隧道横穿高烈度地震区滑坡衬砌减震效果评估方法试验研究

摘要：

为评价高烈度地震区滑坡隧道减震结构的减震效果，利用振动台模型试验测试，得到不同强度地震波作用下试验模型的加速度和动应变等数据信息;结合试验模型宏观灾变变形特征，采用多指标评估方法，揭示隧道减震结构区域性空间动力响应特征;基于弹塑性效应定义隧道结构塑性减震系数（PDC），阐明隧道结构的损伤演化规律。研究结果表明：（1）滑坡体破坏表现出区域性损伤破坏的连续性，隧道结构的损伤部位存在区域性差异;（2）隧道结构不同位置的加速度、速度和位移到达峰值的次数和时间存在差异，隧道结构局部及整体的动态响应受不同频段地震波的影响;（3）海绵橡胶材料作为隧道衬砌减震层具有良好的减震效果，但不会改变隧道结构受损变化的形式和频谱响应特性;（4）隧道结构的损伤破坏具有明显的累积效应，整个过程可分为弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和塑性变形阶段，实际隧道工程抗减震设计应防止隧道结构过早进入塑性变形阶段。研究成果可为高烈度地震区隧道穿越滑坡区的变形机理及防控措施设计提供一定的理论参考。

关键词：

振动台试验; 高烈度地震区; 隧道结构减震; 多属性地震数据; 塑性减震系数

中图分类号： U451""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 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

随着我国综合实力的不断提升，我国交通基础设施事业规模也在日益壮大［1］。大量铁路和公路隧道工程在西部地区建设，而我国西部地区主要为烈度较高的山地地形，隧道工程不可避免地会穿越山岭地段［2］。这些地区地形和地质条件极为复杂，存在许多高山深涧等地质状况较差的地段，陆路交通难免会受到不良地质灾害的影响，极大地阻碍了隧道工程的建设和运营［3-4］。尽管如此，高烈度地震区隧道的动力响应和抗减震问题一直未得到足够的重视［5］，使得高烈度地震区隧道结构与滑坡体的变形机理和防控技术成为亟需解决的问题。

目前，滑坡区隧道抗减震防治技术主要包括坡体结构防治和隧道结构防治两方面［6］。在隧道结构抗减震研究方面，Konagai［7］最早提出在围岩和衬砌之间布置一层吸能材料，利用其对地震波的消能耗散作用，降低衬砌的地震响应。Kim等［8］、Hasheminejad等［9］通过理论及有限元计算等研究方法，分析评价了设置减震层的隧道结构在地震力作用下的抗震效果。王帅帅等［10］分析了隧道减震层的减震原理，同时得出了减震层的最优厚度值。崔光耀等［11-12］首先依托具体工程案例，利用有限差分数值软件FLAC3D，对跨断层隧道不同模式减震层的减震效果进行研究;后来又采用刚柔并济抗减错技术对黏滑断层隧道展开研究，为隧道抗减震的研究提供了新思路。赵富发等［13］针对浅埋偏压环境下的隧道，采用橡胶材料作为隧道减震结构，并通过振动台模型试验讨论了其减震效果。孙铁成等［14］进行了隧道有、无减震层的对比试验，研究了隧道在地震作用下的动力响应及减震层对隧道结构性能的影响。王明年等［15］建立了隧道支护系统减震模型，并利用模型试验结合有限元分析，研究了减震层不同参数对隧道减震效果的影响。

从上述研究来看，学者们在隧道抗减震方面已经做了大量的工作，但在烈度较高的滑坡区这一特殊环境下的隧道结构抗减震技术还有待进一步研究。为此，本文以地震作用下横穿高烈度地震区滑坡隧道为典型工程案例，开展振动台模型试验;对设置减震层的隧道展开动力特性研究，并采用多指标评估方法对隧道减震结构的减震效果进行评价。这对高烈度地震区滑坡隧道的减震设计具有重要的意义。

1 隧道减震模型建立及分析方法

一些现场的隧道震害表明［15］，产生震害的原因之一是受到惯性力的影响;而另一个更重要的原因是衬砌刚度与围岩刚度之间存在较大差异，致使衬砌与围岩产生不协调变形，从而加大了衬砌的附加应力，当附加应力超过衬砌的承受阈值时，隧道就会产生破坏，如图1所示的三义壹号铁路隧道震害［16］。

为此，很多有关隧道抗减震的结构和方法被陆续提出。其中，施加减震系统是比较常见的方法，即在围岩与隧道之间设置减震装置或填充缓冲材料来充当减震层。减震层可以改变围岩与隧道结构之间的地震力作用，并切断二者之间地震波的传递途径，最后通过减震材料的变形来耗散、吸收地震能量，从而达到减小隧道震害的目的。一般的隧道减震模型如图2所示。

基于上述分析，本文回归隧道最本源的抗减震问题。首先，针对隧道横穿高烈度地震区滑坡这一特殊环境，在衬砌和围岩之间增设减震层结构，利用振动台对隧道减震模型结构进行试验测试;然后，利用不同强度地震作用工况下模型结构的宏观变化迹象、加速度和动应变等多种数据信息，基于多属性数据综合分析，定义隧道结构塑性减震系数;最后，结合模型结构宏观试验现象，采用多指标评估方法对隧道减震结构的减震效果进行评价。

2 振动台试验设计

2.1 振动台系统概况

本次振动台试验在甘肃省中铁科技研发中心实验室进行，振动台系统参数如表1所列。模型箱尺寸为160 cm（长）×95 cm（宽）×120 cm（高），具体如图3所示。在试验前对模型箱的边界进行了相应处理［17］。

2.2 试验模型相似设计与相似材料选择

本次试验测试主要参考前人的研究成果［18］，并结合现有振动台系统条件，取几何长度l、弹性模量E、密度ρ的相似参数Cl =1/100、CE=1/100、Cρ=1/1为基本参数，再根据Bockingham π定理，推导出其他变量相似关系［19］。具体试验相似性设计如表2所列。

设计隧道围岩等级为Ⅳ级，根据正交试验结果，最终确定试验测试所用相似材料种类为石英砂、红黏土、石膏粉、滑石粉、重晶石粉和水［20］。具体模型相似材料的参数配比如表3所列。

隧道模型实物如图4所示。隧道结构模型采用提前预制的方式制作，利用海绵橡胶材料来近似模拟隧道减震层，具体参数如表4所列。需要说明的是，有研究认为减震层的最优厚度不宜大于0.2 m［10］，但本文主要讨论的问题不是减震层的最优厚度，故按照相似比，本次试验选取的减震层厚度为2 mm。

2.3 试验模型制作及测点布置

仅在隧道模型结构上一侧设置减震层，为描述方便，将设置减震层一侧称为优化侧，另一侧称为未优化侧。选择加速度传感器和动应变片对隧道结构的动力响应进行测试。在距隧道洞口两端25 cm处设置2个监测断面，加速度计（用“DA/WA”序号表示）从拱顶到仰拱，依次环向均匀布置在隧道结构内侧相应位置，动应变片（用“S/W”序号表示）同样依次环向均匀布置在隧道结构同一断面外侧对应位置。具体仪器布置方式如图5所示。同时在台面上布置1个加速度传感器（图中未画出）。试验测试模型及制备过程分别如图6、7所示。

2.4 试验加载方案设计

本次试验加载的地震波选取振动台试验广泛使用的El-Centro波［21］（简称EL波）。分别输入地震峰值加速度系数（Peak Ground Acceleration，PGA）为0.1g、0.2g、0.3g和0.4g的EL波，输入方向均为

水平方向。在正式加载前先对试验模型进行白噪声测试［22］。由于试验主要关注隧道与围岩之间的相互作用，有研究表明施加原始地震波形数据对研究目的的影响不大［23］，因此，未对输入的地震波做压缩处理。台面测点加速度时程曲线及傅里叶谱如图8所示。

3 振动台模型试验结果分析

3.1 多属性时域特性减震效果评价

将测试得到的各测点加速度时程数据导入SPECTR计算程序［24］，利用积分计算得到各测点的多属性时程曲线。图9表示输入地震波加速度峰值为0.1g时，隧道结构各测点的多属性（加速度、速度、位移）时程曲线。

由图9可知，当输入地震波加速度峰值为0.1g时，隧道两侧拱腰测点（DA2/DA6、WA2/WA6）的加速度峰值都较小，仰拱（WA4/DA4）和河侧拱脚（WA5/DA5）测点较其他位置响应强烈;除山侧拱脚（WA3/DA3）和拱顶（WA1/DA1）外，未优化侧峰值加速度均大于优化侧。以震感较强烈的河侧拱脚（WA5/DA5）为例，由于减震层的存在，其加速度峰值减少了15.5%，说明减震层对地震波的能量具有一定的吸收能力，能够起到消能减震的作用。从3个参数的时程曲线来看，加速度到达峰值的次数最多，其次是速度，最后是位移。同时还发现，加速度的大小并不完全决定速度和位移的大小，各个测点的速度和位移值到达峰值的时间也不相同，整体上隧道优化侧的位移和速度幅值要小于未优化侧。

在上述多属性时程曲线分析的基础上，选取隧道两侧拱顶（WA1/DA1）、仰拱（WA4/DA4）和河侧拱脚（WA5/DA5）特征测点，进一步对地震波引起的隧道结构变形进行深入分析，其特征测点位移时程曲线如图10所示。

从图10可以看出，在PGA=0.1g的地震波激励下，隧道两侧特征测点的位移时程曲线变化不一致，其增减变化具有明显的差异性。未优化侧河侧拱脚（WA5）处位移增减幅度更加显著，其位移响应最大，而优化侧河侧拱脚（DA5）处位移时程曲线的增减较为平缓，说明减震层的存在极大地削减了地震波的能量。隧道两侧拱顶（DA1/WA1）和仰拱（DA4/WA4）的位移时程曲线增减趋势大致相似，但拱顶位移先减小后增大，仰拱则正好相反。拱顶和仰拱产生不同方向的位移变化，易使隧道结构产生大的弯矩效应，从而发生扭曲变形。

3.2 加速度峰值比特性减震效果评价

为了评价隧道减震结构不同位置的加速度变化规律，定义加速度峰值比率Pa为各特征测点的加速度峰值在不同地震动强度下的变化比（简称峰值比Pa）［25］。其表达式为：

Pa=Pm-Pm-1Pm-1 （1）

式中：Pm为测点加速度峰值;Pm-1为测点前一级的加速度峰值。根据不同烈度地震波激励下各测点的加速度峰值，计算得到各测点Pa如图11所示。

由图11可知，随着输入地震波激励不断增大，隧道两侧Pa也逐渐增大，但受滑坡体影响，呈现出非线性、非平稳性增大的特点。当输入地震波加速度峰值从0.1g增加到0.2g时，未优化侧拱顶（WA1）和山侧拱脚（WA3）Pa增长明显，而隧道优化侧整体的Pa增长幅度较小;当输入地震波加速度峰值从0.2g增加到0.3g时，未优化侧Pa增长最大位置从拱顶（WA1）和拱脚（WA3）逐渐转移至拱腰（WA2）和仰拱（WA4），而优化侧Pa整体增长较明显;当输入地震波加速度峰值从0.3g增加到0.4g时，隧道两侧Pa较前两阶段增长较小。整体而言，隧道结构优化侧Pa较未优化侧弱。

综上可知，由于减震层的存在，隧道两侧Pa呈现出不同的响应状态，说明利用海绵橡胶材料作为减震层，对隧道结构的地震加速度响应具有良好的削减作用。减震层的存在重新分配了作用在隧道结构上的地震力，同时吸收耗散了局部的地震能量，使得隧道结构的抗减震性能因一部分地震力被减震层分担而得到一定的提高。除此之外，减震层在高强度地震作用下的减震效果比在低强度地震作用下差，可能是因为在地震强度逐级增加的过程中，减震层的变形状态逐渐由弹性变形转变至塑性变形，其能量吸收耗散的效率逐渐降低，从而导致其减震效果减弱。

3.3 地震波频域特性减震效果评价

通过数据分析发现，无论隧道两侧有无减震层，其特征测点加速度傅里叶谱的峰值频段变化基本一致，说明在地震力作用下，隧道结构的频谱响应特性不会因为减震层的介入而改变。为节约篇幅，以输入PGA=0.1g的EL波为例进行讨论。同时，为了更易识别出地震波的卓越频率，对测点频谱曲线进行平滑处理。图12为测点WA1的傅里叶谱曲线。从图12中可以清晰地发现，低频段f1（7～11 Hz）、中频段f2（14～18 Hz）及高频段f3（40～45 Hz）为3个傅里叶谱峰值频率段。为节约篇幅，不讨论与台面测点频谱曲线相似的f1频段。

图13表示隧道结构各特征测点在f2、f3频段的傅里叶谱曲线峰值（Fourier Spectrum Peak，FSP）分布态势。可以发现，在f2频段的地震波作用下，隧道未优化侧各个部位的动力响应都很强烈，而隧道优化侧动力响应较强的位置仅出现在河

侧拱腰处;在f3频段的地震波作用下，隧道优化侧动力响应强烈的位置仍在河侧拱腰处，其他位置的动力响应减弱，隧道未优化侧动力响应较强的位置逐渐向拱顶区域发展。这说明f2频段的地震波易使隧道结构整体产生强烈的动力响应，f3频段的地震波则易放大隧道结构局部位置的动力响应，也就是说，随着地震力的持续作用，隧道结构的破坏发展易由局部的损伤逐渐向四周整体扩张。

地震作用下，隧道结构的变形破坏通常会受到滑坡体运动的影响。图14为不同加载工况下试验模型结构动力破坏现象。如图14（a）所示，当输入PGA=0.2g的EL波时，在坡体上段坡面产生了局部长裂缝，坡表土体出现了一定的疏松。结合图13可知，隧道结构局部位置的动态响应主要受f3频段的地震波作用，体现在测点的FSP集中在拱顶和

仰拱局部区域。如图14（b）所示，当输入PGA=0.3g的EL波时，坡体裂缝数量增多，局部裂缝变宽＼，加长，同时坡体局部区域出现塌落，隧道动力响应强烈位置逐渐由两侧拱脚向仰拱处发展。结合图13可知，此阶段隧道结构的动力响应主要受f2频段的地震波作用。如图14（c）所示，当输入PGA=0.4g的 EL波时，整个坡体表面出现大规模垮塌、沉降，特别是坡顶区域最为严重;随着地震力持续作用，坡体垮塌面积逐渐加大，同时向坡脚区域发展，土块脱落并向下滚动至坡脚堆积，隧道两侧拱脚至下部仰拱区域的响应更加强烈。结合图13可知，该阶段隧道的动力响应主要受f2频段的地震波影响。

由于减震层的存在影响了地震波的传播途径，模型两侧出现了不同的宏观试验迹象。同时，隧道与坡体的空间位置关系和不同地震力的作用效应，使得隧道结构不同位置的损伤破坏具有一定的差异性。坡体的变形破坏阶段大致可以分为：变形累积阶段变形加速阶段变形破坏阶段。

3.4 动应变响应时域特性减震效果评价

为明确隧道结构的环向动应变时空响应特性，以PGA=0.1g的EL波作用为例，绘制隧道左右两侧拱顶（W1、S1）、拱腰（W2/W6、S2/S6）和仰拱测点（W4、S4）的动应变时程曲线如图15所示。图中应变值受拉为正，受压为负。

由图15可以看出，隧道结构的环向动应变时程曲线形状与加速度时程相似，但各测点达到应变峰值的时间存在差异。未优化侧测点W1、W2、W4和W6的应变峰值分别为-8.48、-12.28、9.82和13.35 με，优化侧测点S1、S2、S4和S6应变峰值分别为5.55、-7.91、4.06和-11.51 με;未优化侧各部位应变分布大小为：两侧拱腰gt;仰拱gt;拱顶，优化侧各部位应变分布大小为：两侧拱腰gt;拱顶gt;仰拱。优化侧测点应变峰值均小于未优化侧，表明减震层可减弱隧道结构的变形。

图16展示了不同加载工况下各测点动应变峰值。由图可知，随着地震激励增大，各测点应变峰值也增大。当地震激励较小时（PGA=0.1g），由于地震能量较小，同时一部分能量被土体耗散吸收，致使隧道各测点应变数值较小，隧道结构响应较为均衡，但仍表现出空间位置响应不同的特征。随着地

震激励持续增大，隧道结构拉压变化响应趋势逐渐清晰，表现为山侧拱腰（W2/S2）和河侧拱脚（W5/S5）主要产生压应变，其余位置主要产生拉应变。未优化侧仰拱处的应变峰值增长明显，而优化侧增长较缓慢，表明减震层能够吸收局部大的地震波能量，从而减小隧道结构局部大的动力响应。随地震激励加强，隧道结构两侧动应变响应趋势大致相同，但优化侧测点的应变峰值始终小于未优化侧，表明减震层能够削减地震力对隧道结构的冲击作用，但不能改变其原有的损伤破坏形式;同时表明减震层在低强度地震力作用下的减震效果比在高强度地震力作用下好，这与前面的结论是一致的。

在不同烈度地震激励下，隧道结构环向各测点均处于拉-压循环状态。这是由于围岩的物理特性与隧道结构不同，当地震波传递至围岩和隧道结构上时，传递能量被改变，隧道结构产生了一定的地震惯性力，但其阻尼效应不能及时耗散全部的地震力作用，致使地震波能量堆积，导致隧道结构发生拉-压瞬时损伤变形。两侧拱腰和拱脚位置出现拉、压相反状态，易使隧道结构产生不协调变形，不同测点呈现出区域性损伤破坏的空间耦合变形连续效应。需要注意的是，较大应变出现在仰拱、拱腰和拱脚区域，特别是拱腰和拱脚位置极易产生挤压破坏，在实际隧道工程中需特别注意该区域的抗震设计。

3.5 基于弹塑性效应的隧道结构减震评价指标

根据3.4节测点动应变响应时域特性分析可知，在地震波加载结束后，测点动应变曲线末尾稳定值总会与地震波激励前的“零点基线”有所偏移，认为隧道结构内部产生了永久损伤变形，即残余应变（Residual Strain，RS），如图17所示。不同加载工况下隧道塑性减震系数（Plastic Damping Coefficient，PDC）的表达式如下：

PDC=RSW-RSSPDSW-PDSS （2）

式中：RSW和PDSW分别为未优化侧隧道特征测点的残余应变值和应变峰值;RSS和PDSS分别为优化侧隧道特征测点的残余应变值和应变峰值。PDC值越大，表明隧道塑性累积损伤越严重。

以隧道两侧拱顶（W1/S1）和仰拱（W4/S4）部位为例，绘制出不同地震动强度下拱顶和仰拱的PDC变化分布图（图18）。

由图18可知，当输入EL波的PGA为0.1g～0.2g时，由于地震力强度相对较小，隧道结构的

PDC值也较小，但曲线斜率较大，说明此阶段隧道结构内塑性变形能量快速积累，但限于模型结构自身的阻尼效应，隧道结构主要处于弹性变形阶段;对应坡体现象：此阶段仅在坡体牵引段出现少量张拉裂隙和局部疏松现象，整个坡体没有发生明显变形，仍保持较好的完整性。当输入EL波的PGA为0.2g～0.3g时，此阶段PDC值逐渐增大，但是曲线斜率较上一阶段明显减小，说明隧道结构塑性变形能量积累的速率变小，但塑性变形能量总体仍持续加大，隧道结构主要处于弹塑性变形阶段;对应坡体现象：此阶段坡体表面裂缝数量增多，原有的裂隙加宽＼，加长并逐渐向深部发展，局部区域出现垮塌，模型结构塑性变形破坏进一步增强。当输入EL波PGA增加至0.4g时，PDC值又急剧增加，特别是仰拱位置，表明隧道结构塑性变形能量积累达到顶峰，塑性变形占据主要比例;对应坡体现象：坡表垮塌区域已覆盖整个坡体，同时坡顶发生沉降，坡体裂缝持续增多、加长，坡体的这种大变形现象使得隧道结构损伤变形加剧，隧道结构主要处于塑性变形阶段。

由此可见，隧道结构在不同烈度地震作用下的损伤变形具有一定的累积效应，而PDC在隧道结构塑性损伤变形方面具有很好的识别作用，一定程度上能够清楚地表现出隧道结构的损伤变形过程。

4 结论

为评价隧道横穿高烈度地震区滑坡衬砌的减震效果，本文利用振动台模型试验，通过测试得到不同烈度地震作用下隧道结构的加速度和动应变等数据信息，并结合模型结构宏观试验现象，采取多指标评估方法进行分析。主要得出以下结论：

（1） 坡体破坏阶段划分为变形累积阶段变形加速阶段变形破坏阶段，表现出区域性损伤破坏的连续性;同时，隧道与坡体的空间位置关系和不同地震力的作用效应，使得隧道结构不同位置的损伤破坏具有一定的差异性。

（2） 地震作用下，隧道结构不同位置的加速度、速度和位移到达峰值的次数和时间存在差异;隧道结构的局部及整体的动态响应受不同频段地震波的影响。

（3） 海绵橡胶减震层具有良好的减震效果，但不会改变隧道的受损变化形式和频谱响应特性;同时，减震层结构在低强度地震下（0.1g～0.2g）的减震效果优于高强度地震（0.3g～0.4g）。

（4） 地震作用下，隧道结构的损伤具有明显的累积效应。基于PDC评价指标，可将隧道结构的动态损伤变形分为弹性变形阶段（0.1g～0.2g）、弹塑性变形阶段（0.2g～0.3g）和塑性变形阶段（0.3g～0.4g）。

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（本文编辑：赵乘程）