黄土隧道仰边坡及洞口段地震动响应试验研究

边 磊,梁庆国,张钦鹏

(1.土木工程国家级实验教学示范中心(兰州交通大学),兰州 730070； 2.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

21世纪以来，西部地区在交通基础设施建设方面取得了举世瞩目的成就，包括兰新客运专线、宝兰客运专线、连霍高速公路等一批高速铁路、高速公路的建成通车，其中宝兰客专是我国高速铁路“四纵四横”网络中的重要组成部分，其正线全长401 km，全线共有隧道78座，总长273 km，其中大部分隧道穿越湿陷性黄土分布区。众所周知，黄土分布区同时又是地震活动频发区，据相关资料记载，仅强度大于7级的强烈地震就有6次[1]，同时伴随强震的地质灾害也较为严重[2-3]。随着西部大开发的进一步深入，对该地区的抗震减灾工作提出了更高的要求[4]。2008年我国四川汶川特大地震的发生，都迫切要求进一步认识岩土材料的动力学行为及土工构筑物的地震破坏规律[5]。“5·12”四川汶川特大地震造成了多座交通隧道的严重破坏，其中隧道洞口段的破坏尤其严重，这引发了众多学者对隧道洞口段抗震性能和结构稳定性的关注和研究，随后一段时间发表了相当数量的有关强震作用下隧道，尤其是洞口段的震害调查统计、类型与破坏机理分析[6-11]、震后快速抢修[12]和洞口段抗震减震优化措施[10-13]等领域的文章。因此作为最易受到地震波威胁的洞口段应是抗震设防的重点[10-14]。本文将利用大型振动台试验对黄土隧道洞口段边坡的稳定性进行动力分析。

1 振动台试验方案设计

图1 振动台整体构造

本次振动台模型试验以郑西客专和宝兰客专线上较典型的黄土隧道为工程背景(王家沟隧道)。模型试验借助中国地震局兰州地震研究所的大型电伺服式地震振动台(图1)。该振动台台面尺寸为4 m×6 m，共由28台伺服电机共同驱动，其中，垂直向由16台22 kW的AC伺服电机驱动，水平向由12台37 kW水冷式伺服电机驱动。

1.1 试验模型箱设计

试验采用刚性密封模型箱，其尺寸为2.8 m(长)×1.4 m(宽)×1.1 m(高)，模型箱实物如图2所示。长度方向两侧为3 cm厚的有机玻璃板，宽度方向两侧为2 cm厚的钢板。箱体四角固定M20吊环以便吊装，底部采用50个六角螺钉组M16×60固定在振动台台面上。为减小模型箱所造成的边界条件的影响，在土体与模型箱接触的前后两侧加入锯末掺和土缓解边界土体的变形。

图2 试验模型箱

1.2 模型相似性设计

进行振动台模型试验一般需要满足几何相似、物理相似和试验材料相似。但很多情况下三者并不能同时满足，因此本文主要考虑几何相似性和试验材料相似性。

(1)几何相似性

试验原型为宝兰客运专线典型大断面黄土隧道，振动台模型试验按照1∶70的比例将原型进行缩小。原型与试验模型结构尺寸见表1，试验模型如图3所示。

表1 原型与试验模型结构尺寸

图3 试验模型示意(单位：cm)

(2)材料相似性

原型土、模型土压实后的物理力学参数对比见表2。黄土隧道的衬砌施工时通常采用C25混凝土，因此试验中用石膏这类脆性材料来模拟隧道衬砌比较合适，为使石膏衬砌模型与现场混凝土衬砌满足相似比，衬砌采用水∶石膏=2∶1的混合材料来制作；为了保证衬砌抗弯刚度的相似，采用φ1 mm的铁丝网来模拟衬砌内的钢筋网，为保证衬砌强度相似，衬砌制作完成后静置1周。

表2 原型与模型压实后的物理力学参数

1.3 模型制作

本次模型试验所用的填土就近取自兰州刘家坪某边坡表层剥落松散的Q3原状黄土，总共取土量约6.5 m3。然后取少量填土试样进行室内试验，得出试验填土的液限WL=33.8%，塑限WP=17.6%。塑性指数IP=16.2，最佳含水量为16.5%，相应的最大干密度为1.78 g/cm3。因此土质为粉质黏土。

隧道衬砌相似材料主要采用石膏，根据方案设计，预制长95 cm的衬砌段。为保证衬砌结构的一致性，衬砌采用双层白铁皮模具预制方法加工而成，采用φ1 mm的铁丝网来模拟衬砌内的钢筋网，将铁丝网卷成直径为17 cm的圆筒并放置在双层白铁皮模具中，铁丝网高度略大于白铁皮模具高度，方便安放两段衬砌时进行现浇，如图4所示。浇筑衬砌时，水膏比保持2∶1，由于在冬季试验，因此用热水浇筑，并且周围放置“小太阳”防止温度较低时石膏不能充分溶解。衬砌初凝后拆除模具，将衬砌段放置在有采暖设备的屋内养护一周。

图4 隧道衬砌的制作

1.4 传感器布置与模型填筑

(1)加速度传感器

试验的加速度传感器采用东华DH301型电容式加速度传感器，如图5所示。传感器埋设过程中，根据测定方向直接将传感器埋入到土体中，轻压周围土体固定传感器。加速度传感器的具体布置见图6，试验布置13个加速度传感器：A0～A4和A5～A8分别每隔23 cm埋设1个传感器，传感器紧贴衬砌上下面布置，周围用土压实；A10～A13水平布置，分别与A5～A8对应相距20 cm，分别与坡顶相距5 cm。

图5 测试原件

图6 加速度传感器布置(单位：cm)

(2)土压力传感器

土压力传感器为CYY9型土壤岩石压力传感器，如图5所示，埋设过程中，将传感器水平埋入到土体中，轻压周围土体固定传感器。土压力传感器的具体布置见图7。

图7 压力传感器布置(单位：cm)

试验布置15个土压力传感器：T1～T5和T6～T9分别每隔21 cm埋设一个传感器，离衬砌的垂直距离为2 cm；T11～T14水平布置，分别与T6～T9对应相距20 cm，分别与坡顶相距5 cm。T10、T15和T16等距分布，且与3排传感器分别在同一直线上。

(3)数据采集系统

加速度和土压力数据采集系统采用东华DH5929型处理分析仪，如图8所示。

图8 DH5929型数据采集仪

(4)模型填筑

将取土配成含水率为16.5%的试验填土，均匀翻拌，两组试验分别在模型填土完成并静置24 h后进行，模型静置时用塑料布覆盖好。按照传感器竖向分布距离，分层进行填筑，每层填筑厚度15～25 cm，填筑时采用人工分层夯实，控制每层土体的夯实密度为1.70 g/cm3，即控制压实度为95%，填筑完成后的最终含水率为15.5%，模型如图9所示。

图9 模型的填筑和成型

1.5 加载地震波设计

振动台试验采用输入加速度时程曲线的方式来实现模拟地震波，为了研究在动力作用时不同进洞高程下边坡失稳特性及隧道洞口段动力响应特征，本次振动台模型试验分别采用正弦波(3～50 Hz)、汶川卧龙波、EL-Centro波3种加载波形，采用水平方向(X)和竖直方向(Z)为加载方向，试验设置13个加载工况，为了研究不同地震荷载加速度幅值和加载方向条件下，衬砌结构和坡体的动力响应情况，按照7度、8度、9度、9度强烈度递增的顺序分水平方向(X方向)和垂直方向(Z方向)对模型进行加载，具体加载工况见表3。

表3 试验加载工况

2 动力响应分析

2.1 模型结构变形破坏过程

试验选择隧道在一侧0.5H高程处进入边坡，另一侧边坡无隧道。图10～图12分别为边坡坡体裂缝、隧道洞口裂缝分布以及模型整体失稳破坏示意。

图10 边坡坡体裂缝

当地震动峰值加速度达到0.40g时，坡顶出现横向裂缝，达到0.80g时坡顶横向裂缝宽度快速变大，裂缝到坡顶边缘的距离约为18 cm；当地震动峰值加速度达到1.20g时，坡脚以及坡中到坡顶之间出现多条斜向裂缝，并逐渐扩展、变大；右拱脚处出现明显滑塌，拱顶和拱脚处裂缝较多，坡面和坡脚处出现多条横向裂缝；当地震动峰值加速度达到1.40g时，模型发生整

图11 隧道洞口裂缝分布

图12 模型整体失稳破坏

体失稳破坏，沿坡顶、坡面和坡脚处的横向裂缝发生滑塌和震陷，洞口被掩埋的现象，洞门处有大块土体，并且当峰值加速度增大时，拱顶和拱肩处有少量块体水平抛射滑落，最终小块碎土和大块土体堆积于坡脚。两侧边坡出现贯通裂缝，坡顶出现错台和震陷现象。上述现象与吴冬[15]、董金玉[16]等的试验结果所反映的破坏特征基本一致。

2.2 隧道存在对黄土边坡动力响应影响

水平入射的地震波对洞口仰坡稳定性的影响是主要的，垂直入射的地震波的影响则弱于前者。利用加速度放大系数(PGA)来表征黄土边坡动力响应特征，PGA表示在同一工况下，两侧边坡上各测点的加速度最大值与台面所测加速度最大值的比值，GK则表示加载工况。参照图6的传感器布置得到图13的不同工况下坡顶水平方向加速度放大系数的变化曲线。由图13可知，靠近坡顶边缘处的加速度放大效应比较明显，这与试验中坡顶边缘最先开裂破坏的观测结果一致，坡顶中部(50 cm)处的加速度放大系数也偏大，但坡顶边缘与坡顶中部之间的加速度放大效应较小，随着输入加速度峰值的增大，放大效应逐渐增大。对比图13(a)、图13(b)可知，水平入射的地震波对洞口仰坡稳定性的影响是主要的，垂直入射的地震波的影响则弱于水平入射的地震波。

图13 不同工况下坡顶水平方向加速度放大系数的变化曲线

隧道的存在会影响边坡的稳定性，图14通过对不同工况下有隧道和纯边坡上的坡面加速度放大系数PGA进行对比分析，得到有隧道边坡的PGA普遍大于纯边坡的，说明隧道的存在对边坡坡面加速度有放大效应，坡顶边缘处的动力放大效应更加明显，随着坡面高度的增加PGA也在增大，并且增加趋势呈线性增长，在进行GK8加载时坡顶的放大系数达到最大值。

图14 存在隧道和纯边坡对坡面加速度放大系数

2.3 隧道洞口段的加速度响应特征

蒋树屏等[17]研究表明，从衬砌关键位置(拱顶、拱肩、拱脚、仰拱)的动力响应峰值分布来看，拱顶和仰拱位置处的动力响应比其他位置更为强烈。根据图6提取试验的4种工况下沿隧道轴向各监测点仰拱和拱顶加速度峰值的最大值及所在位置见表4。由表4可知，仰拱最大加速度多出现在A3附近，拱顶最大加速度多出现在A7周围。参照图6可知，A3-A7断面到洞口的距离为73 cm，是隧道最大跨径18 cm的4.06倍。整体来看，仰拱最大加速度普遍略大于拱顶最大加速度。

分析监测点最大加速度多出现在距洞口3.89～4.06倍隧道跨径处，加速度沿隧道轴向一般存在着先快速增大再减小的规律。考虑到洞口结构的特殊性，建议洞口抗震设防长度为5倍隧道跨径处较为合适。

表4 不同工况下的加速度传感器数据

2.4 隧道衬砌土压力特征分析

本节主要讨论黄土隧道洞口段的动应力响应特征，如表5所示，根据图7提取试验4种工况下沿隧道轴向各监测点仰拱和拱顶土压力峰值的最大值及所在位置，由表5可知，随着地震动峰值加速度的增大，仰拱和拱顶的最大土压力值位置逐渐向隧道洞内延伸，即相应的抗震设防长度增大，T4-T8断面到洞口的距离为75 cm，是隧道最大跨径的4.17倍，这与大部分文献所考虑的抗震设防长度基本一致，考虑到黄土的特殊工程性质以及洞口段抗震的重要性，可以考虑抗震设防长度为隧道最大跨径的5倍，仰拱土压力值普遍大于拱顶处土压力。

表5 不同工况下的土压力传感器数据

3 结论

(1)试验过程中模型出现了坡顶边缘的横向裂缝、坡面中上部和坡脚处的横向裂缝、坡顶中部的纵向裂缝、拱顶和拱脚处的斜向裂缝、坡顶中部的错台和震陷。随着地震动峰值加速度的增大边坡鼓出现象越来越明显。整体看，存在隧道一侧滑塌破坏程度大于纯边坡一侧。

(2)隧道的存在对于坡面的动力稳定性有着重要影响，相同仰坡坡度的黄土边坡，存在隧道的模型坡面加速度大于不存在隧道的纯边坡模型的坡面加速度。坡顶边缘处的动力放大效应比较明显，当台面峰值加速度增大时会出现放大效应趋于“饱和”的现象。

(3)随着地震动峰值加速度的增大，仰拱和拱顶的最大土压力值位置逐渐向隧道洞内延伸。洞口段衬砌加速度和土压力沿隧道轴向一般先增大再减小，根据分析建议洞口段的抗震设防长度为5倍最大洞径。

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