第36卷第21期
振动与冲击
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.36No.21 2017断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究 刘礼标王永甫2&刘方周杰1
(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074 ; 2.后勤工程学院军事土木工程系，重庆401311)
摘要：为探讨不同断层走向下隧道在地震作用时的响应规律及破坏机理，开展了振动台模型试验及数值分析，研究了隧道的加速度反应、动应变及围岩动土压力的变化规律和隧道的动态破坏形态。分析结果表明：地震下隧道衬砌 将受较大的拉、压作用，尤其穿越断层处隧道衬砌张拉裂缝分布数量多、复杂，多集中于拱脚、拱肩和仰拱；隧道各部位的 加速度和动应变的时程变化规律与输人的地震加速度时程曲线基本保持一致，说明隧道在地震过程中保持整体运动性，但断层对地震动力反应具有一定的放大效应，且随着断层走向与隧道夹角减小而更加明显；动土压力伴随地震荷载作用 呈现动力时程变化规律，动土压力幅值整体呈“两侧大、顶底小”的规律，且断层走向对隧道动土压力影响较大。研究结 果可为隧道的抗震设计和施工提供参考，具有重要的实际工程意义。
关键词：隧道工程；断层走向；振动台模型试验；地震响应特性'破坏形态
中图分类号：U452 文献标志码：A DOI ： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2017.21.029
Shaking table model t ests o n th e influence of fault strike o n th e seismic responses of tunnels
LIU Libiao1, WANG Yongfu2 , LIU Fang1, ZHOU Jie
(1. College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；
2. Department of Military and Civil Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)
A b strac t#To reveal the seismic response and dam age m echanism of a tunnel under different fault strik es，shaking table model tests a nd num erical analyses were introduced.The research focused on the acceleration，strain，eartli pressure and fracture patterns of the tunnel.The test results show that the tunnel lining is subjected to large tensile and compressive stresses，most complex and wider cracks of t!ie lining occur concentratedly on the spandrel，arch foot and invert arch when the tunnel crosses the f ault zone.The variation of accelerations and dynam ic strains along the tunnel is sim ilar at every p o in t，showing that the tunnel moves as a u nity，but the fault strike has significa
nt am plification effect on the seismic resjDonses when the t unnel crosses t!ie fault zone，and the effect becom es more obvious as t!ie angle between the fault stril^e and tunnel decreases.The dynamic curves of earth pressure show its value and direction changing with the seismic loads. The am plitude distribution of the dynam ic earth pressure is big on the both sides and provide references to the eartiiquake resistant design and the construction of practical p rojects.
K ey w ords ：tunneling engineering；fault strik e;shaking table model test；seismic response characteristics；destructive pattern
近十几年来，我国地震灾害现象频发，据国家统计 局发布的数据，2005年到2015年间我国大陆地区共发 生5级以上地震灾害123次，使人民众的生命财产 及国家的基础设施蒙受了巨大的损失，其中隧道遭受 地震的破坏较为频繁，震害现象十分明显。据1995年 日本阪神地震、1999年台湾集集地震及2008年汶川地
基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究专项资助(cste2015jcyjA30017)；江西省交通运输厅科技项目（2014Y0009);
重庆市教委科学技术研究项目（K J500534)
收稿日期：2016 -07 -06修改稿收到日期:2016-09 -16
第一作者刘礼标男，讲师,1985年生震[1C]等的震后调查及相关研究[3C]均表明，虽然在地 震烈度较小、围岩条件好及埋深较大的情况下，隧道抗 震性较好，且明显优于地面结构，但位于断层破碎带段 的隧道，由于围岩地质条件差、软硬相互过渡的特点，是隧道震害较集中的部位，因此，必须对穿越断层段隧 道合理的抗震设计方法和破坏机制给予高度重视。
目前国内外学者开展了地震作用下隧道破坏机 制、抗震设计方法以及抗减震措施方面的研究，主要采 取4种研究手段：地震原型观测、模拟试验[6C1]、理论分 析[1214]和数值模拟[15—18]，其中，振动台试验为研究隧道 结构的抗震性能和破坏机制提供了最为直观的方法。
第21期刘礼标等：断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究197
李林等[6]对浅埋偏压隧道和无偏压隧道分别采用振动 台试验和数值 方法 ，得 、无偏压情况下隧道的加速度响应、地 形及内力 律；王帅帅等[7]针洞口围岩 、含
坡和 加 3 况，开展型台模型验，了隧道洞口 型土体破坏形态；蒋树等[8]针 隆拉隧道洞口段围岩、地震动力响应以及减震层和抗震缝的效果 了大型 台型试验 '耿等[9]以地震烈度 越断层破碎带隧道 为 ，开展了 震层隧道的振台物理模型试验；雷等[1#~11]隧道抗震减震措施 详 ，并 了跨 隧道 震缝和套 形支护 的减震效果；陈庆等[15]M 用f l a c3D：花岗岩隧道的地震响应机理及 混土减震层的减震效果 了。目尽隧道台试验 方面取得了 展，得了：有的结果，于 走 隧道地震响应特性影响的文献 ，特别是
动力破坏机理
深 。基于此目的，本文开展了断层走 隧道相 的大型 台试验，研究其破坏机制与动力响应，了验模型采 例为1:1的数值模型互相验证，以便 果能为跨 隧道抗震计和施工提供参考。
1振动台模型试验方案设计
!1模型试验概况及相似比
本 验在中国地震局工程力学研究所的地震工
放实验室进行。地震 台系电液伺 ，单独 地震动。振动台台面 为5m x5m，荷质量30 .覆力矩75 t •m；最大位移:2和！方向为±8cm，M方向 为±5 cm；度：单 为60cm/s，三
30 cm/s；加速度:2和！方向为1g，在M方向为 0.7 g；率范围:0.5 〜40.0 H z。
以双车道隧道的 为原型，高为93m，跨度为113m，厚度为03m，隧道顶 由面的高度为30 m，破带厚度为2.0m，1和2走 隧道 （行车方向）别为30°和45°，且过隧道接缝处。根据隧道原型 、台台面 及A N SY S数值计 果，验何相似比取为1:40，根据B ukingham原理[19]，推导其他物理 量的相似关系见表1。
何相 得：隧道模型跨度为30 cm，隧道高度为24. 5 cm，衬砌厚度为1.5 cm，破碎带厚度为5 cm，7节 ，每节长50 cm，每段环氧树 胶黏接成整体，模型箱 为3.5 m x1.5 m x1.8 m(长x宽x高），隧道与断层相对 位置关系图见图1，试验型现场图2。
表1 试验相似关系与相似比
Tab. 1 Similarity relations and similarity ratio
for shaking table tests
物理量相系相
长度-1/40
密度
-
1
弹性模量-1/40
时间-=--5-0.50.158
会议纪要与会议记录的区别>石家庄东方美术职业学院内摩擦角无因次1
泊松比无因次1
应无因次1
位移1/40
加速度1
应力1/40
率-i-1-;0.5-#5 6.29
图1断层与隧道相对位置关系图
Fig.1The relative position diagram of fault strike and tunnel
!2模型材料选取
由于岩土体特性的复杂性，动力型试验很难完全 相 理，本文相 料选择考虑的主要力学 数有：围岩的黏聚力、、性量和容重及土的弹性模量等。围岩的相 料采 定 例的标 、石 、滑石、、水，水等的混合物模拟，配合比为 70 J: 11. 3 J:8J:0. 25 J:0.25 J
:10.2J，并过直剪仪和压力仪核重和弹性模量等力学参数；隧道的 采 土 ，并 00.6m m钢丝网 '考 破碎带的实际情况，断层采 石 。型和原型的物理力学参数见表2。
!+传感.布置原则
本系 验主要采集数据：加速度、轴向和环向应变、土力，传感器 之 山岭隧道动力响应规律的 成果[20C1]，并 验模型系统了的数值 ，了跨
隧道结构
198振动与冲击2017年第36卷
(G)衬砌模型图(b)断层位置图(C)模型箱整体图向成45。。
30
33
水平加速度计—竖向加速度计籲土压力盒
图3加速度计和土压力盒布置图（cm)
Fig.3Layout of acceleration meter and earth pressure cell (cm)
30
__________33_____________^
环向应变片•轴向应变片
图4应变片布置图（cm)
Fig.4 Layout of strain foil (cm)
图2试验模型照片
Fig.2 Photos of experimental model
表2模型材料物理力学参数 Tab. 2 Physical-mechanical param eters of model
材料类型
重度/
(kN •m*
性模量/
3)MPa
黏聚力/
kPa
内摩擦角/
(〇)
围岩原型22.0 1.3 x10340027型22.032.510.027
断层原型19.54008026型19.510 2.026
衬砌原型25.029.5 x103 2 13051.6型25.0737.553.2551.6
在地震过程中受力较为不利与变形较大的部位。试验
针对性的 传感器，并
2摄像头，的展及走向。
纵断面 3 量面（\一\、：6—：6、=一=)，每 面的加速度传感器及土压力盒见图3$应变片
图4。，A—A截面为 走 隧道 成30。、B—B截面 和C一C截面 走 隧道轴!4试验加载方案
为 地 型箱端部对试验的影响，型箱的四周 上厚的 利 *22+。本 验选 川卧龙波作为地震 ，加度
幅值范围03g〜1.0 g，每级0. 1g逐级加载，共考虑 20加载工况。为获取尽量多的 数据，考了单向、输，向（水平垂直隧道轴线，横向）、F向（平行隧道轴线，即纵）、M(竖
直隧道轴线）。地震波加速度为 输 ，输入的地震波为 站记录的实际地震波，据统计资料表明地震 加速度峰值与水平向峰值比值接近
1/3-2/3，验 加速度峰值（M向）按水平横向(Z向）峰值的1/3加载。图5为型试验输入1.0 g 地震波时台面加速度 线。
2试验结果分析
本系列模型试验测点布置及加载工况较多，限于 篇幅，本文 地震波加速度峰值为1.0g的2M向加载情况下 表性测点的记录数据，其他详 ’果另文。了与试验模型采 例为1
理论热点面对面2011
Z
第21期刘礼标等：断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究199
图5台面加速度时程曲线
Fig. 5 Acceleration time history 〇b table-board
的数值模型，材料物理力学参数采用试验参数，边界条 件采用黏弹性边界条件。截取振动台试验台面加速度 监测值的3.0〜213s共18.0 s作为数值模拟输入的地震荷载值。
2.1地震加速度响应分析
通过比较3个截面加速度数据来分析断层走向与 隧道轴向夹角对隧道的影响（见表3)，振动台试验得 到的部分典型加速度时程曲线如图+所示，其他测点 也具有类似规律。
表3地震加速度响应统计结果
Tab. 3 Seismic acceleration response
数值模拟结果振动台试验结果
峰值/g放大系数峰值/g放大系数测点位置
左拱脚
-1.08 1.08 1.21 1.21
\面仰拱
-0.43 1.30-0.41 1.23右拱脚
-1.25 1.25-1.38 1.38左拱脚
-1.04 1.04-1.05 1.05
B-B /m-fc+f
面
-0.34 1.020.34 1.02右脚-1.01 1.01-0.980.98
左脚-1.07 1.07-1.12 1.12
M仰拱
-0.44 1.330.39 1.17右脚-1.16 1.16 1.92 1.92注:C-C截面右拱脚加速度传感器有点彳面斜
(b)B-B截面右拱脚加速度时程曲线
图+部分典型加速度时程曲线Fig. 6 Acceleration time history of part typical
对比分析表3的加速度放大系数和图6的加速度
时程曲线，可知隧道内各测点的加速度时程曲线与地 震动荷载基本保持一致的运动时程规律；断层处隧道 加速度峰值较普通段隧道大，且断层走向与隧道轴向 成30°角更为明显，普通段隧道测点的放大系数基本接 近1，其中C-C截面右拱脚加速度峰值最大主要是因为 加速度传感器斜的原因。表明了断层的存在加剧了 跨断层处隧道的动力响应，但是围岩整体的振动特性
基本 。
2.2衬砌应变响应分析
为了更好研究衬砌动力特性，本文选取监测断面 衬砌动应变幅值作为研究对象。振动台试验过程分别
测试3个断面的拱顶、拱脚及仰拱处的环向应变和轴 向应变，其中部分轴向应变片发生损坏，但已有研究均 表明轴向应变较小，因此本文仅通过分析环向应变变化规律，以进一步分析断层走向对隧道结构的影响，衬 砌各部位应变幅值如图7所示。
+A-A截面计算值+B-B截面计算值
t C-C截面计算值+A-A截面试验值
+r_r裁而试鲶倌+r_r截而试骆佶
图7衬砌环向应变幅值
Fig. 7 Amplitude of angular strain fortlie lining
由图7分析可知：振动台试验与数值计算所得的 环向应变幅值变化规律一致，隧道衬砌左、右拱脚处环 向动应变幅值最大，
且跨断层段隧道结构明显大于普
200振动与冲击2017年第36卷
隧道 ，特别是拱脚处环向应 值 于普&
，跨 隧道 要加
的设计； 走 隧道
成3〇q
环向应
值最
， 合
隧道加速度峰值放大系数，表
^的存在加剧了隧道的动力响应，且随
走
‘
隧道
的电子束加工
更加短蛸
％
动土压力过输
川卧龙地震波动力时程曲线，测定模
型动土压力，
点土压力
线如图8所示
及各观测点的试验值及数值
计算值的最大动土压
力峰值如图9所示。但由于试验时，输入地震幅值由索爱m600
，为
积效应带来的 ，所列图表的数值
为扣除上
加载工况后的值。
果表明：在地震荷载
下，动土压力地震荷载保持基本 的
，表现为随地震
荷载的施加，各点的动土压力由
土压力0值
随地震荷载的施加
化；隧道各
面的动土压力峰值位于右拱脚或右 ，数值模验动土压力规律 相似，总体
，动土力
“侧
、顶
”的律。
(G A -A 截面右拱脚土压力时程曲线
(b ) B -B 截面右拱脚土压力时程曲线 图8各截面右拱脚处土压力 线
Fig . 8 Time history of dynamic eartli pressure at right arch-foot on cross section
(c ) C -C 截面右拱脚土压力时程曲线
^拱顶左拱肩左拱脚仰拱右拱脚右拱肩拱顶
图9各测点动土压力幅值
Fig . 9 Amplitude of the dynamic earth pressure 衬砌结构破坏现象分析本
验主要采取了如下措施来分析隧道模型的
破坏状况。首先，在管节内部布置了摄像头，主要记录 了 20 地震波组合
下隧道模型
域的破坏
全过程； ，验 隧道模型各管节
的破坏情况。摄像头1记的是第3节段隧道顶 域的情况，可以 整个加载过
3节隧道
顶
域
型基本未出现任何裂缝。摄像头2记录
了第4、5节隧道
域的破坏情况，如图10所
示。当地震波峰值加速度在03 g 以前，隧道底部未出 现裂缝，见图10(a )；当地震波峰值加速度达到03 g 时，第4、5节段隧道
现裂缝，见图10(b )；随地震波峰值加速度继 ，裂缝越来越大；
03
g 以后，
缝宽度达到2 m m ，但并
破坏，
见图10(c )。
(a )
缝 现
(b ) 缝 现
图10第4、5节段隧道底部视频监控截图
(c
缝扩大
Fig . 10 Video monitor screenshots at the bottom of the fourth and fifth pipes
试验结束后，通过观测看到各段隧道发生了不同 态统计见表4，部分隧道衬砌裂缝形态见图11。由图
程度的裂缝，
无块和
现象，各段隧道裂缝形
11和表4可知，跨
缝更宽、更长，且
缝
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