通过振动台试验研究山体隧道洞口的地震响应行为

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Seismic behavior of mountain tunnel portal by shaking table tests

本研究通过大型振动台试验和数值模拟，揭示了隧道门框段的不对称地震响应及其影响范围。试验发现，靠近门框（0-15米）时开口侧加速度和应变显著增大，15-35米范围内山体侧地震土压力和应力显著增加，超过75米后响应减弱。隧道存在加剧坡道地震加速度放大效应，导致门框墙应变和加速度高于隧道衬砌，需重点防护。研究首次明确了不同距离范围的不对称响应主导因素，为抗震设计提供理论依据。

　　隧道入口段由于其特殊的地质结构和地形特征，历来是地震中最为脆弱的部分之一。过去的研究主要集中在隧道衬砌的抗震性能上，而对于入口段的地震响应研究相对较少。随着近年来地震灾害的频繁发生，尤其是对山区隧道的破坏，研究人员逐渐意识到入口段的地震影响不容忽视。通过实地调查和历史案例分析，我们发现入口段的地震损伤不仅限于隧道本身，还涉及周围的边坡和入口墙等结构。因此，本文旨在通过大型振动台试验和数值模拟，深入探讨隧道入口段在地震作用下的复杂响应机制，特别是其非对称特性以及这些特性对地震损伤的影响范围。

### 地震对隧道入口段的影响

隧道入口段的地震损伤主要表现为边坡崩塌、入口墙裂缝和隧道衬砌结构的破坏。在实际地震中，这些损伤不仅影响隧道的结构安全，还会对交通造成严重干扰。例如，在2008年汶川地震中，多个隧道入口段出现了严重的边坡失稳现象，导致大量岩石崩落并损坏入口墙。此外，隧道衬砌在入口段也表现出比主隧道体更高的破坏程度，如大规模坍塌、广泛裂缝和路面隆起等。这些现象表明，入口段的地震响应不仅受到地震波传播方向的影响，还与地形变化和结构支撑方式密切相关。

在传统的研究中，往往使用简化模型来模拟隧道入口段的地形和结构，这些模型通常忽略了实际地形的复杂性和入口墙的暴露特性。然而，随着研究技术的进步，越来越多的学者开始关注隧道入口段的非对称地震响应。例如，通过实验和数值模拟，研究人员发现入口段的地震响应在不同方向和距离上表现出显著的差异，这种非对称响应可能对隧道结构造成更大的影响。因此，为了更准确地评估入口段的地震风险，有必要建立一个能够反映实际地质条件的实验模型，并结合数值模拟进行验证。

### 实验设计与实施

本文的研究采用了大型振动台试验和数值模拟相结合的方法，以全面分析隧道入口段的地震响应特性。实验模型基于中国西南地区某高烈度地震区的黄草坪隧道进行设计，模型的长度比例为1:40，确保实验结果能够反映实际地震情况。模型包括边坡、入口墙、隧道衬砌及其支撑结构，以尽可能还原真实地质条件。

实验过程中，研究人员使用了1995年神户地震的天然地震波作为输入，以确保实验的代表性。地震波的峰值加速度被调整为63%和1%的超限概率，分别对应0.052g和0.614g。这种设计有助于研究不同地震强度对隧道入口段的影响。同时，模型在不同方向上施加地震载荷，以评估地震波在不同方向上的传播对结构的影响。

为了准确测量地震响应，实验中布置了多种传感器，包括加速度计、应变计和土压力计。这些传感器被安装在边坡、入口墙和隧道衬砌的不同位置，以监测地震过程中各个部分的加速度、应变和土压力变化。通过实验数据，研究人员能够识别隧道入口段的非对称响应，并进一步分析其影响范围。

### 实验结果与分析

实验结果显示，隧道入口段的地震响应呈现出明显的非对称特性。具体而言，在距离入口15米以内，入口段的非对称响应主要体现在加速度、应变和位移的放大上。而在15至35米的范围内，山脉侧的地震响应更为显著，表现为土压力和应力的增加。随着距离入口的增加，非对称响应逐渐减弱，并在75米以外趋于稳定。

这些结果表明，隧道入口段的地震响应不仅受到地震波传播方向的影响，还与地形的不规则性和结构支撑方式密切相关。例如，在地震波垂直于隧道轴线传播时，边坡的横向运动和隧道衬砌的变形更为明显。而在地震波平行于隧道轴线传播时，隧道衬砌的轴向应力和应变则更加显著。这种非对称响应可能导致隧道入口段的局部结构破坏，进而影响整个隧道的安全性。

此外，实验还发现，隧道的存在会加剧边坡的地震损伤。特别是在入口附近，由于地震波的反射和聚焦效应，边坡的加速度显著增加，导致边坡裂缝的形成和扩展。这种现象在没有隧道的边坡中并不存在，说明隧道对地震波的传播和放大具有重要影响。

### 数值模拟与验证

为了进一步验证实验结果，本文还采用了数值模拟方法，使用FLAC 3D软件对隧道入口段进行建模。模型的尺寸扩大至160米横向、104米纵向和130米高度，以减少边界效应的影响。通过数值模拟，研究人员能够更全面地分析隧道入口段的地震响应特性，并确定其非对称响应的影响范围。

数值模拟的结果与实验数据基本一致，进一步证实了隧道入口段的非对称地震响应。具体而言，在距离入口15米以内的区域，入口侧的地震响应最为显著，表现为加速度、应变和位移的放大。而在15至35米的范围内，山脉侧的地震响应更为明显，表现为土压力和应力的增加。随着距离的增加，这些非对称响应逐渐减弱，并在75米以外趋于稳定。

这些结果表明，隧道入口段的地震响应具有明显的空间分布特征。因此，在未来的抗震设计中，需要根据这些非对称响应的影响范围，采取相应的加固措施。例如，在距离入口15米以内的区域，应加强边坡和隧道衬砌的支撑，以减少地震波的放大效应。而在15至35米的范围内，应特别关注山脉侧的土压力和应力变化，采取相应的抗震措施。对于距离入口75米以外的区域，可以采用标准的抗震设计方法，以确保结构的安全性和经济性。

### 非对称地震响应的机制

隧道入口段的非对称地震响应主要由地形不规则性和结构支撑方式引起。在实验和数值模拟中，研究人员发现，由于地形的变化，隧道入口段的两侧（入口侧和山脉侧）在地震作用下表现出不同的响应特性。例如，在入口侧，由于结构支撑较弱，地震波的放大效应更为明显，导致加速度、应变和位移的增加。而在山脉侧，由于埋深较大，地震波的传播路径更长，导致土压力和应力的增加。

这些非对称响应的机制与地震波的传播和反射密切相关。当地震波遇到不规则地形时，会发生反射和聚焦效应，导致局部地区的地震波放大。这种放大效应在入口侧尤为显著，因为入口侧的结构支撑较弱，无法有效抵抗地震波的冲击。而在山脉侧，由于埋深较大，地震波的传播路径更长，导致土压力和应力的增加。

此外，地震波的传播方向也会影响隧道入口段的非对称响应。例如，当地震波垂直于隧道轴线传播时，边坡的横向运动和隧道衬砌的变形更为明显。而在地震波平行于隧道轴线传播时，隧道衬砌的轴向应力和应变则更加显著。这种方向性的影响进一步加剧了隧道入口段的非对称地震响应。

### 隧道入口段的抗震设计建议

基于上述研究结果，本文提出了一些针对隧道入口段的抗震设计建议。首先，应加强入口侧边坡和隧道衬砌的支撑，以减少地震波的放大效应。这可以通过增加支撑结构的密度和强度来实现。其次，对于山脉侧的地震响应，应特别关注土压力和应力的变化，采取相应的加固措施，以确保结构的安全性。此外，在距离入口75米以外的区域，可以采用标准的抗震设计方法，以确保经济性和实用性。

这些设计建议不仅有助于减少地震对隧道入口段的影响，还能提高隧道的整体抗震性能。通过合理的设计和加固措施，可以有效延长隧道的使用寿命，降低维护成本，并确保交通的畅通。同时，这些措施也有助于实现可持续发展目标，如SDG 9，即促进可持续的基础设施发展。

总之，隧道入口段的地震响应具有明显的非对称特性，这些特性与地形不规则性和结构支撑方式密切相关。通过实验和数值模拟，研究人员能够更全面地了解这些非对称响应的影响范围，并为未来的抗震设计提供科学依据。在实际工程中，应根据这些研究结果，采取相应的加固措施，以确保隧道入口段的安全性和稳定性。