一种模拟发震断层动力特性的隧道地震试验方法

胡　辉， 李冰天， 仇文革

(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)

0　引言

随着我国西部大开发战略的实施，西部地区的交通工程正在得到大力建设，其中铁路和公路隧道占据着很大的比例，部分长大隧道工程不可避免地穿越活动断层。与此同时，近年来我国西部地区地震频发，2008年汶川地震震后调查资料结果表明，地震会对隧道工程造成一定程度的破坏，而穿越活动断层隧道的破坏尤为严重。因此，迫切需要对长大隧道穿越活动断层时的地震响应进行深入研究。

模型试验是研究隧道穿越断层时地震响应的一种重要手段。目前，隧道穿越断层的模型试验方法主要有2种： 一种是刘学增等[1-2]采用的同济大学自行开发的试验装置的方法，该装置利用升降千斤顶的方式使试验箱上盘沉降进而来模拟断层的错动，研究正断层黏滑错动对公路隧道的影响； 另一种试验方法是利用振动台进行动力加载，就是将设置有断层围岩的隧道模型箱置于振动台上进行模拟地震试验，王峥峥等[3-4]对此方法进行了试验设计和研究，何川等[5]利用此方法研究了隧道穿越断层破碎带的震害机制，信春雷等[6]利用此方法对跨断层隧道抗减震措施进行了研究。

以上2种试验方法均有各自的优点： 同济大学的试验装置可以对断层错动的错动量和错动过程进行定量控制，而振动台试验方法可以通过输入地震波很好地模拟实际地震的情况。但这2种模型试验方法又都有其不足之处。首先，在2种方法的试验过程中，千斤顶的升降和振动台的振动均使模型箱表现为受迫振动，因而不能体现实际情况中断层自主发振的特性，有一定的失真； 其次，试验箱体趋于刚性，且纵向长度不足，无法体现断层错动发生时地层位移由发震断层位置向远端逐渐减小的过程，导致在研究长大隧道穿越活动断层时，无法对隧道由断层段到非断层段沿纵向的振动特性变化进行模拟研究。

基于以上2种模型试验方法存在的问题，本文提出一种模拟长大隧道穿越活动断层动力响应的新型模型试验装置，既能够模拟断层自主发震，也能够模拟长大隧道穿越活动断层时的纵向振动特性变化。同时基于该试验装置，还提出一种通过组合弹簧改变动力响应的试验方法。

1　模型箱设计制作

长大隧道穿越活动断层模型试验箱如图1所示，箱体尺寸为6.0 m×1.0 m×1.0 m(长×宽×高)。根据断层运动特点，将模型箱底板分为上盘和下盘2部分，同时分为固定端、缓冲区和断层错动区3个区域。固定端由钢架支撑并固定于地面，模拟远端非断层区不受断层错动影响的区域； 断层错动区设置可以改变倾角的断层错动面，由千斤顶组支撑，试验前根据断层错动方向、倾角和错动量，利用千斤顶组固定上、下盘的位置，试验时释放支撑主动错动盘的千斤顶组，断层自主发生错动，从而分别对正逆断层进行模拟； 缓冲区连接固定端和断层错动区，前后两侧设置多块挡板，采用与底板焊接、相互之间搭接的方式。该装置既能够模拟断层自主发震，也能够很好地模拟断层错动引起地层位移向远端逐渐减小的过程。

(a) 3D效果图

(b) 模型试验图

2　试验方法设计

试验开始前，模型箱断层错动区上下两盘各由1组千斤顶支撑，升高其中1组千斤顶至固定高度来模拟正逆断层的初始状态。进行围岩装填，隧道布置，监控量测元件设置。在模型箱缓冲区和断层错动区下方试验台上设置若干数量的弹簧。试验过程中，通过释放升高的千斤顶组，使断层产生自发的错动。预先布置的弹簧有2个作用： 一是在千斤顶组释放后成为新的支撑系统； 二是可以通过改变弹簧的参数来改变断层错动发生后整个围岩-隧道体系的动力响应，这是该试验方法的精髓所在，也是本文研究的重点。

2.1　弹簧刚度试验

试验使用粗细2种不同型号的弹簧，试验前对弹簧进行刚度测试，如图2所示。测试结果如表1所示。

(a) 压缩前　　　　　　　　　　　　(b) 压缩后

弹簧类型弹簧刚度/(N/mm)粗弹簧123.5细弹簧48.3

2.2　通过组合弹簧改变动力响应

试验中通过改变弹簧组的参数使整个围岩-隧道体系在断层错动发生后的动力响应发生改变。

弹簧组的可变参数主要有以下3种： 单个弹簧的刚度系数、弹簧组包含弹簧的个数以及弹簧组在试验台上的布置方式。组合弹簧模型如图3所示，其中： 图3(a)表示基本弹簧组； 图3(b)中通过整体改变弹簧组内弹簧的刚度系数(使用粗或细弹簧)，来改变整个弹簧组刚度系数的数量级； 图3(c)中通过改变弹簧组内弹簧的个数，在同一数量级内改变弹簧组的刚度系数。

(a) 基本弹簧组

(b) 改变弹簧刚度系数

(c) 改变弹簧个数

断层发生错动后，试验模型整体所构成系统的振动全过程，可以近似看作是有阻尼的自由振动，而弹簧组的参数则表征了系统的弹簧刚度系数。

在结构动力学[7]中，有阻尼的自由振动的振动频率

(1)

系统的弹簧刚度系数k与系统的振动频率呈正相关，证明在试验中可以通过改变弹簧组参数来改变围岩-隧道体系在断层错动发生后的动力响应，且可以预知改变结果。另一方面，在试验中为了使围岩-隧道体系发生一定范围内的动力响应，可以通过设置对应参数的弹簧组来达到效果。

2.3　试验工况设置

根据组合弹簧形式，共设置4组工况进行试验。

表2　试验工况

3　试验数据采集与结果

3.1　数据采集方法

在试验过程中，利用加速度传感器和高速摄影仪(见图4)对整个试验过程进行监控量测。

(a) 加速度传感器

(b) 高速摄影仪

利用加速度传感器对断层错动发生时错动盘的振动情况进行监测，传感器布置在模型箱错动盘隧道上方土体内，如图5(a)所示。利用高速摄影仪对断层错动发生时错动盘下弹簧组振动情况进行定位监测，以此来间接反映试验过程中模型箱的振动。选取的监测点位于弹簧上方试验箱底板下边缘，如图5(b)所示，试验过程中对所有监测点进行同步监测。

(a) 加速度传感器布置

(b) 高速摄影仪布置

3.2　监测结果分析

3.2.1加速度传感器监测结果

以工况1为例，得到的监测数据如图6所示。

图6　工况1监测数据

选取加速度正向最大值(波峰)到负向最大值(波谷)为半个周期，工况1的振动周期T=(0.113 2-0.089)×2=0.048 4 s，工况1振动频率f1=1/T=20.7 Hz。

运用上述方法对其他工况进行分析，得到各工况的频率，如表3所示。

表3　各工况振动频率

进而得到各工况振动频率与组合弹簧总刚度的关系曲线，如图7所示。

图7　振动频率-组合弹簧刚度曲线

Fig. 7Curves of vibration frequency and combined spring stiffness

通过对各工况数据的曲线回归，得到2次回归公式：

y= 0.9x2+ 0.025x-2.2 。

(2)

式中:x为模型箱振动频率，Hz；y为组合弹簧总刚度，N/mm。

在试验中，根据该振动频率-组合弹簧刚度回归公式，就可以设置相应的组合弹簧形式，来模拟任意某预期的动力响应(模型箱振动频率)。

3.2.2高速摄影仪监测结果

试验前测得粗弹簧原长25.5 cm，模型箱底板距离试验台26 cm。利用高速摄影仪捕捉试验箱底板最大下沉位置、最大上升位置和最终位置，得到各工况模型箱振动位移曲线，如图8—11所示。

图8　工况1模型箱振动位移曲线

图9　工况2模型箱振动位移曲线

图8—11中量测数据证明本文试验方法能够模拟断层错动处最大错动位移到远端不动点不同错动位移的渐变，与实际地震时断层错动相似。本模型试验方法能够更加准确地模拟实际情况。

图10　工况3模型箱振动位移曲线

图11　工况4模型箱振动位移曲线

4号监测点(断层附近)各工况下的最大错动量、最小错动量和最终错动量(初始位置与各位置差值)如表4所示，可得到各工况下错动量与组合弹簧刚度的关系曲线，并对数据进行曲线回归，得到2次回归公式，如图12—14所示。

表44号监测点错动量

Table 4Dislocation displacements of monitoring point No. 4

mm

图12　最大错动量-组合弹簧刚度曲线

Fig. 12Curves of maximum dislocation displacements and combined spring stiffnesses

图13　最小错动量-组合弹簧刚度曲线

Fig. 13Curves of minimum dislocation displacements and combined spring stiffnesses

图14　最终错动量-组合弹簧刚度曲线

Fig. 14Curves of final dislocation displacements and combined spring stiffnesses

在试验中，要想模拟任意某预期的动力响应(模型箱错动位移量)，可以根据以上错动位移-组合弹簧刚度回归公式，设置相应的组合弹簧形式。

4　结论与讨论

1)本文提出的试验装置能够模拟活动断层在不同错动方向、倾角和错动量条件下自主发震，进而模拟断层错动对隧道断层区的影响，在一定程度上解决了振动台等试验方法中受迫振动的问题。

2)试验装置能够模拟实际断层错动发生时，地层位移由发震断层位置向远端逐渐减小的过程，进而模拟穿越活动断层长大隧道断层段到非断层段沿纵向的振动特性变化，解决了研究长大隧道穿越活动断层问题模型试验的边界问题。

3)基于本文提出的试验装置和试验方法，通过改变弹簧组的参数，包括弹簧组单个弹簧单元的刚度系数、弹簧组内弹簧单元的个数等，可以改变试验中断层错动发生时隧道及围岩的动力响应，同时通过对试验数据的回归分析和验证，可以得到振动频率-组合弹簧刚度回归公式和错动位移-组合弹簧刚度回归公式。利用上述方法进行试验并得到公式，在相同试验条件下可以根据公式设置组合弹簧参数，进而模拟任意预期的振动频率和错动位移。

本文的研究也存在不足，弹簧组参数、振动频率和错动量等未与实际活动断层发震中地基刚度、地震频率和断层错动位移等建立一一对应关系，需要在接下来的研究中进行完善。