穿越断层隧道钢筋橡胶接头振动台试验研究

2021-07-14闫高明申玉生隋传毅周鹏发

振动与冲击 2021年13期

闫高明，申玉生，高波，隋传毅，郑清，周鹏发

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室土木工程学院, 成都 610031；2. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

隧道通常被认为具有较好的抗震性能，但是国内外历次地震表明隧道也会遭到严重的破坏[1-2]。例如1999年台湾集集地震中，台湾中部距发震断层25 km范围内就有44座隧道受损，严重受损者达25%，中等受损者达25%[3]。2008年汶川地震中，多达30座隧道受到损害[4]。这些地震中穿越断层的隧道往往破坏最为严重。例如，2008年汶川地震，龙溪隧道，龙洞子、紫坪铺隧道等几个破坏最为严重的隧道都穿越了断层。因此，穿越活动断层的分析和及其抗减震措施的研究是高烈度地震区隧道工程建设的一个难以回避的重要问题。目前，国内外针对穿越断层的隧道的抗减震措施已经做了大量研究，提出隧道的减震措施主要有扩挖，设置减震层，设置减震缝[5-10]。单独采用横断面扩挖的方式必将导致隧道开挖面过大(图1)且不利于衬砌结构安全性的问题。而设置减震层对于隧道受断层的错动的影响较小，如图2所示。设置减震缝的措施虽保证了隧道的破坏由整体变为局部，但是因为是节段处的完全断开，容易造成某位置发生剪切变形大甚至错台，故不利于震后交通尽快的抢修运营。

图1 隧道扩挖受断层错动影响示意图

图2 隧道设置减震层受断层错动影响示意图

近年来，有学者提出了柔性接头的设计[11-12]。在隧道穿越断层处，设置接头后，衬砌节段能够通过自适应变形适应地震造成的强制位移，衬砌发生阶梯式位移，减小了应力集中(图3)，同时保证隧道发生局部破坏。虽然柔性接头的理念已有人提出，但是具体的接头形式以及设置接头隧道的地震响应特征和破坏形态的模型试验还鲜有人研究。振动台模型试验则能够较好地控制试验条件，模型尺寸比例相比离心机试验也更大，是目前一种有效的研究手段。

图3 隧道设置柔性接头受断层错动影响示意图

本文提出一种新型的钢筋和橡胶相结合的接头形式，通过振动台试验研究设置此新型接头的山岭隧道的地震响应特征和破坏形态，为隧道结构特别是高烈度地震区穿越活动断层隧道的抗减震设计提供必要的理论参考和技术支持。

1 接头设计

传统隧道的防震害措施主要是基于对地震动的“抗”和“减”，都是属于被动的设计思路，本文基于“引”，“让”的这种主动防御震害的设计思路[13-14]，提出一个钢筋和橡胶层相结合的接头方式。本文所提出接头主要由钢筋和橡胶层组成，如图4所示。接头位置处设置钢筋搭接，同时用柔性橡胶填充，使接头具有橡胶的柔性和钢筋的延性，命名此接头为钢筋橡胶接头。设计该接头的刚度小于衬砌节段的刚度，地震作用时，由于接头的柔性和延性，断层区域衬砌节段之间可以先通过自身的自适应移动释放部分地震动能量，减小对衬砌本身的影响。大震时，由于该接头的刚度相对较低，具有一定的延性，可以将地震动的能量“引”到节段间消散一部分能量，接头破坏使隧道的破坏局部化，更有利于震后的快速抢修。

2 振动台模型试验

2.1 背景工程概况

本系列试验以在汶川地震中受损严重的龙溪隧道为背景工程。龙溪隧道位于岷江左岸都江堰龙溪镇—汶川映秀镇间的茶坪山以南地段，地形起伏较大，受岷江切割，隧道轴线走向北西，越岭山脊走向北东，与轴线大角度相交。总体上隧道区内岭脊两侧沟谷发育，山体地形破碎，显示为沟谷相间的地貌形态。隧道洞身段穿越F8断裂，地层走向总体表现为北东东，倾向北西，倾角50°～80°。F8 黏滑断层破碎带为V级围岩，断层上下盘围岩均为IV级围岩。试验中模拟断层宽度为3 m，隧道宽9.20 m，高8.04 m。

2.2 振动台设备介绍

本次试验所用振动台为西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室振动台，地震模拟振动台面尺寸为8 m×10 m，负载能力160 t，具体技术参数如表1所示。

表1 振动台参数

本次模型试验隧道模型在刚性模型箱(2.5 m×2.5 m×2 m)中进行，模型试验箱由钢板和角钢焊接而成，用高强螺栓固定在振动台上，在模型箱内部的四周放置EPS土工泡沫材料，以用来吸收边界反射的震动能量，减小隧道模型边界效应的影响。在模型箱底部铺设一层砂浆混凝土垫层，增大模型箱底部与模型土的摩擦，防止试验中模型箱与围岩模型发生相对位移。

2.3 模型相似材料参数及制备

模型试验的相似材料是试验的关键，只有准确模拟出实际隧道周围的地质条件参数，有效的数据才可以被获得。根据背景工程的设计图纸以及试验的条件，本次试验选取的基本量纲是几何尺寸、密度和弹性模量，其相似比分别为1∶30，1∶1.5，和1∶45，其他物理量相似参数根据Bukingham π定理计算得到，具体值如表2所示。

表2 振动台试验相似关系

试验中，重力加速度的相似比应该为1，因为试验的重力条件与实际隧道的条件一致；应变相似比应该为1，因在实际工程中，试验与原型的应变特性和动力响应应该是一致的。

在选择围岩和衬砌相似材料时，一般应符合下列基本要求：① 均匀性、各向同性和连续性；② 模型与原型材料泊松比相同或相近,其它力学性质相似；③ 改变材料的配比可使材料力学性质在一个较大范围内变化；④ 材料相互间不会发生化学反应。围岩相似材料一般由骨料、胶结材料和辅助材料三类材料组成。本试验选择围岩相似材料的原材料选择河沙作为骨料，主要是由于其自身的均匀性可以模拟实际围岩中的离散型；选择机油作为胶结材料主要是由于机油的胶结能力较弱可以较好的模拟软弱围岩；选择粉煤灰作为辅助材料主要是为了满足所需材料密度较低的特性，因为粉煤灰是比表面积大的多孔结构，而且具有强大的吸附能力，可以减少机油挥发。

依据正交试验设计，最终确定模型试验IV级上下盘围岩的配比是粉煤灰∶河沙∶机油50∶40∶10，断层破碎带的配比是粉煤灰∶河沙∶机油57∶31∶12，围岩基本力学参数如表3所示。

表3 围岩和衬砌的原型和模型参数

将按本次试验物理力学参数要求制备好的围岩相似材料以松散状均匀填入模型箱内，反复压夯至预定标线，然后环刀取样复核容重值，合格后再填第二层，每个结构体分多层填入，每层压实完毕，用铁钩在表面划毛后再填下一层，以使结构体无成层现象。填料完毕，再静放24 h，使其经过土体的自平衡阶段。

石膏与混凝土相近，均属脆性材料，且性能稳定，成型方便，易于加工，其强度和弹性模量较小，可以模拟混凝土结构的破坏行为。刘学增等[15-17]采用石膏和水按照一定比例配制衬砌结构的相似材料。结合隧道试验中相似材料的基本物理力学参数指标的要求，采用正交试验法进行配比试验设计，经多次试验配比的调整，最终确认相似材料水∶石膏∶硅藻土∶石英砂∶重晶石的配合比为1∶0.6∶0.2∶0.1∶0.4，其相关物理力学参数见表3。考虑到石膏容易吸水受潮，刷清漆能保证试块不吸水软化，故本次衬砌制备过程中都对衬砌模型表面刷了一层薄清漆。

2.4 接头设计

依据上文中提出接头形式，试验中接头形式主要是先将衬砌节段预留的钢筋网搭接，在节段间剩余空间采用橡胶填充(如图5所示)。具体过程先在接头断面上搭接钢筋网，然后在剩余空隙处铺设橡胶减震层。结合工程实际，又由于试验条件、制作难度等各因素的限制，该接头长度取为2 cm。此接头是钢筋延性材料和橡胶柔性材料相结合的接头。接头的材料参数如表4所示。

图5 接头形式

表4 接头材料物理力学参数

2.5 监测方案制定

依据试验目的针对性地布置传感器既可以获得有效的试验数据，又可以减小传感器对试验结果地影响。本试验布置5个监测断面，分别命名I、II、III、IV、V监测断面。II、III、IV断面位于断层区域内，为主要监测断面，I、V断面为次要监测断面。具体试验监测方案如图6所示，衬砌自左至右依次命名A、B、C、D、E、F、G和H段，其中A、H段衬砌长度为80 cm，B和G段衬砌长为20 cm,其余衬砌节段均为10 cm。I、V断面分别距两端边界为60 cm，II、III、IV监测断面位于衬砌节段的中间位置。由于地震波的激振方向为水平垂直于隧道轴向，考虑到应变片通道数的限制和对称性，故次要监测断面I、V仅布设了半环应变片，衬砌内外侧对应布设，布设位置为拱顶(S1)、拱脚(S4)和仰拱(S5)；主要监测断面II、III、IV全环布置，布设位置为拱顶(S1)、拱肩(S2)、拱脚(S4)和仰拱(S5)，每个监测点内外两侧均粘贴应变片。其中III号监测断面完全位于断层内，II、IV号监测断面位于断层边缘。I～V号监测断面联合可用于考察断层影响范围，II号与IV号断面可以考察上下盘内衬砌结构不同的应力情况。试验中所用应变片采用1/4桥连接，其应变片型号为BX120-3AA，电阻值为120.2 Ω ±0.1%, 灵敏系数是2.05 ± 0.28%, 栅尺寸是3 mm ×2 mm。

图6 模型监测方案

试验共设置7个加速度计。其中有6个压电式加速度传感器(TST120A500)，其参考敏度为0.516 V/g，测量范围是10g，频率范围是0.2～3 000 Hz。 I至V监测断面仰拱内侧各布置一个，土体顶面布置一个，A3号加速度计位于断层内，A1至A5可以考察断层影响范围， A2与A6可以考察垂直距离上断层边缘加速度放大效应，A2与A4联合考察上下盘距离断层等距离位置的加速度响应情况。另一个磁电式加速度传感器(TST125H)，其灵敏度为0.345 V/(m/s2)，测量范围是20 m/s2，频率范围是0.25～100 Hz。该加速度计布置在台面处，用来记录输入地震波。

2.6 加载方案

在地震中，部分穿越非发震断层的隧道既受到断层错动的影响，又受到地震动的影响。针对非发震断层对隧道影响的模拟，目前主要有两种研究方法：拟静力断层错动和地震波激励方式[18-20]。但是两者加载方式都没有很好的再现断层错动和地震波激励两者共同作用对隧道的影响。在地震中，断层错动的时机和机制尚不清晰，同时考虑到振动台试验的条件，本次试验将非发震断层对隧道的影响简化为两步加载。

第一步，加载断层错动。2008年汶川地震后龙溪隧道错动达1 m，根据相似关系，本试验错动位移取3 cm。将模型箱上盘底部的四个千斤顶同时释放3 cm模拟正断层错动。

第二步，加载地震波。本试验采用汶川地震中断层附近茂县地办台站监测的EW向分量的地震波，与隧道轴线垂直的水平方向进行激震，选择原地震波20～165 s期间的地震波，加速度持时按照时间相似比1:5.5进行压缩，如图7所示。图8为输入地震波三维时频分析图。其中，地震波能量大部分在时间域上主要集中在前15 s内，在频率域上主要集中在20 Hz内。

图7 输入地震波加速度时程曲线

图8 输入地震波三维时频分析图

第二步地震动加载之前，先加载0.05g白噪声，主要是用于获得振动台系统的传递函数，使振动台能够准确再现输入地震波。然后加载试验地震波。

2.7 模型自振频率分析

模型箱是试验的载体，是模型试验的顺利进行关键所在，因此要求模型箱有足够的强度和刚度，在试验过程中保存稳定，不宜变形过大。同时试验中要求模型箱的自振频率不能与模型土自振频率相近，以免发生共振。

由于模型箱的上下盘相互独立，对上下盘独立建模。通过研究，错动式刚性模型箱上盘、下盘的一阶频率分别为16.239 Hz和18.264 Hz[21]。

模型土自振频率通过有限元软件模态分析得到。模型土尺寸依据模型试验确定为长2.5 m，宽2.5 m，高 2.0 m。模型土用实体单元模拟，材料采用摩尔库伦本构，具体参数与试验相同。根据模型试验的实际情况，数值模型边界设置为：底部采用采用全约束，与隧道轴向垂直方向两侧水平垂向约束；由于地震波加载方向为水平剪切向，所以与隧道轴向平行方向两侧自由不约束。通过模态分析得到模型土的一阶频率为14.129 Hz。

建立包含隧道结构的模型土-结构数值模型，模型土尺寸、材料设置与上文相同，衬砌结构尺寸与试验相同，采用实体单元模拟，采用弹性本构，具体参数与试验相同，衬砌与围岩间以“Tie”接触模拟，即假设模态分析中两者间不产生相对滑动。边界条件设置与上文相同。计算此模型的一阶频率为13.971 Hz。

计算结果表明土体自振频率与模型箱的自振频率较为接近，由此模拟结果可判断模型箱在进行振动台实验时可能会发生共振现象，因此需要改变模型箱的自振频率。

试验开始之前在刚性模型箱底部焊接了一块钢板，在箱体四周进行横梁加固。这样提高了此模型箱的自振频率满足不发生共振的要求，同时加固了模型箱，使其在试验过程中更加稳固。

通过图9和图10可知，两模型的一阶频率基本相同，这说明隧道的存在对模型土的一阶频率影响不大，隧道结构对地层具有明显的追随性和依赖性。

图9 模型土模态分析

图10 模型土-结构模型模态分析

3 试验结果

3.1 加速度响应分析

限于篇幅，这里选取0.3g加速度峰值地震波作用下隧道结构的加速度响应数据进行分析。图11为0.3g时衬砌结构I、III和V监测断面的加速度时程曲线和频谱曲线。从图中可知，不同位置的加速度时程曲线与输入地震波时程曲线特征相似，主要的不同点是它们的加速度响应峰值不同。以上表明接头的设置不改变衬砌结构的加速度响应特征，但是改变了加速度影响的峰值。除了H节段A5处加速度响应峰值大于输入地震动峰值，其他两个监测断面均小于输入地震动峰值。隋传毅等[22]通过振动台监测到的断层处的加速度响应峰值大于输入地震动峰值。这是由于H节段A5位于距断层远端的下盘，模型土与衬砌节段相对紧密接触，衬砌节段随着模型土一起振动，故其加速度峰值稍大于输入加速度值；而上盘和断层区域受到断层错动影响，对隧道的约束减弱，接头的变形调整能力使该位置处衬砌的加速度峰值减小。从频谱图可以看到，相对A节段A1和D节段A3处的频谱图，H节段A5位置频谱图的高频成分最显著，说明随着断层错动和地震波的影响，断层处和上盘部分的模型土软化要严重一些。由图11(f)可知，H节段A5位置的一阶频率为10.68 Hz，这与数值计算有较好的吻合性。与上节数值计算的模型土-结构的频率相差约23.5%，这可能是由于错动和地震动加载对下盘模型土的软化影响造成的。以上分析也说明隧道结构对地层有追随性和依赖性。

(a) A1加速度时程图

3.2 震后破坏形态

震动加载结束后，模型土开挖到衬砌位置时，对衬砌进行必要的外观拍摄和测量，然后取出衬砌节段，在模型表面以标注手绘裂纹的方式记录隧道的破坏形态，如图12和图13所示。因模型两端衬砌A、H节段破环较小，故在图中没有展示。从图中可以看到，位于上盘和断层的衬砌节段，拱脚和仰拱破坏较为严重，而位于断层区域的D、E节段破坏最为严重，均出现仰拱隆起，而龙溪隧道穿越断层处也出现这种震害类型。从图中可以看到，衬砌节段很少有横向裂缝；而汶川地震龙溪隧道震害调查中，横向裂缝使一种普遍的震害现象[23-24]，这是由于接头的设置使地震动对衬砌的横向剪切破坏主要集中引向接头处。与断层相同距离的F段相比，位于上盘的C节段破坏明显较为严重。B节段拱脚开裂，而距断层相同位置的下盘的G节段几乎没有破坏产生。同时由图13可知，位于节段B、C之间的接头、节段C、D之间的接头和段D、E之间的接头破坏严重。上述现象一方面表明正断层错动对上盘影响较大，另一方面说明接头的设置阻隔了节段间力的传递，使破坏局部化。