高聚物外包盾構(gòu)隧道離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

馬 雪，王復(fù)明，郭成超，張繼春

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275；4.廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275）

引言

已有很多學(xué)者研究了隧道減震防災(zāi)［1］，特別是外包減震層這種減震方法。日本東京大學(xué)Kim 等［2］在揭示隧洞徑與減震層厚比，土模量，剪切剛度比，泊松比與減隔震效果的關(guān)系，得出低泊松比材料的減震效果良好。在國(guó)內(nèi)，蔣樹屏等［4-5］通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究了地震波輸入頻率、減震層剛度和減震層阻尼等參數(shù)對(duì)隧道減震效果的影響。王明年等［6-7］也研究了減震層厚度、減震層彈性模量和地震波頻率等參數(shù)對(duì)隧道減震效果的影響，并得出低頻時(shí)有減震層的優(yōu)厚度；當(dāng)采用柔性襯砌時(shí)，減小減震層的彈性模量減小，顯著提高減震效果。高峰等［8］分析了在隧道施工中設(shè)置減震層和注漿加固圍巖這兩種減震措施的減震效果、適用條件及其減震機(jī)理。耿萍等［9］開展了穿越斷層破碎帶隧道設(shè)置減震層的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。外包層減震是屬于隧道的一種橫向減震模式，常用的橫向減震裝置主要包括：減震器、板式減震層和壓注式減震層等［10］。減震器一般由提供剛度的彈簧和提供阻尼的橡膠材料組成，主要有承壓式減震器、承剪式減震器之分。對(duì)于板式減震層，是將減震材料制成板材，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工［10］。壓注式減震層是將液狀材料與硬化添加劑一起壓注到圍巖與襯砌之間的間隙內(nèi)，硬化后就形成減震層，比如聚氨酯［2，11］，橡膠［12］，泡沫混凝土［13-14］，瀝青質(zhì)材料［15］，閉孔泡沫鋁［16］等。與其他材料相比，高聚物快速成型，凝期極短，施工方便，占據(jù)施工面積小等優(yōu)點(diǎn)，但高聚物材料在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用起步較晚，最初是用于道路面板脫空的無損修復(fù)等。而高聚物更為先進(jìn)，具有質(zhì)量輕、早強(qiáng)、工期短、膨脹力大、防滲性能好、非開挖、無毒無害、不會(huì)發(fā)生霉變或腐爛等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前王復(fù)明院士團(tuán)隊(duì)結(jié)合我國(guó)道路、土石壩、給排水管道等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及病害特征，以非水反應(yīng)雙組份高聚物材料為基礎(chǔ)，已經(jīng)研發(fā)出整套注漿系統(tǒng)及無損修復(fù)技術(shù)。高聚物已在土石壩防滲、隧道堵水［17］、道面修復(fù)［18，19］、地基修復(fù)抬升［20］、管道修復(fù)［21］等工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用研究，但此材料應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)的減震的研究還較少。為更好理解高聚物對(duì)地下隧道的減震作用，文中基于高聚物外包盾構(gòu)隧道開展了離心機(jī)模型動(dòng)力試驗(yàn)研究，有關(guān)結(jié)果進(jìn)一步證明了高聚物能提高地下工程的減震性能，為高聚物外包盾構(gòu)隧道減震理論研究與高聚物注漿減震工程設(shè)計(jì)提供了參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

離心機(jī)模型試驗(yàn)是使用高速旋轉(zhuǎn)離心機(jī)，在土工模型上施加n倍重力的離心慣性力，以補(bǔ)償因比例縮小n倍，而應(yīng)力相應(yīng)減小n倍的應(yīng)力損失。土工離心模型試驗(yàn)最大特征是模型再現(xiàn)了原型的應(yīng)力水平和狀態(tài)，即模型土體和結(jié)構(gòu)物中應(yīng)力水平與原型應(yīng)力水平完全相等，應(yīng)力狀態(tài)完全一致，從而在模型中重現(xiàn)原型的受力變形特征和破壞模式。

1.2 相似比設(shè)計(jì)

離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中，相似比例問題有原型結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)的相似、原型場(chǎng)地與模型場(chǎng)地的相似、場(chǎng)地土模型與地下結(jié)構(gòu)模型相似比例的匹配。相似比例問題首先來源于振動(dòng)臺(tái)設(shè)備能力的限制?？紤]到離心機(jī)性能、模型箱尺寸、模型大小，此次離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的離心機(jī)加速度設(shè)計(jì)為50 g。襯砌結(jié)構(gòu)是一個(gè)彈性圓柱殼體結(jié)構(gòu)，既受彎曲應(yīng)力，又受軸力。彎曲變形和軸向變形的控制方程不相同。具體的推導(dǎo)過程詳見周小文和孫玲玲的研究［22-23］，在模型的橫截面尺寸和原型滿足1/n的關(guān)系下，

彎曲應(yīng)力相似準(zhǔn)則：

軸向應(yīng)力相似準(zhǔn)則：

式中：σ，h，n分別為襯砌應(yīng)力、厚度、泊松比；下標(biāo)p，m 分別對(duì)應(yīng)原型與模型；n為離心模型相似率即加速度值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 土工離心機(jī)

試驗(yàn)采用浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室的ZJU 400土工離心機(jī)設(shè)備。離心機(jī)設(shè)備主機(jī)由吊籃、轉(zhuǎn)臂、支座、連軸器、減速器、傳動(dòng)軸、調(diào)速電機(jī)及控制器等組成。最大運(yùn)行能力為400 g·t，最大離心加速度為150 g。

1.3.2 振動(dòng)臺(tái)

本次試驗(yàn)所采用的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)為電液伺服液壓驅(qū)動(dòng)式，此振動(dòng)臺(tái)是浙江大學(xué)與日本Solution 公司聯(lián)合研發(fā)，能實(shí)現(xiàn)水平單向振動(dòng)，主要由電液激振系統(tǒng)、蓄能器、高壓油源、管路系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

1.3.3 模型箱

試驗(yàn)所用模型箱為疊環(huán)式層狀剪切模型箱，內(nèi)部尺寸為600 mm×350 mm×400 mm（長(zhǎng)×寬×高）。剪切箱由20層中空鋁環(huán)組成，相鄰兩環(huán)最大相對(duì)位移可達(dá)5 mm。

1.4 試驗(yàn)材料及盾構(gòu)隧道模型的制作

1.4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括圍巖材料和結(jié)構(gòu)材料。圍巖材料采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂、結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金管和高聚物。高聚物是多元醇和異氰酸酯反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)泡聚合物，產(chǎn)生的發(fā)泡體密度可由注入模具的原料質(zhì)量調(diào)整。本次試驗(yàn)選用的高聚物密度是0.3 g·cm-3。試驗(yàn)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2。

表1 福建標(biāo)準(zhǔn)砂力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of Fujian standard sand

表2 高聚物和鋁合金管參數(shù)Table 2 Paramters of polymer and aluminium tube

1.4.2 隧道模型的制作

鋁合金的變形性能比較好且易于加工，而且便于收集應(yīng)變的信號(hào)，因此本次試驗(yàn)選用鋁合金管為隧道模型。為了分析高聚物是否外包盾構(gòu)隧道模型的對(duì)比效果，同時(shí)鑒于剪切模型箱內(nèi)部尺寸有限，故隧道模型的長(zhǎng)度最終選取為110 mm，兩個(gè)隧道模型總長(zhǎng)220 mm。鋁管的外徑為120 mm，根據(jù)比尺關(guān)系，相當(dāng)于原型中外徑為6 m 的隧道。假定原型隧道的管片厚度為0.35 m，模型隧道的厚度根據(jù)彎矩比例關(guān)系求得。隧道管片有2 種受彎形式：一種為橫向受彎；一種為縱向受彎。文中考慮的是橫向減震，所以選取彎曲變形控制，彎曲變形也是地震作用下的主要變形，因此在進(jìn)行模型的壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以原型和模型彎曲變形相似為準(zhǔn)則。離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型中隧道管片厚度的相似關(guān)系為［22-23］：

式中：h，E，n分別為厚度、彈性模量、泊松比；下標(biāo)p，m 分別對(duì)應(yīng)原型與模型；n為離心模型相似率即加速度值。計(jì)算出鋁合金管的厚度約為5 mm。

根據(jù)此材料前期研究成果［24］，非水反應(yīng)雙組分高聚物外包層的厚度為200 mm時(shí)，其減震效率和造價(jià)相對(duì)最優(yōu)。根據(jù)相似比，模型尺寸為4 mm。高聚物外包隧道模型采用對(duì)開模具制備，如圖1所示，模具內(nèi)徑110 mm，高110 mm，模具上部有4.5 mm注漿孔與注漿槍頭連接，模具中部有排氣孔。在注漿前，將隧道模型按入預(yù)制卡槽中。用噴槍注入高聚物原料（多元醇和異氰酸酯），快速反應(yīng)并膨脹，均勻充填于模具內(nèi)部，同時(shí)排出模具內(nèi)部的氣體。注入模具的高聚物混合原料重量太少，雖然能達(dá)到0.2 g·cm-3的減震層最優(yōu)密度［14］，但是重量太少反應(yīng)不充分；注入重量過大，雖然反應(yīng)充分，但形成密度過高的高聚物層，不利于減震。經(jīng)過多次嘗試，注入混合原料為64.32 g時(shí)，在隧道模型外形成密度為0.3 g·cm-3的高聚物外包層。

圖1 一套對(duì)開模具（單位：mm）Fig.1 A set of mold（unit：mm）

1.5 傳感器布置及模型制備

模型尺寸、加速度計(jì)和應(yīng)變片位置，見圖2。襯砌內(nèi)部貼上加速度計(jì)測(cè)試襯砌內(nèi)壁水平向加速度。由于高聚物注漿膨脹時(shí)會(huì)放熱，考慮到應(yīng)變片不受放熱影響，所以只在隧道襯砌的內(nèi)壁貼應(yīng)變片。在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和仰拱8處貼應(yīng)變片，見圖2（b）。

圖2 模型傳感器布置Fig.2 Illustration of the test configuration

試驗(yàn)采用砂雨法制備干砂模型，落距與相對(duì)密度標(biāo)定曲線如圖3所示。模型相對(duì)密度設(shè)定為58%，落距為60 cm。

圖3 相對(duì)密度－落距關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between relative density and drop height

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)列出了測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論，為了與工程實(shí)際、理論原型比較，離心機(jī)試驗(yàn)所得的結(jié)果轉(zhuǎn)換成原型尺度進(jìn)行分析和總結(jié)。

2.1 加速度反應(yīng)

2.1.1 臺(tái)面加速度

地震波波形采用2008 年汶川地震中臥龍觀測(cè)站、正弦波形和1999年中國(guó)臺(tái)灣集集地震的加速度記錄，3種波形具有不同峰值加速度和不同頻譜特征。實(shí)測(cè)臺(tái)面加速度峰值介于5～10 g，其三者的峰值加速度分別為5.2、6.9 和9.2 g，原型加速度峰值介于0.104、0.138、0.184 g，模擬抗震烈度為7 度～8 度地震。其原型時(shí)程曲線如圖4所示。其三者地震波的主頻為2.32，1.36，1.26 Hz，由于篇幅，這里并未展示其頻譜圖形。

圖4 振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度（原型）Fig.4 Acceleration of shaking table（prototype）

2.1.2 有無高聚物外包層隧道襯砌加速度對(duì)比

在圖5（a）中，加速度時(shí)程曲線數(shù)據(jù)來自于圖2（a）的加速度計(jì)Acce2和Acc5，由圖5（a）可知，在無高聚物外包層時(shí)，加速度時(shí)程曲線波形和峰值較為相近；由圖5（b）可知，二者的頻譜也類似。說明高聚物外包隧道后，并未減小隧道模型加速度反應(yīng)。兩種工況下隧道的慣性力沒有太大區(qū)別，就圍巖加速度而言，減震層并未減少結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。在輸入正弦波和集集波時(shí)，加速度計(jì)Acc2和Acc5的信號(hào)數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，說明高聚物外包層并未吸收或過濾地震波。

圖5 隧道襯砌上時(shí)程曲線和傅氏譜Fig.5 Time histories and Fourier amplitude spectra of horizontal acceleration response of tunnel shield

2.2 隧道應(yīng)變幅值動(dòng)力特性

為了更好地研究隧道動(dòng)力特性，文中選取監(jiān)測(cè)隧道斷面各點(diǎn)峰值動(dòng)應(yīng)變作為研究對(duì)象。當(dāng)輸入臥龍波、正弦波和集集地震波后，選取隧道各部位動(dòng)應(yīng)變峰值繪制成圖，如圖6所示。為了便于分析，當(dāng)離心重力加速度升到50 g后，隧道各點(diǎn)的應(yīng)變值歸零。在此基礎(chǔ)上，施加地震激勵(lì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道的拱肩和拱腳的動(dòng)應(yīng)變峰值最大，呈45°±90°方向分布。3個(gè)地震波中，集集地震的峰值加速度最大，隧道上的動(dòng)應(yīng)變峰值也最大。圖6 左側(cè)和右側(cè)分別是未設(shè)置高聚物外包層和設(shè)置高聚物外包層動(dòng)應(yīng)變峰值，為了定量比較高聚物外包隧道模型后的減震效果，提出了減震率γ，見式（3）：

圖6 隧道模型不同部位動(dòng)應(yīng)變峰值（10-6）Fig.6 Peak strains on different locations of tunnel models（10-6）

式中：ε1是無高聚物外包層時(shí)的應(yīng)變值：ε2是有高聚物外包層時(shí)的應(yīng)變值。

由表3 可知，臥龍波、正弦波和集集波輸入時(shí)，各點(diǎn)的平均減震率為32.44%、30.93%和30.65%，三者的平均減震率都大于30%。由動(dòng)應(yīng)變結(jié)果可知，高聚物外包層可以有效降低隧道管片動(dòng)力響應(yīng)，改善其受力狀態(tài)。

表3 應(yīng)變峰值減小率Table 3 Reduction rate of peak strain %

由加速度、頻譜和隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果可知，隧道的動(dòng)力響應(yīng)特征并非由隧道受力振動(dòng)決定，而取決于圍巖和隧道的變形。由隧道模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)可推測(cè)，隧道的變形模式呈X型變形（圖7），沒有高聚物外包層時(shí)的變形量Δ1，而有高聚物外包層的變形是Δ2，Δ1＞Δ2。減震層的減震機(jī)理是吸收土體變形，從而減少了變形從土體向隧洞傳遞。前人對(duì)于其他材料的減震機(jī)理也有描述，泊松比、減震層厚度，土體的剛度都對(duì)減震效果起到很重要的作用［2］。

圖7 減震層減震機(jī)理Fig.7 Mechanism of isolation layer on seismic isolation

2.3 沉降對(duì)比

在地表變形監(jiān)測(cè)中，激光位移計(jì)1遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)，激光位移計(jì)2在無高聚物外包層的隧道上方，激光位移計(jì)3在有高聚物外包層隧道上方（見圖2）。由圖8可知，三者的沉降趨勢(shì)類似，在數(shù)次地震激勵(lì)后，三者最終沉降都不大于0.25 m，受結(jié)構(gòu)的影響隧道上方地表沉降都小于自由場(chǎng)的沉降。受高聚物外包層的影響，有外包隧道上方地表的沉降小于無外包隧道上方的地表沉降。高聚物外包層隧道上方地表的最終沉降分別比無外包隧道模型和自由場(chǎng)地表沉降約小20%和50%。高聚物層替換了原隧道周圍的砂土，使得相對(duì)應(yīng)的砂土區(qū)域的模量加強(qiáng)，有高聚物外包隧道頂部的地面沉降變小。

圖8 不同部位地表沉降Fig.8 Settlement of different locations

3 結(jié)論

文中針對(duì)高聚物外包和無外包盾構(gòu)隧道模型，采用離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)對(duì)照試驗(yàn)。得到以下結(jié)論：

（1）在同一地震波激勵(lì)工況下，有高聚物外包層并未減小盾構(gòu)隧道模型加速度反應(yīng)，有外包的隧道頻譜與無外包層的隧道頻譜相差不大，說明高聚物外包層并沒有明顯減小峰值加速度，也沒有濾波作用。

（2）無論有無高聚物外包層，盾構(gòu)隧道的拱肩和拱腳的應(yīng)變峰值絕對(duì)值比其他部位大，隧道類似X 型變形模式。從抗減震角度考慮，拱肩和拱腳處應(yīng)采取加強(qiáng)措施。對(duì)于無高聚物外包的隧道模型，其地震反應(yīng)大于有高聚物外包的隧道模型。與無外包的隧道模型各點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變相比，在臥龍波、正弦波和集集波作用下，有高聚物外包層的盾構(gòu)隧道模型動(dòng)應(yīng)變減小率分別為32.4%、30.93和30.65%。

（3）盡管自由場(chǎng)、有高聚物外包隧道頂部和無外包隧道頂部的地表沉降都很小，且相差不大。但有高聚物外包層隧道的頂部地表沉降最小，說明在中密砂土地層中，由于高聚物外包和隧道結(jié)構(gòu)的影響，其上方地表沉降最小。

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明：離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)證明在中密砂土地層中，高聚物對(duì)盾構(gòu)隧道有橫向減震作用，數(shù)值模擬分析也證明在巖層中也有相似效果［24］。此次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)高聚物應(yīng)用于盾構(gòu)隧道減震設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，在設(shè)計(jì)施工方案設(shè)定時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，酌情調(diào)整。