裂缝，其余部分未发现明显裂缝，隧道的抗震性能较好，这和多次地震现象吻合。

3.2.2跨断层隧道

图6为跨断层隧道地震下最终破坏图，可看出在衬砌的顶部、腰部以及底部均出现裂缝。顶部和底部为内侧大外侧小，裂缝由内向外发展；而腰侧裂缝外侧大内侧小，裂缝由外向内发展，这点同普通隧道相同(见图5)。

3.3隧道加速度响应对比

图7为输入水平地震波峰值为0.2 g时，普通隧道与断层隧道监测点3的水平加速度响应对比图。图示表明监测点加速度具有一定的放大效应，普通隧道要略小于断层隧道。

图4 隧道接缝处错动Fig.4Faultmovementtunnelsjointing图5 普通隧道地震下最终破坏图Fig.5Finalfailurediagramofcommontunnel

图6 跨断层隧道地震下最终破坏图Fig.6Failurediagramofcross-faulttunnelsunderearthquake

图7　加速度响应时程曲线对比Fig.7 Time history contrast curve of acceleration response

由于数据较多，将各工况的监测点水平加速度峰值统计见图8。可以看出，在0.2～0.6 g隧道衬砌的加速度放大系数变化不大，除少数数据外，断层隧道数值均大于普通隧道；当输入加速度为0.8 g时，断层隧道监测点的水平加速度响应更加明显，衬砌动力特性变化巨大，推测与强地震下裂缝快速发展、隧道临近破坏有关。

图8　水平加速度放大效应对比Fig.8 Comparison of horizontal acceleration magnified effect

3.4隧道周围土压力对比

图9为输入0.6 g(YZ向输入)汶川地震波时断层隧道监测点1的动土压力时程曲线，可以看出围岩动土压力随着地震作用变化而不断变化，在地震作用的峰值时刻达到最大值。为保证隧道动力设计的安全，将围岩动土压力峰值进行统计，见图10。

图9　断层隧道测点1动土压力时程曲线(0.6 g)Fig.9 Time history curve ofdynamic earth pressure of key point 1 (0.6 g)

图10　衬砌围岩峰值动土压力对比Fig.10 Comparison of surrounding rock peak pressure at lining

由图10可知,输入的地震作用越大，围岩动土压力越大；相同情况下断层隧道的围岩动土压力要大于普通隧道；衬砌两侧的动土压力要大于顶部和底部，因此进行抗震设计时需对衬砌两侧进行加强处理。

3.5隧道衬砌应变对比

将各监测点的应变统计见表4和表5，由于试验中部分应变片损坏(如测点4)，造成部分数据缺失。从表4的环向峰值应变分析可知：除少数数据外，断层隧道监测点应变大于普通隧道；两种隧道类型都是测点1的应变数值较大，这与隧道衬砌不同位置裂缝发展方向相吻合，即衬砌顶部裂缝由内向外，腰部由外向内，紧贴着衬砌内侧的测点1的数值较大(监测部位为衬砌顶部)。

表4　环向峰值应变对比

从纵向峰值应变(见表5)分析，其大小也随地震作用增大而增大，普通隧道同断层隧道两者数值相差不大，同表4比较后可知纵向峰值应变要普遍小于环向应变，这与试验中没发现横向裂缝的现象相吻合。

表5　纵向峰值应变对比

4结论

通过振动台对比试验探讨了穿越断层隧道的动力响应和破坏规律，得出以下研究结论：

(1) 当遭遇高烈度、强地震作用时，断层隧道接缝处易产生较大错动，对隧道安全造成威胁。因此处于地震频发地区的断层隧道接缝处理，应引起工程师重视。

(2) 隧道衬砌在地震作用下存在一定的加速度放大效应，相同情况下普通隧道地震响应程度要低于断层隧道；当衬砌结构临近破坏时，加速度放大效应系数将发生突变。

(3) 从断层衬砌裂缝的发展方向分析得出，顶部和底部裂缝由内向外发展，腰部裂缝由外向内发展；断层隧道裂缝数量明显多于普通隧道，后者抗震性能更好。

(4) 两种隧道类型的围岩动土压力都存在两侧大、上下小的特点，应对衬砌两侧进行加强处理；相同情况下，断层隧道的受力及应变比普通隧道更大，进行隧道抗震设计时须结合围岩特点，保证隧道安全。

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Experimental study on the dynamic characteristics of a tunnel-crossing fault using a shake-table test

LIU Yun1,2, GAO Feng1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. Faculty of Architechtural and Enviromental Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

Through comparison by means of shake-table tests between common tunnels and cross-fault tunnels, the seismic response law and failure characteristics of the cross-fault tunnels were discussed. Besides this, the developing process of the lining cracks, the acceleration response, the strain magnitude and the distribution regularities of surrounding rock pressure in these tunnels were investigated. The comparative results show the following characteristics: ① Judging from the strain and damage phenomenon, the cross-sectional extent of the fault tunnel is much larger than that in the longitudinal direction. ② When encountering strong earthquakes, large dislocations will emerge at the construction joints, and joint dislocation will greatly affect the security of the tunnel. ③ The surrounding rock pressure of the lining is bigger at the waist and smaller at the top and bottom, while the acceleration response of the tunnel will occur as a mutation near the destruction. ④ The generation position and development direction of different lining location cracks are not the same. The cracks at the top and bottom will grow from the inside to the outside. However, those at the two sides will grow in the opposite direction. The above analytical results can provide beneficial reference for seismic design of the cross-fault tunnels.

cross-fault tunnels; crack; acceleration response; strain; surrounding rock pressure

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.025

国家重点研究发展计划(973)项目资助(2011CB013600)；国家自然科学基金资助(51178490)；山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地(重庆交通大学)开放基金( CQSLBF-Y14-14);重庆市研究生科研创新项目(CYB15108);重庆工业职业技术学院校级科研项目(GZY201507-ZK)

2015-06-29修改稿收到日期：2015-11-22

刘云 女，博士生，1988年生

高峰 男，教授，博士生导师，1964年生

U45

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