穿越断层破碎带隧道设置减震层的振动台模型试验
耿萍，唐金良，权乾龙，何川，晏启祥
(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都，610031)
摘要：以某高地震烈度区穿越断层破碎带的铁路隧道工程为依托，开展设置减震层的振动台物理模型试验，介绍试验方案及过程，包括试验装置、试验内容、模型相似比、模型箱体设计、相似材料、测试方案及传感器布置、地震波输入及加载制度等，并对设置减震层的减震效果进行分析。试验结果表明：对高地震烈度区穿越断层破碎带隧道振动台模型试验的设计方案合理可行，设置减震层是一种降低地震荷载作用下衬砌的内力峰值，提高隧道抗震性能的有效手段。
关键词：断层破碎带；铁路隧道；减震层；振动台试验
中图分类号：TU94+3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)06-2520-07
Shaking table test for tunnel with shock absorption layer though fault zone
GENG Ping, TANG Jinliang, QUAN Qianlong, HE Chuan, YAN Qixiang
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: A railway tunnel in high seismic intensity region was selected as the prototype to conduct shaking table test. The whole test scheme and process, including the test facility, experimental contents, the similarity ratio of model, the design of model box, the similarity materials, the layout of measure sensors and test scheme, the wave input and the load subsequence, were introduced systematically. The effects of vibration-absorption layer in the test were also analyzed. Test results show that the design scheme of shaking table test is reasonable and feasible for the tunnel in the high seismic intensity zone through fault. Setting shock absorption layer for tunnels is an effective means which could reduce the peak internal force of lining under seismic load and improve earthquake resistant capability of tunnel.
Key words: fault zone; railway tunnel; shock absorption layer; shaking table test
近十几年来，地下结构遭受地震的破坏较为频繁，震害现象十分明显[1]。根据震害调查，穿越断层破碎带隧道是地震时最容易发生破坏的位置之一[2]，因此采取切实有效的抗减震措施保证其安全十分重要，穿越断层破碎带隧道的抗减震措施研究是目前隧道工程抗减震技术研究的重点课题，也取得了一些有意义的研究成果[3-4]。鉴于振动台模型试验可以很好地再现地震过程和进行人工合成地震波的激振, 是在实验室中研究结构地震反应最直接的方法。它既能够控制边界条件、主动改变各种影响因素，又可以从不同围岩级别、衬砌型式、地震波及地震烈度等多方面进行控制研究[5-6]，从多个角度探求围岩和地下结构的地震反应特性，因此在国内外地下工程抗减震研究中得到较广泛的应用：He等[7]通过振动台模型试验研究了盾构隧道的地震反应特性，证实了其抗震计算方法性的合理性；申玉生等[8-9]以雅安—泸沽高速公路高地震烈度区山岭隧道为对象，通过振动台试验研究了隧道洞口段及围岩的破坏形态和动力特性；杨林德等[10]通过地铁车站结构振动台模型试验得到了车站结构模型的加速度响应、土–结构间的动土压力值以及结构模型的动应变值。在此，本文作者以某高地震烈度区穿越断层破碎带的铁路隧道工程为依托，进行隧道设置减震层的振动台物理模型试验研究。
1 试验
1.1 试验装置
振动台试验在大型三向六自由度振动台上进行，该振动台的主要性能指标为：台面尺寸6 m×6 m；最大加载60 t；满载时最大水平加速度1g(1g=9.806 65 m/s2)，最大垂直加速度0.8g；空载时水平向3.5g，垂直向3g。频率范围为0.1~100 Hz。
1.2 试验内容
本振动台试验考虑单洞单线和单洞双线两种情况，主要试验内容如下：
(1) 针对不同埋深、不同地震强度、不同激振方向、特定围岩条件和特定隧道刚度条件的振动台试验，对穿越断层破碎带隧道的地震动力响应规律进行系统研究。
(2) 对特定隧道开展穿越断层破碎带隧道设置减震层的减震效果研究。
1.3 模型相似比
考虑到本振动台试验模拟的铁路隧道在地震作用下的动力响应问题主要没有涉及到结构破坏阶段，即主要考虑在弹性范围的地震反应，因此重点满足弹性相似律即可。根据Bukingham定理，在线弹性范围内各物理量可用下式表达：
(1)
式中：σ，l，E，ρ，t，u，v，a，g，ω分别为动应力、长度、弹性模量、密度、时间、位移、速度、加速度、重力加速度和圆频率。
以长度l、密度ρ和弹性模量E为基本未知量，根据量纲分析理论，其他未知量可以用基本未知量来表示，式(1)可通过量纲转换表示为：
(2)
结合地震模拟台的尺寸及仪器相关限定参数，将模型模拟基础相似比选为几何比尺1/40，质量密度比尺0.85，弹性模量比尺1/100，根据弹性相似理论推导出时间、加速度和应变的相似比，见表1。
表1 振动台试验物理量相似比
Table 1 Similarity relationship for model test
1.4 模型箱
试验模型箱是地下结构振动台试验的重要设备，一般要求模型箱结构可靠，不能在振动试验中破坏；模型箱自身的自振频率与模型体系的自振频率相差较大，以免发生共振而影响试验结果；另外还要考虑模型制作、装箱、吊装以及对试验过程观测的方便等因素。采用2个尺寸完全相同的模型箱以进行不同工况的比较研究。每个模型箱的尺寸为4.0 m(纵向)×2.0 m (横向)×1.8 m(高度)，箱体横向尺寸大于模型隧道洞径的5倍，以减小边界对试验的影响[11-12]。模型箱边界采用钢性固定边界，其主体框架用40 mm×40 mm×4 mm等边角钢焊接而成，四面用2 mm厚型钢板作围护。平行隧道结构模型箱两侧用斜支角钢支撑，以提高整体自振频率，防止模型箱与模型发生共振。底座预留螺栓孔，以便与振动台连接。模型两侧预留观测孔。在振动方向两端箱壁粘贴10 cm厚的聚氯苯烯泡沫板，以减小地震动模型箱壁的反射效应。在模型箱底部黏结一层碎石，用以增大接触面上的摩擦阻力，以免激振时模型土体与底板间发生相对滑移。对模型箱及Ⅳ级和Ⅴ极围岩模型体系进行了自振频率分析，模型箱的自振频率远远超过模型体系的自振频率，不会发生共振现象而影响试验结果。
1.5 模型材料
相似材料选择考虑的主要力学参数有：围岩的黏结力、内摩擦角、弹性模量和容重，衬砌混凝土的弹性模量等。相似材料除了应具有稳定的、符合相似关系的物理力学性质之外，还应满足加工方便、价格实惠等要求。经多次配比试验，Ⅳ级、Ⅴ级围岩以及断层破碎带的相似材料采用一定比例的重晶石粉、细石英砂、机油和粉煤灰等的混合物模拟。上述混合物在其化学反应结束后，基本不受温度和湿度的影响，但是受密实程度的影响较大，实际填料时首先以其松散均匀的状态填入，然后用打夯机夯实，再用环刀取样，通过直剪仪和压力仪核定其容重和弹性模量等参数。围岩及断层破碎带参数根据地勘资料，并参考《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)附录A及《铁路隧道新奥法指南》取值，其模型和原型的物理力学参数见表2。
采用石膏作为衬砌结构模型材料，它的性质和混凝土比较接近，均属脆性材料，成型方便、易于加工，适宜制作线弹性模型。本试验通过多组石膏制样的弹性模量测试，最终选定m(石膏):m(水)=1.1:1作为衬砌模型材料，并内置钢丝网对双线隧道衬砌进行补强。在穿越断层破碎带的单线隧道衬砌环向布置横向减震层，采用8 mm厚海绵橡胶材料紧贴衬砌外围，形成衬砌—海绵橡胶层—围岩的隧道减震系统，用m(石膏):m(水)=1:1的混合料将隧道模型各节段相连接。
表2 围岩物理力学参数
Table 2 Mechanical parameters of surrounding rock
1.6 测试方案
1.6.1 量测信息与传感器类型的选择
试验的量测信息包括在振动台激振过程中模型围岩和模型衬砌结构的加速度值及模型围岩的位移量、模型衬砌结构的应变值。选用的传感器分别加速度传感器、激光位移传感器和电阻应变传感器。衬砌上采用单向加速度计，型号为CA-YD-181M12；围岩中采用电容式三向加速度计，型号为DH 302；激光位移传感器为BY-3型。应变片的栅长为3 mm×2 mm，型号为BCL120-10AA，采用1/4桥接桥方式分别在衬砌拱顶、拱肩、墙角及仰拱中心处内外两侧粘贴测量应变，据此计算衬砌的弯矩和轴力。
1.6.2 传感器布置原则及方案
测试传感器的布置一方面需充分参照有关山岭隧道动力响应规律的已有研究成果[7-9,13-14]，使预期测试结果能和既有理论及数值分析结果相互验证；另一方面在满足基本信息采集的前提下应尽量精简，以免因仪器布置造成人为结构面，影响测试结果。图1和图2所示分别为模型箱Ⅰ及模型箱Ⅱ的测试截面布置示意图。
图1 模型箱Ⅰ测试截面布置示意图
Fig. 1 Arrangement of test section on model box I
图2 模型箱Ⅱ测试截面布置示意图
Fig. 2 Arrangement of test section on model boxⅡ
1.7 地震波输入与加载制度
本次振动台试验采用按相似换算压缩的地震波作为输入地震动，包括扫频正弦波、汶川地震波、人工合成地震波和瑞丽地震波。试验分为埋深20 m和埋深40 m 2种工况进行。将2个埋深为20 m的模型箱同时置于台上，按设计的不同方向和不同峰值加速度分别输入正弦波、人工合成地震波和汶川地震波，记录各地震反应值；完成以后，将模型箱内填满土，使成为埋深为40 m的工况，将埋深为40 m 2个模型箱同时置于台上，按设计工况输入不同地震波，记录围岩和衬砌的地震反应。具体加载制度见表3。每次地震波激振前均输入白噪声，以量测模型体系的动力特性。
表3 试验加载制度
Table 3 Subsequence of test loading
2 设置减震层效果分析
以埋深20 m工况下横向输入峰值加速度0.3g的汶川地震波为例，其输入的地震波加速度时程及其傅里叶变换如图3所示，试验得到C-C′截面(未设置横向减震层)和B-B′截面(设置减震层)衬砌拱顶的加速度反应如图4所示。根据模型箱的时间相似比，还原内力时程，并截取C-C′和B-B′截面隧道衬砌在拱脚及仰拱中心处的内力反应时程曲线如图5~8所示。
据试验可知：设置了减震层的B-B′截面拱顶加速度反应峰值为3.10 m/s2，未设置减震层的C-C′截面拱顶加速度反应峰值为3.78 m/s2，即设置横向减震层比未设置的结构加速度反应降低了23%；对比C-C′截面和B-B′截面的在拱脚和仰拱中心位置的内力峰值，由表4可以明显看出设置减震层的减震效果：即设置减震层可以明显削弱衬砌在地震荷载作用下的内力反应，对提高隧道抗震性能起到有利的作用，同时也可以看出减震层的设置并未改变隧道衬砌结构的地震动力响应规律。
图3 输入地震动加速度时程及其傅里叶变换
Fig. 3 Acceleration time history and Fourier spectra of input seismic wave
图4 C-C′与B-B′截面拱顶处加速度时程
Fig. 4 Acceleration time history at vault on cross section C-C′ and B-B′
图5 C-C′与B-B′截面拱脚处弯矩时程
Fig. 5 Bending moment time history at arch foot on cross section C-C′ and B-B′
图6 C-C′与B-B′截面拱脚处轴力时程
Fig. 6 Axial force time history at arch foot on cross section C-C′ and B-B′
图7 C-C′与B-B′截面仰拱中心处弯矩时程
Fig. 7 Bending moment time history at center of the inverted on the cross section C-C′ and B-B′
从振动台试验中隧道衬砌结构的破坏情况来看，未设置减震层的模型衬砌在拱肩处沿纵向出现较长裂纹，如图9所示。
图8 C-C′与B-B′截面仰拱中心处轴力时程
Fig. 8 Axial force time history at center of inverted on cross section C-C′ and B-B′
表4 减震层试验内力峰值对比
Table 4 Comparison of peak internal force in shock absorption layer test
图9 模型衬砌裂纹
Fig. 9 Crack of model lining
3 结论
(1) 由加速度和内力时程，可以看出在幅值上有所变化，但是时程曲线的变化规律及频谱特性基本一致，说明设置减震层并未改变隧道结构的地震反应规律。
(2) 衬砌断面在拱肩和拱脚处(即共轭45°方向)内力反应最大，容易发生震害，建议对穿越断层带隧道衬砌结构共轭45°方向予以抗震设防。
(3) 设置减震层明显降低了衬砌结构的地震反应内力峰值，尤其在衬砌结构的拱脚(弯矩响应最大处)和拱肩(轴力响应最大值处)，减震层的设置对降低内力值有着显著作用，可降低内力反应峰值最大为50%左右，减震层效果显著。
(4) 试验中未设置减震层的模型衬砌在拱肩处沿纵向出现较长裂纹，这与试验数据分析及实际震害结果一致，由于在拱脚处加强了衬砌，未发现震害。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-06-18；修回日期：2012-09-05
基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2011CB013605)；四川省应用基础计划项目(2012JY0095)；高铁联合基金重点项目(U1134208)
通信作者：耿萍(1964-)，女，四川成都人，博士，副教授，从事隧道与地下工程方面的研究；电话：13551258484；E-mail：gengp@scjm.gov.cn
