饱和砂土中变刚度与变厚度复合衬砌的设计启示：基于大型1g振动台试验的见解

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Design implications of composite tunnel linings with varying stiffness and thickness in saturated sand: Insights from large-scale 1g shaking table tests

　　

隧道是交通与公用事业网络的重要组成部分，包括公路、铁路和城市基础设施，通常被认为比地上结构更具抗震性能。这种认识源于其周围土体提供的天然约束和能量耗散。然而，强烈的地震动会对地下结构产生显著的地震需求。历史地震已揭示隧道遭受的严重破坏，例如1999年台湾集集地震和2008年中国汶川地震，导致大量埋设隧道发生坍塌、衬砌开裂和严重的服务中断。这些发现促使设计理念转向对隧道进行明确的地震考虑，挑战了先前关于隧道固有安全性的假设。在饱和砂土地层中，动力荷载作用下的超孔隙水压力累积改变了隧道衬砌材料的支承条件，并改变了地震需求通过土-衬砌系统传递的方式。超孔隙水压力累积导致土体刚度和强度暂时丧失，因此，此类沉积层中的浅埋隧道可能因浮力和液化砂的侧向流动而发生上浮。常规隧道设计通常采用钢筋混凝土或喷射混凝土制成的单层衬砌，然而在许多现代工程中，复合双层衬砌日益被采用，以提供防水性能和附加结构能力。典型的复合衬砌由外层初期支护和内层二次衬砌组成，两层之间由狭窄间隙或防水膜分隔，且两层通常在材料性能或厚度上存在差异。近期关于盾构隧道的研究表明，增加衬砌刚度通常能改善抗震性能，但过大的刚度或过于刚性的复合配置可能将应力传递至内层衬砌或导致两层之间的不协调。从建筑材料角度来看，刚度和厚度是直接影响复合衬砌系统力学兼容性和服役性能的两个关键设计变量。尽管已有大量关于隧道地震响应的研究，但大部分集中于理想化条件或单层结构，尚无系统的振动台研究分别考察内衬刚度（材料模量）和厚度（截面面积）对饱和地层条件下隧道地震响应的影响，这是一个重要的研究空白。尽管增加刚度和厚度都会改变整体结构柔度，但它们对动力放大和应变分布的影响可能不同，然而这些差异至今尚未通过试验量化。本研究通过1g振动台模型试验填补了这一空白。在大型饱和砂箱中构建浅埋圆形隧道，隧道模型由刚性外层衬砌和同心内层衬砌组成。通过改变内衬混凝土配合比或调整其厚度，创建了具有不同刚度比和厚度比的多个试验工况，所有其他条件（包括土体密度、饱和度、几何形状和地震输入）均保持恒定。试验过程中记录了动力响应，包括土体和衬砌中的加速度、两层衬砌的环向应变以及超孔隙水压力。该试验设计使得能够直接比较衬砌刚度和衬砌厚度变化对以下方面的影响：（a）加速度通过土体传入衬砌的放大效应；（b）内外衬砌中弯曲应变和环向应变的分布；（c）周围砂土中超孔隙水压力的发展。本研究为饱和地层条件下具有不同刚度和厚度的复合衬砌材料系统的性能提供了面向工况的试验证据，研究结果被解读以支持实际隧道施工中的材料选择和配置。

研究背景与问题

隧道作为交通与城市基础设施的重要组成部分，通常被认为比地上结构具有更强的抗震性能，这主要归因于周围土体提供的天然约束和能量耗散作用。然而，历史地震事件（如1999年台湾集集地震和2008年中国汶川地震）揭示了隧道在强震作用下仍可能遭受严重破坏，包括坍塌、衬砌开裂和服务中断。特别是在松散饱和砂土地层中，隧道还面临土体液化引发的额外风险。在动力荷载作用下，饱和砂土中超孔隙水压力累积会导致土体刚度和强度暂时丧失，浅埋隧道可能因浮力和液化砂侧向流动而发生上浮，严重威胁结构完整性。

在传统隧道设计中，通常采用钢筋混凝土或喷射混凝土单层衬砌。然而，现代工程越来越多地采用复合双层衬砌结构，由外层初期支护和内层二次衬砌组成，中间以狭窄间隙或防水膜分隔，以提供防水性能和附加结构能力。从建筑材料角度，刚度和厚度是影响复合衬砌系统力学兼容性和服役性能的两个关键设计变量。已有研究表明，增加衬砌刚度通常能改善抗震性能，但过大的刚度可能导致应力向内部传递或两层间的不协调。尽管已有大量研究关注隧道地震响应，但大部分集中于理想化条件或单层结构。目前尚无系统的振动台试验研究分别考察内衬刚度（材料弹性模量）和厚度（截面面积）对饱和地层条件下隧道地震响应的影响，这是一个显著的研究空白。虽然增加刚度和厚度都会改变整体结构柔度，但它们对动力放大和应变分布的影响机制可能不同，这些差异尚未通过试验量化。

研究内容与结论

研究人员通过1g大型振动台模型试验系统研究了饱和砂土中复合衬砌刚度和厚度变化对隧道地震响应的影响。试验在西南交通大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室进行，采用MTS定制的大型六自由度地震模拟振动台（8.0 m×10.0 m）。在大型饱和砂箱中构建浅埋圆形隧道模型，隧道由刚性外层衬砌和同心内层衬砌组成。通过改变内衬混凝土配合比或调整其厚度，建立了变刚度组（刚度比E_i/E₀=0.27、1.78、2.68）和变厚度组（厚度比T_i/T₀=0.6、1.8、2.3）多个试验工况，所有其他条件（包括土体密度、饱和度、几何形状和地震输入）均保持恒定。试验采用三阶段加载方案：第一阶段为不同频率的低幅正弦扫频激励，第二阶段采用神户、塔夫特和天津地震波低幅激励，第三阶段将天津波逐步增大峰值加速度以研究液化发展。试验记录了土体和衬砌中的加速度、两层衬砌的环向应变以及超孔隙水压力等动力响应。

关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：一是大型1g振动台模型试验，采用MTS六自由度地震模拟振动台（8.0 m×10.0 m，最大承载160 t）；二是畸变相似比设计，几何相似比S_l=1/20，弹性模量相似比S_E=1/4，分别建立结构子系统和饱和土体子系统的相似关系；三是刚性模型箱配合聚苯乙烯泡沫板边界处理以减小边界反射效应；四是颗粒混凝土衬砌模型制备技术，采用R42.5水泥、粗砂（2.5–5.0 mm）和细砂（0.15–2.5 mm）替代常规骨料，镀锌钢丝模拟钢筋；五是分段式衬砌设计，每个模型隧道由四个0.5 m长管片组成，采用柔性自粘沥青防水膜连接，实现参数隔离和水密性；六是高精度动态数据采集系统（MTS FlexDAC 20，192通道，采样频率256 Hz），同步采集加速度、应变和孔隙水压力数据。

研究结果

加速度响应与放大特性。 在正弦扫频激励下，加速度放大因子频谱呈现"双峰"特征，峰值分别出现在约6 Hz和16 Hz附近，分别对应模型土体（7.37 Hz）和模型箱（14.31 Hz）的卓越频率。刚度比增加使衬砌加速度放大因子最大降低约11.1%（6 Hz）和31.1%（16 Hz），厚度比增加使衬砌最大降低约25.5%–29.6%。在真实地震波激励下，增加内衬刚度使衬砌加速度响应最大降低约16.2%–24.8%（低幅地震波）和18.1%–22.7%（渐进天津波），增加内衬厚度使衬砌最大降低约31.2%–41.7%。当刚度比或厚度比超过一定阈值后，降低效果趋于稳定，而过低的刚度比反而会放大衬砌响应。

孔隙水压力与液化发展。 在第三加载阶段，当峰值加速度达到0.32 g时，隧道附近的孔隙水压力比（PPR）迅速趋近于1，表明局部液化发生。液化引起的有效应力降低和剪切刚度衰减，加上增强的非线性和滞回能量耗散，导致地震波强烈衰减，加速度放大因子显著下降。在0.10 g和0.19 g时，PPR远低于1，加速度传递增强可能与循环密实和超孔隙水压力累积有限有关。加载顺序效应也对超孔隙水压力发展和液化有影响。

讨论与结论

研究结果表明，刚度比和厚度比是影响复合衬砌系统地震响应的两个独立设计变量。增加刚度主要通过改变荷载重新分配机制改善衬砌性能，而增加厚度则引入了刚度-质量耦合效应。两种方式都能有效降低衬砌和局部土体的加速度响应，但影响机制不同。刚度变化对衬砌区域影响显著，而厚度变化对地面和土体响应的影响更为广泛。研究为饱和地层条件下复合衬砌材料系统的性能提供了面向工况的试验证据，支持实际隧道施工中的材料选择和配置决策。需要注意的是，由于1g条件下无法同时满足质量、浮力、刚度和动力相似性，试验主要侧重于相对动力响应特性的评估，而非定量再现原型隧道的液化上浮绝对量，这一质量-浮力畸变被视为缩尺模型试验的局限性。