黄土隧道仰边坡及洞口段地震动响应试验研究

铁道标准设计

RAILWAY STANDARD DESIGN

Vol. 62 No. 3Mar. 2018

文章编号：1004 2954 (2018 )03 0079 06

黄土隧道仰边坡及洞口段地震动响应试验研究

边磊

I，2，梁庆国I，2，张钦鹏I,2

(1. 土木工程国家级实验教学示范中心（兰州交通大学），兰州730070;

2.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070)

摘要

：随着西部大开发的进一步深入，国家对该地区的抗震减灾工作提出更高的要求

。以郑西客专和宝兰客专

（3 ~50 Hz)、汶川

线上比较典型的黄土隧道为工程背景进行振动台模型试验，本次试验加栽的地震波形为正弦波

卧龙波和EL-Centro波，通过对试验过程中边坡和隧道洞口段的失穗破坏形式以及得到的实验数据研究分析，得出 以下结论

：（1)试验过程中模型在坡顶、坡面、拱顶以及拱脚处分别出现不同程度的裂缝，坡顶中部出现错台和震

，同时存在隧道一侧滑塌破坏程度大于纯边坡一侧。

陷。随着地震动峰值加速度的增大边坡鼓出现象更加明显

(2) P隧道的存在会加大坡面的加速度，坡顶边缘处的动力放大效应比较明显，当台面峰值加速度增大时会出现放大

效应趋于“饱和

”现象。（3)随着地震动峰值加速度的增大，仰拱和拱顶的最大土压力值位置逐渐向隧道洞内延

。

伸，洞口段衬砌加速度和土压力沿隧道轴向一般先增大再减小，洞口段的抗震设防长度建议为5倍的最大洞径

关键词：铁路隧道；黄土；振动台试验；洞口段；动力响应；峰值加速度；破坏特征 中图分类号：U452. 2 + 8

文献标识码：A

DOI ： 10. 13238/j. issn. 1004-2954.201704290001

Experimental Study on Seismic Responses of

Slope and Portal of Loess Tunnel

BIAN Lei1，2, LIANG Qing-guo1，2, ZHANG Qin-peng1，2

(1. National Demonstration Center for Experimental Civil Engineering Education (Lanzhou Jiaotong University)，

Lanzhou 730070，China； 2. School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)Abstract： With the continued and rapid development of the Western Region of China， the state puts

forward higher requirements for earthquake resistance and disaster reduction. In this paper，shaking table model tests are conducted based on typical loess tunnels on Zhengzhou-Xi,an and Baoji-Lanzhou dedicated passenger railway lines. The loaded seismic waveforms in the tests are sine wave (3 〜50 Hz)， Wenchuan，Wolong and EL-Centro waves. The analysis and research on the slope and tunnel portal failure and experimental data collected in the process of tests draw the following conclusions ：(1)In theprocess of model test， the top of slope， slope face， vault and arch foot witnessed cracks in different degrees and top middle faulting and subsidence. With the increase of the peak acceleration of the ground motion， the slope bulge is more obvious， and the damage degree of one side of the tunnel is larger than that of the pure slope. (2) The presence of tunnels may increase the acceleration of slope，the top edge of the power amplification effect is more obvious， and the increase of the peak acceleration may result in

收稿日期:2017 04 29;修回日期:2017 06 07

基金项目：国家自然科学基金(41562013,41262010);教育部长江学者和 创新团队滚动支持发展计划（IRT_15R29);甘肃省基础研究创新群体资 助（145RJIA332)作者简介:边磊（1992—），男，硕士研究生，主要从事隧道与地下工程 结构稳定分析研究，E-mail:1033966515@qq.com。

“ saturation 冶 of the magnification effect. (3)

With the increase of seismic peak acceleration， the inverted arch and vault of the maximum stress position gradually extends into the tunnel， the

[14]

国家铁路局.TB10002—2017铁路桥涵设计规范[S].北京：中国 交通运输部公路科学研究院.JTG/TJ21—2011公路桥梁承载能

力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[16]国家铁路局.TB10092—2017铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规

范[S].北京：中国铁道出版社,2017.

铁道出版社,2017.[15]

80铁道标准设计第62卷

acceleration of portal lining and the stress along the tunnel axis increase first and then decrease, and the length of tunnel seismic fortification is recommended to be 5 times the maximum tunnel diameter.

Key words: Railway tunnel; Loess; Shaking table test; Portal section; Dynamic response; Peak

acceleration; Failure characteristics

21世纪以来，西部地区在交通基础设施建设方面

取得了举世瞩目的成就，包括兰新客运专线、宝兰客运 专线、连霍高速公路等一批高速铁路、高速公路的建成 通车，其中宝兰客专是我国高速铁路“四纵四横”网络 中的重要组成部分，其正线全长401 km，全线共有隧 道78座，总长273 km，其中大部分隧道穿越湿陷性黄 土分布区。众所周知，黄土分布区同时又是地震活动 频发区，据相关资料记载，仅强度大于7级的强烈地震 就有6次[1]，同时伴随强震的地质灾害也较为严 重[23]。随着西部大开发的进一步深入，对该地区的 抗震减灾工作提出了更高的要求[4]。2008年我国四 川汶川特大地震的发生，都迫切要求进一步认识岩土 材料的动力学行为及土工构筑物的地震破坏规律[5]。 “5 • 12冶四川汶川特大地震造成了多座交通隧道的严 重破坏，其中隧道洞口段的破坏尤其严重，这引发了众 多学者对隧道洞口段抗震性能和结构稳定性的关注和 研究，随后一段时间发表了相当数量的有关强震作用 下隧道，尤其是洞口段的震害调查统计、类型与破坏机 理分析[6 11]、震后快速抢修[12]和洞口段抗震减震优化 措施[1013]等领域的文章。因此作为最易受到地震波 威胁的洞口段应是抗震设防的重点[1014]。本文将利 用大型振动台试验对黄土隧道洞口段边坡的稳定性进 行动力分析。

1

振动台试验方案设计

本次振动台模型试验以郑西客专和宝兰客专线上 较典型的黄土隧道为工程背景（王家沟隧道）。模型 试验借助中国地震局兰州地震研究所的大型电伺服式 地震振动台（图1)。该振动台台面尺寸为4 mx6m， 共由28台伺服电机共同驱动，其中，垂直向由16台 22 kW的AC伺服电机驱动，水平向由12台37 kW水 冷式伺服电机驱动。

1.1试验模型箱设计

试验采用刚性密封模型箱，其尺寸为2. 8 m(长）x 1.4以（宽）伊1.1以（高），模型箱实物如图2所示。长 度方向两侧为3 cm厚的有机玻璃板，宽度方向两侧为

2 cm厚的钢板。箱体四角固定M20吊环以便吊装，底

部采用50个六角螺钉组M16x60固定在振动台台面 上。为减小模型箱所造成的边界条件的影响，在土体 与模型箱接触的前后两侧加入锯末掺和土缓解边界土 体的变形。

图2

试验模型箱

1.2模型相似性设计

进行振动台模型试验一般需要满足几何相似、物 理相似和试验材料相似。但很多情况下三者并不能同 时满足，因此本文主要考虑几何相似性和试验材料相 似性。

(1)几何相似性

试验原型为宝兰客运专线典型大断面黄土隧道，

振动台模型试验按照1颐70的比例将原型进行缩小。 原型与试验模型结构尺寸见表1，试验模型如图3 所示。

表1

原型与试验模型结构尺寸

项目相似比坡高/m隧道最大跨径/m

衬挪结构厚度/cm

原型70501370模型

1

0.7

0.2

2

100

第3期边磊，梁庆国，张钦鹏一黄土隧道仰边坡及洞口段地震动响应试验研究

81

(2)材料相似性

原型土、模型土压实后的物理力学参数对比见表

2。黄土隧道的衬砌施工时通常采用C25混凝土，因

此试验中用石膏这类脆性材料来模拟隧道衬砌比较合 适，为使石膏衬砌模型与现场混凝土衬砌满足相似比，

衬砌采用水：石膏=2颐1的混合材料来制作;为了保 证衬砌抗弯刚度的相似，采用准1 mm的铁丝网来模拟 衬砌内的钢筋网，为保证衬砌强度相似，衬砌制作完成 后静置1周。

表2

原型与模型压实后的物理力学参数

项目干密度

/ ( g/cm3 )含水率/%黏聚力/kPa内摩擦角 /(〇)原型1.6521.634.721.9模型填土压实

1.70

15.5

21.5

28.2

1.3模型制作

本次模型试验所用的填土就近取自兰州刘家坪某 边坡表层剥落松散的Q3原状黄土，总共取土量约 6.5 m3。然后取少量填土试样进行室内试验，得出试 验填土的液限WL = 33. 8%，塑限WP = 17. 6%。塑性指 数1P = 16. 2,最佳含水量为16. 5%，相应的最大干密度 为1. 78 g/cm3。因此土质为粉质黏土。

隧道衬砌相似材料主要采用石膏，根据方案设计，

预制长95 cm的衬砌段。为保证衬砌结构的一致性， 衬砌采用双层白铁皮模具预制方法加工而成，采用 准1 mm的铁丝网来模拟衬砌内的钢筋网，将铁丝网卷 成直径为17 cm的圆筒并放置在双层白铁皮模具中， 铁丝网高度略大于白铁皮模具高度，方便安放两段衬 砌时进行现浇，如图4所示。浇筑衬砌时，水膏比保持

2 : 1，由于在冬季试验，因此用热水浇筑，并且周围放

置“小太阳”防止温度较低时石膏不能充分溶解。衬 砌初凝后拆除模具，将衬砌段放置在有采暖设备的屋 内养护一周。

1.4传感器布置与模型填筑

(1) 加速度传感器

试验的加速度传感器采用东华DH301型电容式 加速度传感器，如图5所示。传感器埋设过程中，根据 测定方向直接将传感器埋入到土体中，轻压周围土体 固定传感器。加速度传感器的具体布置见图6,试验 布置13个加速度传感器:A0〜A4和A5〜A8分别每 隔23 cm埋设1个传感器，传感器紧贴衬砌上下面布 置，周围用土压实;A10〜A13水平布置，分别与A5〜

A8对应相距20 cm，分别与坡顶相距5 cm。

(2) 土压力传感器

土压力传感器为CYY9型土壤岩石压力传感器， 如图5所示，埋设过程中，将传感器水平埋入到土体

图4

隧道衬砌的制作

(a)加速度传感器 （b) CYY9型土压力传感器

图5测试原件

图6加速度传感器布置（单位:cm)

中，轻压周围土体固定传感器。土压力传感器的具体 布置见图7。

试验布置15个土压力传感器：T1〜T5和T6〜

T9分别每隔21 cm埋设一个传感器，离衬砌的垂直距

离为2 cm ;T11〜T14水平布置，分别与T6〜T9对应相 距20漬，分别与坡顶相距5漬。丁10、丁15和丁16等距

82铁道标准设计第62卷

图7压力传感器布置（单位:cm)

分布，且与3排传感器分别在同一直线上。

(3)数据采集系统

加速度和土压力数据采集系统采用东华

DH5929型处理分析仪，如图8所示。

图8 DH5929型数据采集仪

(4)模型填筑

将取土配成含水率为16. 5%的试验填土，均匀翻 拌，两组试验分别在模型填土完成并静置24 h后进 行，模型静置时用塑料布覆盖好。按照传感器竖向分 布距离，分层进行填筑，每层填筑厚度15 ~25 cm，填 筑时采用人工分层夯实，控制每层土体的夯实密度为 1. 70 g/cm3,即控制压实度为95%，填筑完成后的最终 含水率为15. 5%，模型如图9所示。

图9模型的填筑和成型

1.5加载地震波设计

振动台试验采用输人加速度时程曲线的方式来实 现模拟地震波，为了研究在动力作用时不同进洞高程 下边坡失稳特性及隧道洞口段动力响应特征，本次振

动台模型试验分别采用正弦波（3 ~50 Hz)、汶川卧龙 波、EL-Centro波3种加载波形，采用水平方向（X)和 竖直方向（Z)为加载方向，试验设置13个加载工况，

为了研究不同地震荷载加速度幅值和加载方向条件 下，衬砌结构和坡体的动力响应情况，按照7度、8度、 9度、9度强烈度递增的顺序分水平方向（X方向）和 垂直方向（Z方向）对模型进行加载，具体加载工况见 表3。

表3

试验加载工况

工况

台面加载波形台面加载方向震级

台面输人峰值

加速度/gal

1汶川卧龙波

水平(x)1062EL-Centro 波

水平(x)3汶川卧龙波

竖直(z)7度1031104EL-Centro 波

竖直(z)1025汶川卧龙波

水平(x)2136EL-Centro 波

水平(x)7汶川卧龙波

竖直(z)8度2062208EL-Centro 波

竖直(z)2049EL-Centro 波

水平(x)10汶川卧龙波水平(x)9度41242711汶川卧龙波水平(x)85412汶川卧龙波水平(x)9度1 28913

汶川卧龙波

水平(x)

1400

2动力响应分析

2. 1

模型结构变形破坏过程

试验选择隧道在一侧0郾5H高程处进人边坡，另 一侧边坡无隧道。图10 ~图12分别为边坡坡体裂 缝、隧道洞口裂缝分布以及模型整体失稳破坏示意。

图10边坡坡体裂缝

当地震动峰值加速度达到0. 40g时，坡顶出现横 向裂缝，达到0郾80g时坡顶横向裂缝宽度快速变大，裂 缝到坡顶边缘的距离约为18 cm;当地震动峰值加速 度达到1郾20g时，坡脚以及坡中到坡顶之间出现多条 斜向裂缝，并逐渐扩展、变大;右拱脚处出现明显滑塌， 拱顶和拱脚处裂缝较多，坡面和坡脚处出现多条横向

裂缝;当地震动峰值加速度达到1. 40g时，模型发生整

第3期边磊，梁庆国，张钦鹏一黄土隧道仰边坡及洞口段地震动响应试验研究83

两侧边坡出现贯通裂缝，坡顶出现错台和震陷现象。 上述现象与吴冬[15]、董金玉[16]等的试验结果所反映 的破坏特征基本一致。

2. 2

隧道存在对黄土边坡动力响应影响

水平入射的地震波对洞口仰坡稳定性的影响是主

图11隧道洞口裂缝分布

要的，垂直入射的地震波的影响则弱于前者。利用加

速度放大系数（PGA)来表征黄土边坡动力响应特征，

PGA表示在同一工况下，两侧边坡上各测点的加速度

最大值与台面所测加速度最大值的比值，GK则表示 加载工况。参照图6的传感器布置得到图13的不同 工况下坡顶水平方向加速度放大系数的变化曲线。由 图13可知，靠近坡顶边缘处的加速度放大效应比较明 显，这与试验中坡顶边缘最先开裂破坏的观测结果一 致，坡顶中部(50 cm )处的加速度放大系数也偏大，但

图12模型整体失稳破坏

坡顶边缘与坡顶中部之间的加速度放大效应较小，随 着输入加速度峰值的增大，放大效应逐渐增大。对比 图13(a)、图13(b)可知，水平入射的地震波对洞口仰 坡稳定性的影响是主要的，垂直入射的地震波的影响 则弱于水平入射的地震波。

体失稳破坏，沿坡顶、坡面和坡脚处的横向裂缝发生滑 塌和震陷，洞口被掩埋的现象，洞门处有大块土体，并 且当峰值加速度增大时，拱顶和拱肩处有少量块体水 平拋射滑落，最终小块碎土和大块土体堆积于坡脚。

坡顶水平距离/cm

()汶川卧龙波冰平方向)

a

(b) EL-Centro波(竖直方向）(c) EL-Centro波冰平方向）

图13不同工况下坡顶水平方向加速度放大系数的变化曲线

隧道的存在会影响边坡的稳定性，图14通过对不 同工况下有隧道和纯边坡上的坡面加速度放大系数

PGA进行对比分析，得到有隧道边坡的PGA普遍大于

纯边坡的，说明隧道的存在对边坡坡面加速度有放大 效应，坡顶边缘处的动力放大效应更加明显，随着坡面

高度的增加PGA也在增大，并且增加趋势呈线性增 长，在进行GK8加载时坡顶的放大系数达到最大值。

2.3隧道洞口段的加速度响应特征

蒋树屏等[17]研究表明，从衬砌关键位置（拱顶、拱 肩、拱脚、仰拱）的动力响应峰值分布来看，拱顶和仰 拱位置处的动力响应比其他位置更为强烈。根据图 6提取试验的4种工况下沿隧道轴向各监测点仰拱和 拱顶加速度峰值的最大值及所在位置见表4。由表 4可知，仰拱最大加速度多出现在A3附近，拱顶最大 加速度多出现在A7周围。参照图6可知，A3-A7断

图14存在隧道和纯边坡对坡面加速度放大系数

面到洞口的距离为73 cm，是隧道最大跨径18 cm的 4. 06倍。整体来看，仰拱最大加速度普遍略大于拱顶 最大加速度。

分析监测点最大加速度多出现在距洞口 3. 89〜4. 06倍隧道跨径处，加速度沿隧道轴向一般存在着先 快速增大再减小的规律。考虑到洞口结构的特殊性，

84铁道标准设计第62卷

建议洞口抗震设防长度为5倍隧道跨径处较为合适。

表4

不同工况下的加速度传感器数据

地震波

工况

监测点最大加速度/(m/s2)/位置仰拱

1.95/A3汶川卧龙波(X方向）

拱顶

2.01/A75仰拱4.69/A3拱顶4.31/A74

仰拱1.44/A3EL-Centi'o 波（z 方向）

拱顶0.48/A58

仰拱1.59/A1拱顶

1.01/A6

2.4隧道衬砌土压力特征分析

本节主要讨论黄土隧道洞口段的动应力响应特

征，如表5所示,根据图7提取试验4种工况下沿隧道 轴向各监测点仰拱和拱顶土压力峰值的最大值及所在 位置，由表5可知，随着地震动峰值加速度的增大，仰 拱和拱顶的最大土压力值位置逐渐向隧道洞内延伸， 即相应的抗震设防长度增大，T4-T8断面到洞口的距 离为75 cm，是隧道最大跨径的4. 17倍,这与大部分文 献所考虑的抗震设防长度基本一致，考虑到黄土的特 殊工程性质以及洞口段抗震的重要性,可以考虑抗震 设防长度为隧道最大跨径的5倍，仰拱土压力值普遍 大于拱顶处土压力。

表5

不同工况下的土压力传感器数据

地震波

工况监测点最大土压力值/Pa/位置

1

仰拱1 586.49/T4汶川卧龙波(X方向）

拱顶1 340. 87/T85仰拱1 178.96/T3拱顶3 764.68/T84

仰拱1 794.81/T4EL-Centro 波（z 方向）

拱顶945.49/T88

仰拱1 952.62/T5拱顶

1 159.53/T9

3结论

(1) 试验过程中模型出现了坡顶边缘的横向缝、坡面中上部和坡脚处的横向裂缝、坡顶中部的纵向 裂缝、拱顶和拱脚处的斜向裂缝、坡顶中部的错台和震 陷。随着地震动峰值加速度的增大边坡鼓出现象越来 越明显。整体看,存在隧道一侧滑塌破坏程度大于纯 边坡一侧。

(2)

隧道的存在对于坡面的动力稳定性有着重要

影响，相同仰坡坡度的黄土边坡,存在隧道的模型坡面 加速度大于不存在隧道的纯边坡模型的坡面加速度。

坡顶边缘处的动力放大效应比较明显，当台面峰值加 速度增大时会出现放大效应趋于“饱和”的现象。

(3)随着地震动峰值加速度的增大，仰拱和拱顶 的最大土压力值位置逐渐向隧道洞内延伸。洞口段衬 砌加速度和土压力沿隧道轴向一般先增大再减小，根 据分析建议洞口段的抗震设防长度为5倍最大洞径。

参考文献：

[1]徐张建,林在贯，张茂省.中国黄土与黄土滑坡[」].岩石力学与工

程报,2007,26(7) :1297 1312.[2 ]

Lin Z G, Sassak, Baimx, et al. L ndrained loading and soil

liquefaction in the evolution of low angle long travel distance landslides in regions of loessial terrain[C]椅Proceedings of the 3rd Mufti-Lateral Workshop on Development of Earthquake and Tsunami DisasterMitigationTechnologiesandTheirIntegrationfortheAsia- Pacific Region. Manila，Philippines： [ s. n. ]，2000 :39 — 43.

[3]

陈永明，石玉成,刘红玫，等.黄土地区地震滑坡的分布特征及影响因素分析[」].中国地震,2005,21(2):235 243.

[4] 国家自然科学基金委员会，中国科学院.未来10年中国学科发战略一工程科学[M].北京:科学出版社,2012.

[5] 蒋树屏，文栋良,郑升宝.嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振动台

模型试验研究[」].岩石力学与工程学报,2011,30(4) :649 656.[6] 李天斌.汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析

[」].工程地质学报，2008,16(6):742 750.

[7]

高波，王峥峥，袁松，等.汶川地震公路隧道震害启示[」].西南通大学学报，2009,44(3):336 341.[8]

李乔，赵世春.汶川大地震工程震害分析[M].成都:西南交通学出版社，2008.

[9] 宋胜武.汶川大地震工程震害调查分析与研究[M].北京:科学出

版社，2009.

[10] 王明年，林国进，于丽，等.隧道抗震与减灾[M].北京：科学出版

社，2012.

[11] 李廷春，殷允腾.汶川地震中隧道结构的震害分析[」].工程爆破，

2011,17(1) ：24 27.

[12] 郑清，高波，申玉生.山岭隧道震害调查及修复技术研究[」].石家

庄铁道大学学报（自然科学版），2010,23(4):46 48.

[13] 陈卫忠，谭贤君，郭小红，等.特殊地质与环境下地下工程稳定性

研究[M].北京:科学出版社，2012.

[14]

W'ang W L， W'ang T T， Su 」」，et al. Assessment of damage in mountain tunnels due to the Taiwan Chi-Chi Earthquake [」]. Tunnelling and Underground Space Technology，2001， 16 ( 3 ):

133 150.

[15] 吴冬，高波，申玉生，等.隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型

试验研究[」].岩土力学，2014,35(7):1921 1928.

[16] 董金玉，杨继红，伍法权，等.顺层岩质边坡加速度响应规律和滑

动堵江机制大型振动台试验研究[」].岩石力学与工程学报， 2013,32(S2) ：3861 3867.

[17] 蒋树屏，方林，林志.不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析[」].

岩土力学，2014,35(1):211 216.

其 展

交 大

裂