跨断层隧道抗减震措施性能振动台试验研究

跨断层隧道抗减震措施性能振动台试验研究

唐郑森

中铁隧道股份有限公司四川雅安625504

摘要：本文通过振动台模型试验，建立了隧道的抗阻尼措施。通过对围岩和隧道结构的地震加速度响应及隧道结构形式的地面运动、应变响应和地震破坏的分析，建立了三种条件下的缝阻尼、减震层和无阻减震措施。结果表明，该新型滑动装置能在单个模型箱内模拟断层运动，从而实现模型系统的非一致性地震激励。断层位错会对隧道结构的横截面造成广泛的破坏，因此，跨断层的隧道结构必须具有抗冲击措施。阻尼节点可以使隧道的结构发生变化，减小结构的地震应变。缓冲材料的缓冲效果可以降低围岩引起的受迫振动，从而降低了地震应变值。阻尼层的阻尼效果比减振器的阻尼效果好，但内衬混凝土的强度应提高。拱肩、拱脚和仰拱是隧道结构的关键部位。研究结果对隧道结构抗震新措施的开发具有一定的指导意义，为跨断层隧道结构抗震设防提供参考。

关键词：隧道工程；抗减震措施；振动台试验；跨断层洞身段；破坏形态

1前言

雅安至康定高速公路C1标段位于四川省雅安市天全县两路乡境内，工程区位二郎山腹地，山高林密、降雨丰沛。本项目主要工程包括：二郎山隧道主洞独头掘进左线6702米，右线6696米；二郎山隧道双线通风斜井4551米（左斜井2305米、右斜井2246米，纵坡13%）；洞外路基桥梁及两路口隧道工程（路基土石方317万方、桥梁24座、两路口隧道双线总长1226米），开完工日期为2012年9月26日-2017年9月26日，工程造价11.88亿元。该隧道处于龙门山地震断裂带范围内，为确保隧道结构的安全，在隧道大型断层地段设置了4处抗震扩大段，每段长度110米，净空扩大40cm，为地震发生后预留维修空间，且不影响隧道正常通行。

由于隧道和地下结构大多是生命线的控制工程，地震后需要立即修复和疏通。因此，地震后的隧道和地下结构的地震响应规律和损伤机理的获取信息极为有限。在地震动荷载作用下，研究隧道结构的响应特性和损伤机理是必要的。同时，将振动台模型试验与地震破坏工程实例相结合，可以逐步提高隧道和地下结构的理论体系和设计方法。站点设置在隧道的断层结构阻尼层缝，阻尼和减震措施比较测试，获得了隧道结构部分的抗减震措施在整个断层作用下的地震响应特性和破坏机理，明确传统抗减震措施的优点和缺点的隧道结构。通过断层破碎带和抗震设防，为隧道结构地震破坏机理的研究提供了参考。

2跨断层隧道振动台试验设计

2.1工程概况

实验室地震模拟振动表的表面尺寸为5.0m×5.0m，系电液伺服着三向振动台。最大的承载力是3×104kg，最大的倾覆力矩是7.5×104kg·m；满负荷最大水平的加速度是10.0m/s2，竖向的最大加速度是7.0m/s2；单向的输入时最大速度是0.60m/s，三向输入时最大速度是0.30m/s；水平向的最大位移是±0.08m，竖向的最大位移是±0.05m。模型箱由钢材焊接而成，内部尺寸是3.7m×1.5m×1.8m（长×宽×高）。螺栓固定在振动台上。在试验过程中，沿长度方向安装一个玻璃，以观察周围岩石模型的失效模式。为了减小模型箱在试验过程中的影响，在模型箱体的两侧垂直放置了一层聚乙烯膜。将一个17厘米厚的聚苯乙烯泡沫塑料放在模型箱体的两侧，与冲击方向平行，以减小模型箱体末端的影响。模型箱底有一层厚度约为10cm厚的砂浆混凝土，可以防止实验中围岩试样与模型箱之间的相对滑移（见图1）。

图1模型箱边界效应消除措施

在故障移动的基础上，根据箱体模型内的故障移动，了解地下结构振动台试验的经验（见图2），以实现围岩两侧的故障。结果（第二组测试也设置了设备）。

图2断层错动装置

设备的基本结构是：

（1）在模型箱底的砂浆层上，悬挂2厘米厚的细木工板；

（2）细木工板上有一定截面3厘米×2厘米的木条，用于避免滚筒脱位；

（3）将滚轮夹在带材之间，并将一个厚度为1厘米的钢板放置在辊子上，以承受周围岩石的重力。在试验过程中，由于辊筒的存在，导致断层的上部的围岩发生滑动，由于橡胶和塑料海绵的存在，使其能够反弹，从而实现了断层的错位。该试验包括两套试验方案（见图3）隧道模型交叉故障位置的三个工作条件，其中不包括减震措施、阻尼节点的设置和减震器层三个工作条件的设置。故障装置设置在1-1节。

图3试验方案（单位：cm）

2.2试验相似关系设计

模型和原型的相似性比设计遵循以下基本原则：

（1）由于围岩试验中隧道模型刚度的增加难度较大，且隧道模型尺寸较小，实验采用重力变形模型。

（2）几何相似比需要考虑振动台的表面尺寸、最大承载能力、最大位移和最大地震加速度。

（3）隧道模型、阻尼层结构和围岩试件应遵循相同的相似关系。

（4）保持结构模型材料材料阻力的相似性，模型材料的阻尼特性和应力-应变关系和原型相似度。根据长度、密度和弹性模量，推导出其他物理量，模型试验的相似性关系和相似性如表1所示。

表1模型试验相似关系与相似比

2.3数据采集与传感器布设

本系列所使用的传感器主要是加速度计和应变仪，用于测量隧道模型内部和外部加速度和应变的地震响应。在振动台试验之前，已经在实验模型系统上进行了详细的三维数值模拟，在地震力和零件变形的过程中，对断层结构的隧道进行了较为清晰的分析。在测试之前，目标布局传感器（参见图3）。

2.4试验加载方案

在这一系列的实验中，我们选取了地震波在某一区域的东西作为输入的mesa，并刺激了垂直于隧道轴的水平方向。根据相似的关系，对地震波的加速度峰值和保持时间进行了调整。如图4所示，调整了东西向卧龙地震波的加速度时间曲线。地面振动加速度峰值分别为0.2g、0.4g、0.6g、0.8g和1.0g，模拟了不同震级下隧道结构的破坏过程。

图4东西向卧龙地震波加速度时程曲线

3试验结果分析

3.1抗减震措施的动力响应

采用第1组A4和A6加速度计对隧道结构的地震加速度响应进行监测，不采用减震措施和减振器设置。在减震器和减震器的情况下，采用了A4和A6加速度计来监测隧道结构的地震加速度响应。比较了两组试验和无测量隧道结构的两种抗冲击措施的地震加速度响应（见图5）。根据图5所示的数据，在第一组测试中，A4加速度计采集的加速度峰值比A6加速度计小30.7%，平均比A6加速度计低23.5%。虽然A4加速度计位于断层位置，但B、C和D段是整体相连的，在地震时模型系统的整体运动。另外，由于断层的原因，隧道的结构没有完全破坏，所以其加速度与平台的输入加速度相似。A6加速度计与故障及阻尼接头相结合。由于围岩的约束，阻尼层的缓冲作用可

以减小隧道结构的强迫振动，从而减小隧道结构的破坏。

图52组试验A4与A6加速度计的加速度时程曲线

3.2隧道结构的应变反应

在本系列中，将隧道模型的极限应变值作为故障指标，在试验中记录失效过程，并在试验后使用失效机理分析。通过对隧道模型中混凝土试样的抗压强度的测试，得到了最终的应变值。试验结果表明，该材料能产生300的损伤。通过对隧道结构的地震应变值进行第2、4组应变仪的试验，结合分析得到的加速度计数据，使隧道跨断层效应的减震措施更全面、更三维。在隧道结构阻尼层上，实际建立在隧道结构阻尼上，在地震过程中改变应力状态，同时吸收地震能量，由于隧道结构的破坏而减小。然而，由于静力作用引起的拱脚和仰拱也容易受到损伤，减震器层仍然不可避免。一般来说，隧道结构对减震器的破坏更为严重，尤其是在拱和拱肩。因此，减振器的使用可以使隧道结构更好。

4结束语

通过振动台试验围岩和隧道结构的地震加速度和地面运动和应变响应特征和破坏形式的隧道结构，隧道结构在整个故障没有设置缝阻尼措施，建立了阻尼电阻和减震层进行比较分析三种情况下，以下主要结论：

在模型箱体下部设置了一种新型的故障位错装置，可以在模型中实现。在模型系统的情况下，应用不一致的地震激励来实现断层的断裂作用。然而，断层位错可以导致隧道结构的横截面在各个方向上被破坏，而交叉断裂的隧道结构必须具有抗冲击措施。隧道结构的设计是为了减少隧道结构的振动，提高隧道结构的自由。在断层运动中，可以产生相对位移，将地震能量转化为隧道结构，从而减小结构的内力和应变值。隧道结构穿越了杜安丘的阻尼层，等效于隧道结构设置的阻尼，削弱围岩的结合效果，吸收地震能量，也避免了隧道结构和围岩材料的直接影响，减少了隧道结构的破坏力量。无论采用防震措施，隧道结构的拱脚和仰拱都很容易被破坏。所以，拱肩，拱脚和仰拱是隧道结构的关键部位。

参考文献

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[2]王峥峥，高波，李斌，朱长安.跨断层隧道振动台模型试验研究Ⅰ：试验方案设计[J].现代隧道技术，2014，51（02）：50-55+62.