跨斷層隧道可變形抗減震措施振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

信春雷，高 波，王英學(xué)，周佳媚，申玉生

（西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

1 引言

隧道與地下結(jié)構(gòu)受到圍巖介質(zhì)的約束，在地震發(fā)生時(shí)與圍巖之間的相對(duì)位移較小。因此，一般被認(rèn)為是受地震影響很小的工程建筑。然而，1995年日本的阪神地震后，大量山嶺隧道與地鐵車(chē)站受損嚴(yán)重的事實(shí)改變了這種普遍的認(rèn)識(shí)[1]。實(shí)際上，通過(guò)研究20世紀(jì)以來(lái)世界地震震害資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)Ⅶ度時(shí)，就有隧道或地下結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微破壞的先例，且洞身修復(fù)極其困難，特別是跨斷層的隧道結(jié)構(gòu)洞身段[2]。如果生命線沿線隧道不能夠及時(shí)搶通與恢復(fù)功能，不能夠快速而順利地保障災(zāi)后救援，那么給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失就是必然[3-4]。2008年汶川大地震中，受損隧道24座，其總長(zhǎng)度為20.42 km。其中，燒火坪隧道、友誼隧道、酒家埡隧道、紫平鋪隧道、龍洞子隧道和龍溪隧道等破壞極為嚴(yán)重[5]。這些隧道均跨越了若干斷層，且跨斷層部位破損嚴(yán)重的事實(shí)再次說(shuō)明，傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)與措施已經(jīng)不能保證高烈度地震區(qū)的隧道結(jié)構(gòu)達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本要求[6]。目前，我國(guó)西部地區(qū)的龍門(mén)山斷裂帶成為醞釀大地震的能量源泉是一個(gè)基本事實(shí)。與之對(duì)應(yīng)的另一個(gè)事實(shí)是，我國(guó)有大量的已建成隧道和在建隧道坐落于西部的高烈度地震區(qū)。因此，針對(duì)高烈度地震區(qū)跨斷層隧道的新型抗減震措施進(jìn)行研究是極為迫切且具有現(xiàn)實(shí)意義的課題[7]。

理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究隧道與地下結(jié)構(gòu)抗減震問(wèn)題的4種主要方法[8]。其中，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為研究隧道結(jié)構(gòu)的抗震能力和破壞機(jī)制提供了最為直觀的方法。它能夠還原隧道結(jié)構(gòu)在地震中的破壞過(guò)程和結(jié)果，既豐富了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得出的結(jié)論，也是進(jìn)行數(shù)值模擬和理論分析的基礎(chǔ)。此外，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)本身能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征和破壞形態(tài)及其與地基之間的相互作用特性等問(wèn)題。目前采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)針對(duì)跨斷層隧道結(jié)構(gòu)抗減震措施的研究主要集中于常規(guī)的抗減震措施效果，以及斷層的錯(cuò)動(dòng)效應(yīng)等[9]。研發(fā)跨斷層隧道新型可變結(jié)構(gòu)抗減震措施，將其效果通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，是推動(dòng)該措施應(yīng)用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵步驟。因此，本文依托在汶川地震中受損嚴(yán)重的龍洞子隧道，采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)還原該隧道工程跨越多個(gè)斷層的特征，在跨斷層洞身段的不同部位設(shè)置不同的抗減震措施進(jìn)行對(duì)比研究，考察新型可變結(jié)構(gòu)抗減震措施的效果。所得結(jié)論對(duì)高烈度地震區(qū)跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防理論與抗減震措施發(fā)展有著重要而實(shí)際的意義。

2 試驗(yàn)概況與設(shè)計(jì)

2.1 依托工程概況

試驗(yàn)所依托的龍洞子隧道位于岷江左岸楠木堰廟子坪至龍溪新房子石灰窯廠一帶，穿越龍洞子山。巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。隧道共跨越4條斷層，F(xiàn)2和F5斷層位于隧道洞口處，F(xiàn)3和F4斷層穿過(guò)隧道結(jié)構(gòu)的洞身段。隧址區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，根據(jù)四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院“地震安全評(píng)價(jià)報(bào)告”，隧址區(qū)地震基本列度為VII度[10]。

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象為隧道跨F3和F4斷層的洞身區(qū)段。實(shí)際斷層面光滑平直，見(jiàn)明顯擦痕，斷層碎裂巖寬2～5 m，傾角為82°，走向與隧道軸線基本垂直。為了盡可能降低變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，突出抗減震措施對(duì)特殊情況的適應(yīng)能力，進(jìn)而推廣到一般情況。同時(shí)，又最大限度地遵照依托工程的實(shí)際情況。在試驗(yàn)中模擬的斷層寬度為2.5 m，傾角為90°，走向與隧道軸線垂直。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與相似比設(shè)計(jì)

本系列試驗(yàn)在國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所的地震工程與工程振動(dòng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。地震模擬振動(dòng)臺(tái)系電液伺服，可同時(shí)或單獨(dú)模擬三向地震動(dòng)。配套有先進(jìn)的Pacific Instruments高性能動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度和應(yīng)變數(shù)據(jù)等多達(dá)128個(gè)輸入通道的獨(dú)立采樣（如圖1所示）。同時(shí)采用SigLab數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行輔助采集。振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)和主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 振動(dòng)臺(tái)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 Shaking table and data acquisition system

表1 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of shaking table system

目前的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，有關(guān)邊界條件的模擬與模型材料的相似等方面還無(wú)法圓滿解決[11]。但相似關(guān)系又直接決定了模型試驗(yàn)的結(jié)果能否用于原型的分析，相似模型是確定相似關(guān)系的基礎(chǔ)。因此，根據(jù)所研究動(dòng)力問(wèn)題的特點(diǎn)確定模型對(duì)原型的相似程度是目前地下工程振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)常用的方法[12]。

考慮到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備的性能、模型材料的特性與模型制作技術(shù)等方面的限制，完全恪守嚴(yán)格相似模型是不可能的。同時(shí)，由于隧道結(jié)構(gòu)模型的尺寸較小，且深埋于圍巖試體中，不易在模型上附加對(duì)結(jié)構(gòu)剛度無(wú)影響的重量來(lái)彌補(bǔ)模型質(zhì)量密度的不足以實(shí)現(xiàn)人工質(zhì)量模型[13]。既然試驗(yàn)的內(nèi)容是對(duì)圍巖大變形和隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞機(jī)制的研究，則應(yīng)保持結(jié)構(gòu)模型材料抗力、阻尼特性、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和慣性力與原型材料的相似。因此，本系列試驗(yàn)忽略重力效應(yīng)的影響，采用重力失真模型。

為了確定模型箱邊界效應(yīng)的影響，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了三維數(shù)值分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果、模型箱尺寸與隧道原型尺寸確定了試驗(yàn)的幾何相似比為1:25。根據(jù)Bukingham π定理以及重力失真模型對(duì)試驗(yàn)相似比的要求，以長(zhǎng)度、質(zhì)量密度和彈性模量為基本物理量，推導(dǎo)其他物理量，則模型系統(tǒng)中各項(xiàng)物理量的相似關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 模型試驗(yàn)相似關(guān)系與相似比Table 2 Similarity relations and their likelihood rates for shaking table tests

本系列試驗(yàn)在選用模型箱過(guò)程中，充分考慮到其堅(jiān)固性、邊界條件和與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸匹配等基本要求。此外，模型箱的自振頻率還應(yīng)盡量與模型系統(tǒng)自振頻率有較大差別以避免發(fā)生共振。模型箱為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，主體采用專(zhuān)用型鋼焊接而成，通過(guò)螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。模型箱上表面敞開(kāi)，沿長(zhǎng)度方向一面安裝有透明玻璃，以便在試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)圍巖試體的地震動(dòng)力響應(yīng)與破壞形態(tài)。

將半無(wú)限域土體中的巖土問(wèn)題有限化為模型箱中來(lái)進(jìn)行研究，這同時(shí)引入了人工邊界的處理問(wèn)題[14]。對(duì)于模型箱與圍巖試體接觸的側(cè)面，應(yīng)盡可能使其光滑以減小試驗(yàn)誤差。而承載圍巖試體全部重量的模型箱底面應(yīng)增加摩擦力以避免激震時(shí)圍巖試體與模型箱底部發(fā)生相對(duì)滑移。為此，在模型箱內(nèi)部與激震方向垂直的兩側(cè)壁上鋪設(shè)了一層聚乙烯薄膜。模型箱內(nèi)部與激震方向平行的兩側(cè)壁各鋪設(shè)了一層17 cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料，以減小模型箱端部的影響。模型箱底部原本有一層約10 cm厚的砂漿混凝土墊層，可以防止試驗(yàn)中圍巖試體與模型箱發(fā)生的相對(duì)滑移（如圖2所示）。

圖2 模型箱邊界效應(yīng)消除措施Fig.2 Mitigation measures against boundary effect of model box

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與測(cè)點(diǎn)布置

為了突出研究可變形抗減震措施的效果，在制定試驗(yàn)方案時(shí)采用對(duì)比的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到明確其作用機(jī)制與改進(jìn)的目的。為此，本系列試驗(yàn)分為隧道結(jié)構(gòu)跨斷層部位不設(shè)置抗減震措施、設(shè)置減震縫與設(shè)置套管式可變結(jié)構(gòu)3種方案的兩組試驗(yàn)（如圖3、4所示）。其中，兩組試驗(yàn)的B、C 和D 3段襯砌通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂植筋膠連接成整體。

圖3 第1組試驗(yàn)方案（單位：cm）Fig.3 Scheme for the first set of test(unit:cm)

圖4 第2組試驗(yàn)方案（單位：cm）Fig.4 Scheme for the second set of test(unit:cm)

根據(jù)依托工程地勘報(bào)告中的圍巖力學(xué)參數(shù)，圍巖相似材料以粉煤灰、石英砂和機(jī)油按照57:31:12的比例混合進(jìn)行模擬。隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用砂漿混凝土模擬。其中，水泥與中砂質(zhì)量比為1:6，水灰比為1:1。其間布設(shè)的鋼筋采用現(xiàn)成的定型鋼筋網(wǎng)模擬，縱向與橫向鋼筋直徑均為1.06 mm，縱橫向間距均為25.4 mm。結(jié)合依托工程地勘報(bào)告中有關(guān)斷層的力學(xué)參數(shù)，考慮到斷層破碎帶的實(shí)際情況，斷層采用直徑為1.0～1.5 cm的礫石模擬。

在吸取前人所做跨斷層地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在圖3中1-1截面所在的圍巖試體底部采用了斷層滑動(dòng)裝置（如圖5所示），以實(shí)現(xiàn)斷層兩側(cè)圍巖相互錯(cuò)動(dòng)（兩組試驗(yàn)均設(shè)置了該裝置）。

圖5 斷層滑動(dòng)裝置Fig.5 Slither setup for simulating faults movement

該裝置的基本構(gòu)造為：首先在模型箱底部擱置一厚度為2 cm的細(xì)木工板；在其上釘若干截面為3 cm×2 cm的木條隔擋以避免輥軸錯(cuò)位；在木條之間放上輥軸，再在輥軸上擱置一厚度為1 cm的鋼板用以承受上覆圍巖的重量。同時(shí)，在兩斷層中間圍巖試體與激震方向垂直的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置橡塑海綿（如圖6所示）。試驗(yàn)過(guò)程中，斷層滑動(dòng)裝置上部的圍巖產(chǎn)生滑動(dòng)，又因?yàn)橄鹚芎＞d而產(chǎn)生回彈，從而實(shí)現(xiàn)斷層的錯(cuò)動(dòng)。

圖6 斷層錯(cuò)動(dòng)裝置（單位：cm）Fig.6 Dislocation setup for simulating faults movement(unit:cm)

在正式試驗(yàn)開(kāi)始之前，首先進(jìn)行自由場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，用以模擬自由場(chǎng)圍巖的地震反應(yīng)，據(jù)此獲得模型箱內(nèi)不同位置處圍巖的加速度反應(yīng)，以確定邊界效應(yīng)的影響程度和鑒別模型箱構(gòu)造的合理性[15]。隨后進(jìn)行正式試驗(yàn)。為了保證減震縫附近的應(yīng)變片與加速度計(jì)能夠在地震動(dòng)力作用下正常工作，以及試驗(yàn)現(xiàn)象的明顯和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在減震縫斷面的表面涂以704硅膠并外貼OPP膠帶，防止試驗(yàn)過(guò)程中減震縫兩側(cè)的襯砌模型發(fā)生不必要的摩擦錯(cuò)動(dòng)破壞（如圖7(a)所示）?？紤]到實(shí)際隧道工程中防水的需要，減震縫兩側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)密貼在一起，但不膠合。保持二者相互錯(cuò)動(dòng)的功能。套管式可變形抗減震措施采用兩節(jié)斷面面積不同的隧道模型進(jìn)行組合，其中外部隧道斷面各處內(nèi)徑比內(nèi)部隧道斷面各處外徑均大3 cm。其間的間隙采用橡塑海綿填充（如圖7(b)所示）。避免在試驗(yàn)過(guò)程中二者直接作用發(fā)生損壞。

本系列試驗(yàn)主要采用的數(shù)據(jù)采集傳感器為加速度計(jì)與應(yīng)變片。在進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)之前，已經(jīng)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的三維數(shù)值模擬，明確了跨斷層隧道結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中受力較為不利與變形較大的部位。試驗(yàn)之前，有針對(duì)性的在這些部位布設(shè)傳感器（如圖3、4所示）。

圖7 可變形抗減震措施Fig.7 Deformable anti-seismic and damping measures

圖3中傳感器編號(hào)首字母A代表加速度計(jì)，H代表加速度計(jì)為水平放置，垂直于隧道結(jié)構(gòu)軸線且與激震方向平行。1、2號(hào)加速度計(jì)用于考察模型箱的邊界效應(yīng)。4號(hào)加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)跨斷層隧道無(wú)抗減震措施情況下的地震加速度響應(yīng)。3～5號(hào)加速度計(jì)聯(lián)合用于監(jiān)測(cè)斷層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍。6號(hào)加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置減震縫的減震效果。7、8號(hào)加速度計(jì)位于同一高度，分別用于監(jiān)測(cè)兩斷層之間圍巖試體和斷層內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)特征。9號(hào)加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)模型箱所獲得的地震動(dòng)加速度，是對(duì)臺(tái)面加速度計(jì)獲得數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

圖3中S代表應(yīng)變片，圖中虛線表示應(yīng)變片所在斷面。第1組試驗(yàn)的應(yīng)變片共設(shè)置4個(gè)斷面，從右到左依次為1～4號(hào)斷面。應(yīng)變片斷面所在位置的襯砌內(nèi)外表面各貼8個(gè)應(yīng)變片，遍布隧道結(jié)構(gòu)的拱頂與仰拱以及兩側(cè)拱肩、邊墻和拱腳。其中2號(hào)斷面用于監(jiān)測(cè)隧道跨斷層區(qū)段無(wú)抗減震措施的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)特征。4號(hào)斷面用于監(jiān)測(cè)減震縫的減震效果。1～3號(hào)斷面聯(lián)合起來(lái)用于監(jiān)測(cè)斷層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的影響范圍。

圖4中AB 兩段襯砌構(gòu)成套管式可變形抗減震結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)傾向于該結(jié)構(gòu)。其中，5、6號(hào)加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)主套管襯砌的地震響應(yīng)；7、8加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)被套管襯砌的地震響應(yīng)。受到較小斷面隧道結(jié)構(gòu)的制約，3～6號(hào)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)斷面均貼置于隧道模型外側(cè)表面。3、4號(hào)斷面用于監(jiān)測(cè)主套管襯砌的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)，5、6號(hào)斷面用于監(jiān)測(cè)被套管襯砌的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)。其他加速度計(jì)與應(yīng)變片設(shè)置方案及作用和試驗(yàn)一相同。

2.4 試驗(yàn)加載方案

依托工程龍洞子隧道基本呈南北走向，汶川地震震中在其正西方向6.6 km處。根據(jù)中國(guó)地震局以及四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院撰寫(xiě)的汶川地震震害檢測(cè)報(bào)告[16]，試驗(yàn)選取對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響最大的臥龍地震波東西向分量作為臺(tái)面輸入，與隧道軸線垂直的水平方向進(jìn)行激震。目的是考察在最不利地震情況下隧道結(jié)構(gòu)跨斷層部位與抗減震措施的地震響應(yīng)和破壞形態(tài)。地震波的加速度峰值與持時(shí)均根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行了調(diào)整[17]。調(diào)整后的試驗(yàn)波持時(shí)為50 s，調(diào)整后的臥龍?jiān)囼?yàn)波加速度時(shí)程曲線與傅氏變換曲線如圖8、9所示。

圖8 東西向臥龍地震波加速度時(shí)程曲線Fig.8 Acceleration time history curve of Wo Long seismic wave in east-west direction

圖9 東西向臥龍地震波加速度傅氏變換曲線Fig.9 Acceleration Fourier transform curve of Wolong seismic wave in east-west direction

根據(jù)試驗(yàn)的目的，兩組試驗(yàn)均輸入5條地震動(dòng)，按照加速度峰值為0.2g、0.4g、0.6g、0.8g 和1.0g由小到大逐步進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)起始輸入的地震動(dòng)加速度峰值是按照依托工程所在地區(qū)為Ⅶ度設(shè)防，結(jié)合隧道工程耐震性較好的特點(diǎn)所確定；試驗(yàn)結(jié)束的條件是以隧道模型能夠明顯展現(xiàn)破壞形態(tài)但仍保持整體不發(fā)生坍塌為準(zhǔn)則。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本系列模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及加載工況較多，限于篇幅，本文只列出加載地震加速度峰值為1.0g 的最大值情況下具有代表性測(cè)點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)，其他詳細(xì)結(jié)果另文分析。

3.1 可變形抗減震措施的地震加速度響應(yīng)

通過(guò)比較第1組試驗(yàn)中的A4和A6加速度計(jì)數(shù)據(jù)可分析隧道結(jié)構(gòu)跨斷層區(qū)段設(shè)置減震縫的效果；通過(guò)比較第2組試驗(yàn)中的A3、A6和A7加速度計(jì)數(shù)據(jù)可以分析套管式可變形結(jié)構(gòu)對(duì)隧道模型地震加速度響應(yīng)的影響及其作用（見(jiàn)表3、4）。

表3 減震縫的地震加速度響應(yīng)Table 3 Seismic acceleration response of absorbing joint

表4 套管式可變形結(jié)構(gòu)的地震加速度響應(yīng)Table 4 Seismic acceleration response of deformable casing structure

根據(jù)表3中的第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，A4加速度計(jì)處不設(shè)置抗減震措施，其采集到的加速度最大值比設(shè)置減震縫處的A6加速度計(jì)小31.3%，最小值比A6加速度計(jì)小23.5%，平均值比A6加速度計(jì)小40.9%。盡管A4加速度計(jì)受到強(qiáng)烈的斷層錯(cuò)動(dòng)影響，但B、C、D 3段襯砌作為一個(gè)整體，在振動(dòng)過(guò)程中隨著模型系統(tǒng)做整體運(yùn)動(dòng)。而且隧道結(jié)構(gòu)最終并未因斷層錯(cuò)動(dòng)而被完全剪壞，故A4加速度計(jì)峰值與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入的地震加速度峰值1.0g 接近。A6加速度計(jì)位于減震縫處，受斷層與減震縫的聯(lián)合作用。減震縫隨著斷層的錯(cuò)動(dòng)發(fā)生變位，原本地震傳遞給隧道結(jié)構(gòu)的能量被減震縫耗散和轉(zhuǎn)化，其中有一部分轉(zhuǎn)化為了減震縫兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)變位過(guò)程中的動(dòng)能。這同時(shí)導(dǎo)致了A6加速度計(jì)采集到的加速度峰值比臺(tái)面輸入加速度峰值大32.0%。

第2組試驗(yàn)中的A3加速度計(jì)與表3中的A4加速度計(jì)情況相同，其采集到的加速度峰值接近于臺(tái)面輸入的地震加速度峰值1.0g，且最大、最小和平均值介于A6和A7加速度計(jì)數(shù)值之間。用于監(jiān)測(cè)主套管地震加速度響應(yīng)的A6加速度計(jì)最大值比A3加速度計(jì)大26.3%，最小值比A3加速度計(jì)大18.3%，平均值比A3加速度計(jì)大33.9%。主套管結(jié)構(gòu)在該可變形抗減震系統(tǒng)中用于保護(hù)被套管，主套管與被套管可以發(fā)生相對(duì)變位以耗散掉地震傳遞給隧道結(jié)構(gòu)的能量，但是二者之間又存在相互約束的關(guān)系。因此，主套管受到被套管以及其中橡塑海綿減震層的約束，其地震加速度比單純采用減震縫略小。其中，第2組試驗(yàn)中A6加速度計(jì)比第1組試驗(yàn)中A6加速度計(jì)最大值小9.5%，最小值小4.5%，平均值小6.1%。與之對(duì)應(yīng)，被套管結(jié)構(gòu)受到主套管與其中橡塑海綿減震層的保護(hù)，加速度計(jì)采集到的數(shù)值為所分析的5個(gè)加速度計(jì)中最小的。其中，A7加速度計(jì)最大值比無(wú)措施下的A3加速度計(jì)小12.3%，最小值比A3加速度計(jì)小20.4%，平均值比A3加速度計(jì)小31.7%。通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的比較分析，很顯然采用套管式可變形抗減震措施并非簡(jiǎn)單的犧牲主套管而保全被套管，這種可變形結(jié)構(gòu)的抗減震效果好于單純采用減震縫結(jié)構(gòu)。設(shè)置套管式結(jié)構(gòu)，使得原本的圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)閲鷰r-襯砌-減震層-襯砌結(jié)構(gòu)體系，增強(qiáng)了隧道結(jié)構(gòu)的抗減震性能。從實(shí)際工程考慮，套管式結(jié)構(gòu)既解決了減震縫防水性差的問(wèn)題，又改正了因減震縫存在，隧道結(jié)構(gòu)分段完全獨(dú)立，不利于震后修復(fù)的缺陷。

3.2 可變形抗減震措施的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)

通過(guò)比較第1組試驗(yàn)中與加速度計(jì)位置對(duì)應(yīng)的2、4號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，以及第2組試驗(yàn)中同樣與加速度計(jì)位置對(duì)應(yīng)的1、4、5號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面獲取數(shù)據(jù)，可以更為深入和詳細(xì)地評(píng)價(jià)跨斷層隧道可變形抗減震措施的效果。各監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)變值見(jiàn)表5。

表5 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變極值Table 5 Maximum strains of tunnel model structures in shaking table tests

隧道模型材料為砂漿混凝土，根據(jù)其試塊的抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，材料產(chǎn)生300×10-6應(yīng)變即發(fā)生開(kāi)裂。第1組試驗(yàn)中無(wú)抗減震措施的2號(hào)斷面除拱肩外，其余部位全部發(fā)生破壞。采用了減震縫的4號(hào)斷面除拱肩外，其余部位應(yīng)變平均值比2號(hào)斷面低17.4%，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部發(fā)生破壞。因此，要使得減震縫措施達(dá)到理想的減震效果，還需提高隧道襯砌混凝土的強(qiáng)度。第2組試驗(yàn)中無(wú)抗減震措施的1號(hào)斷面與第1組試驗(yàn)中的2號(hào)斷面情況相同，除拱肩外其余部位破壞嚴(yán)重，具體的應(yīng)變值也與2號(hào)斷面接近。采用了套管式可變結(jié)構(gòu)的4、5號(hào)斷面差別較大。位于主套管上的4號(hào)斷面，拱腳和仰拱的破壞程度較無(wú)措施和減震縫情況下嚴(yán)重。拱頂和邊墻雖然發(fā)生破壞，但應(yīng)變值均比無(wú)措施和減震縫情況下小。拱肩部位仍然未發(fā)生破壞。位于被套管上的5號(hào)斷面，除拱腳處發(fā)生輕微破壞外，其余部位均未達(dá)到發(fā)生破壞的條件。其上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變平均值比無(wú)措施情況下小52.0%，比采用減震縫小50.6%。由此可見(jiàn)，采用套管式可變結(jié)構(gòu)對(duì)于保護(hù)主套管的上部結(jié)構(gòu)和被套管是有利的，但對(duì)主套管的拱腳和仰拱不利?？傮w來(lái)講，套管式可變結(jié)構(gòu)比減震縫的減震效果理想，但不論采用何種抗減震措施，隧道結(jié)構(gòu)的拱腳和仰拱均破壞嚴(yán)重。因此，拱腳和仰拱是隧道結(jié)構(gòu)抗震加固的重點(diǎn)部位。

3.3 采用可變形抗減震措施的隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

本系列試驗(yàn)全程采用先進(jìn)的模型內(nèi)外部觀測(cè)系統(tǒng)，可以詳細(xì)記錄圍巖試體與隧道結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程和最終形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后將隧道結(jié)構(gòu)完整取出，在內(nèi)外表面輔以手工標(biāo)示裂紋的方法加強(qiáng)最終破壞形態(tài)的再現(xiàn)。為隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下采用可變形抗減震措施的破壞機(jī)制研究提供了真實(shí)和直觀的研究資料。

通過(guò)分析第1組試驗(yàn)中C 段襯砌的裂紋現(xiàn)象，考察隧道結(jié)構(gòu)在無(wú)抗減震措施情況下的破壞形態(tài)（如圖10所示）。隧道的拱腳部位在地震作用下發(fā)生露筋破壞，損毀嚴(yán)重；仰拱嚴(yán)重隆起；拱頂混凝土大面積脫落；裂紋遍布除拱肩外的隧道橫斷面所有部位。因此，跨斷層的隧道結(jié)構(gòu)施做抗減震措施是很有必要的。采用減震縫措施后（如圖11、12所示），裂縫出現(xiàn)的位置有向一定部位集中的趨勢(shì)。B 段襯砌的裂縫集中于拱頂和仰拱部位，仰拱依然隆起破壞，但拱腳僅有裂縫，未被損毀。此外，拱肩處也有少量裂縫。A 段襯砌同樣是構(gòu)成減震縫的一部分，但裂縫數(shù)量比B 段襯砌少。主要集中于仰拱和右側(cè)拱肩，拱腳部位依然是出現(xiàn)裂縫，但未被損毀。對(duì)于該斷面類(lèi)型的隧道結(jié)構(gòu)，拱腳處的半徑較小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。減震縫的存在可以使得隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)變位，減小內(nèi)力的作用。因此，A、B 兩段襯砌拱腳僅為開(kāi)裂，而C 段襯砌拱腳卻損毀。但減震縫的存在并不能改變仰拱破壞的情況。這是因?yàn)檠龉暗陌霃捷^大，且承受隧道結(jié)構(gòu)與上覆圍巖的重量，易產(chǎn)生較大彎矩而發(fā)生破壞。鑒于試驗(yàn)的激震方向?yàn)榇怪庇谒淼澜Y(jié)構(gòu)軸線的水平向，隧道結(jié)構(gòu)會(huì)隨著圍巖發(fā)生往復(fù)的剪切變形，從而引起結(jié)構(gòu)橫斷面上產(chǎn)生正負(fù)交替的附加彎矩，造成了拱肩發(fā)生開(kāi)裂[18]。有減震縫的結(jié)構(gòu)段受約束少，自身發(fā)生剪切變形更加明顯。因此，A、B 兩段襯砌在拱肩的裂縫都是貫通裂縫，而C 段襯砌在拱肩為非貫通裂縫。根據(jù)試驗(yàn)方案，B、C、D 3段襯砌連接為一個(gè)整體，而A 段襯砌相對(duì)獨(dú)立。在地震過(guò)程中A 襯砌相對(duì)B、C、D 襯砌的變位較大，沿隧道縱向所受內(nèi)力較小。因此，A 段襯砌上裂縫少于B 段襯砌。

圖10 第1組試驗(yàn)C 段襯砌裂紋(無(wú)措施)Fig.10 Cracks on lining C in the first set of test with no measures

圖11 第1組試驗(yàn)B 段襯砌裂紋(減震縫)Fig.11 Cracks on lining B in the first set of test with absorbing joint

圖12 第1組試驗(yàn)A 段襯砌裂紋(減震縫)Fig.12 Cracks on lining A in the first set of test with absorbing joint

與第1組試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，不采用抗減震措施的第2組試驗(yàn)C 段襯砌拱腳和仰拱損毀嚴(yán)重。裂紋遍布除兩側(cè)拱肩外的橫斷面其他部位，且都是貫通裂縫（如圖13所示）。第2組試驗(yàn)的B 段襯砌作為主套管，拱腳處混凝土大面積脫落，完全破壞。仰拱極為碎裂，已變形呈平板狀。但襯砌橫斷面上部的裂紋較少（如圖14所示）。分析認(rèn)為B 段襯砌的仰拱和拱腳不僅要承受上覆圍巖和自身上部結(jié)構(gòu)的重量，還要承受A 段襯砌的重量。因此，其拱腳和仰拱損壞最為嚴(yán)重。由于A、B 兩段襯砌之間還存在橡塑海綿作為緩沖材料，則B 段襯砌上部破壞較輕。A 段襯砌僅在仰拱靠近拱腳處有一條貫通裂縫，是所分析襯砌中最為完好的一段（如圖15所示）。分析認(rèn)為，斷面的減小增加了A 段襯砌的整體剛度，使得破壞不易發(fā)生。A 段襯砌的被套部分還有橡塑海綿緩沖保護(hù)，則進(jìn)一步降低了被破壞的可能。此外，A 段襯砌的仰拱僅需承受自身上部結(jié)構(gòu)的重量，上覆圍巖的重量有主套管承擔(dān)，并不作用其上。因此，仰拱部位僅為輕微開(kāi)裂。

圖13 第3組試驗(yàn)C 段襯砌裂紋(無(wú)措施)Fig.13 Cracks on lining C in the second test with no measures

圖14 第2組試驗(yàn)B 段襯砌裂紋(主套管)Fig.14 Cracks on lining B in the second set of test with outer casing

圖15 第2組試驗(yàn)A 段襯砌裂紋(被套管)Fig.15 Cracks on lining A in the second set of test with inner casing

4 結(jié)論

（1）跨斷層隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置減震縫，可以減小隧道縱向的整體剛度。在地震作用下，減震縫兩側(cè)襯砌振動(dòng)較為強(qiáng)烈，但隧道沿縱向的變形可以耗散地震傳遞來(lái)的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)內(nèi)力值和應(yīng)變值。破壞程度比無(wú)抗減震措施輕。

（2）套管式可變形結(jié)構(gòu)中的主套管與被套管之間可以產(chǎn)生相對(duì)變位，但又互相約束。采用該措施可以有效保護(hù)地震中的主套管上部結(jié)構(gòu)和被套管，但主套管下部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

（3）采用套管式可變結(jié)構(gòu)，將原本的圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)閲鷰r-襯砌-減震層-襯砌結(jié)構(gòu)體系，可以增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的抗減震性能。同時(shí)還兼顧了隧道結(jié)構(gòu)的防水性與震后易修復(fù)性，整體性能優(yōu)于單純采用減震縫措施。

（4）采用可變形抗減震結(jié)構(gòu)的同時(shí)，必須提高隧道襯砌混凝土的強(qiáng)度。不論采用何種抗減震措施，隧道結(jié)構(gòu)的拱腳和仰拱是抗震加固的重點(diǎn)部位。

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