我国位于世界两大地震带-环太平洋地震带和欧亚大陆地震带之间，地震断裂带发育成熟，区域地震十分活跃和频繁，是世界上最大的大陆浅源强震活动区^[1]。汶川地震后，国内外学者研究表明，边仰坡的稳定性对于隧道洞口段的抗震设防及其重要^[2-3]。随着我国“一带一路”战略对中西部铁路建设投资力度的进一步加大，黄土地震区隧道安全问题日渐突出。如目前已建成的宝兰客运专线、兰渝铁路，正在修建的成兰铁路、银西铁路等都穿越黄土地震带，活跃的地震背景和大规模的隧道建设对隧道的安全性提出了更高的要求。可见，黄土隧道洞口段的地震响应是当前工程建设必须面对的问题之一。近年来，学术界对于黄土隧道及其抗震进行了大量的研究，具有代表性的有梁庆国^[4-7]、李春清^[8]、孙纬宇^[9]等针对兰州周边及宝兰客专隧道黄土物理力学特征及黄土参数的研究。国外学者Dodding^[10]等对71座铁路隧道和水工隧道的震害情况进行了统计、Sharma^[11]等对85个国家78次地震中的192个地下洞室震害进行了整理和分析。国内对于隧道震害的研究，由蒋树屏^[12]等研究了设置减震层和抗震缝前后、结构的地震反应频谱特性，耿萍等^[13]进行了穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度的研究，而最易受到地震波威胁的隧道洞口段应是抗震设防的重点^[14-16]。

总结发现，现有隧道抗震方面的研究对象主要针对山岭岩石隧道，对于黄土隧道地震动力问题的相关研究相对较少。黄土隧道洞口段在地震作用下的动力特征是否和普通的山岭隧道相同或者相似尚不明确，而这些问题的研究都是以掌握黄土隧道洞口段的动力响应为基础进行的。另一方面，目前针对洞口段地震波放大效应的研究取得了很多成果，但是忽略了进洞高程放大效应对洞口段的影响。

基于以上考虑，本研究作者针对隧道洞口段抗震研究目前存在的主要问题，以宝兰客运专线大断面黄土隧道为工程背景，基于坡脚进洞和1/2倍坡高程进洞，开展黄土隧道洞口段的振动台模型试验研究，对2种试验模型下的破坏特征、隧道结构的变形模式与破坏机制等进行详细的分析，为黄土隧道洞口段抗震设计提供参考。

为完成试验目的和利用现有试验条件，试验模型边坡均采用兰州黄土填筑，坡形设计为双面坡，坡高70 cm，坡脚60°，坡脚以下填土40 cm，压实度按0.95控制，实际填土密度1.70 g/cm³。坡一侧埋设隧道模型，另一侧只施作纯土质边坡。为了对比研究隧道在边坡上进洞高程的不同引起的坡-隧系统的动力响应特征，本次试验共设计了2组振动台模型：

(1) 模型Ⅰ：隧道在边坡(双面坡)坡脚处进洞试验模型；

(2) 模型Ⅱ：隧道在1/2倍坡高(双面坡)处进洞试验模型。

试验模型的整体尺寸和布置如图 1所示。

图 1 模型方案(单位:cm) Fig. 1 Model scheme(unit:cm)

本次振动台模型试验采用甘肃省地震局兰州地震研究所的振动台，产自日本(如图 2所示)，台面尺寸4 m×6 m，最大承载力为：X向单独加振时为20 t，X向联合加振时为15 t，Z向单独加振和联合加振均为15 t，由28台伺服电机提供动力。其中水平向12台，每台电机37 kW；竖直向16台，每台电机22 kW。均是水冷式伺服电机，其额定功率大约为748 kW，输出稳定时大约在22~37 kW之间，电机转子的扭矩为70×10^-4 kg·m²，平率响应为300 Hz。

图 2 电伺服式振动台 Fig. 2 Electric servo vibration table

结合实际工程，综合考虑振动台尺寸及工程原型尺寸，选取几何相似比C_L=1/70和弹性模量相似比C_E=1/70，根据相似理论，使用量纲分析法^[17]，确定其余试验相似参数，见表 1。

为了最大限度地减弱模型箱在其边界上的波动反射效应，结合振动台台面尺寸及最大承载力，综合考虑宝兰客运专线典型隧道断面尺寸及模型试验相似比设计，采用刚性密封模型箱，内箱尺寸2.8 m×1.4 m×1.0 m，以角钢为骨架，有机玻璃板为面板，并用六角螺钉拼装而成。隧道模型共浇注4段，2段长度50 cm，另2段长度45 cm，隧道直径为20 cm，二衬厚度均为2 cm，浇注完成后持续养护10天以上再进行拆模。边坡模型的制作分为模型底部至坡脚以下40 cm的填筑和高70 cm的边坡填筑两部分，为了保证试验模型拥有足够的压实度，试验开始前2天应将天然含水率状态下的黄土配制成接近最优含水率的黄土材料(ω_op=16.5%)，静置48 h待用。模型制作过程和制作完成后的照片如图 3~图 6所示。

图 3 试验模型箱 Fig. 3 Test model box

图 4 填筑完成的模型 Fig. 4 Completed model

图 5 隧道模型 Fig. 5 Tunnel model

图 6 隧道模型埋设 Fig. 6 Tunnel model embedding

台面输入竖直方向入射的El-Centro地震波和汶川地震波形(甘肃武都台记录的远场汶川地震波)，按地震烈度由低到高逐级加载直至试验模型完全破坏为止，破坏的判断标准为边坡模型完全破坏或者隧道结构模型完全破坏。地震波加载工况如表 2所示，汶川波输入地震波形及频谱曲线如图 7(a)、(b)所示。

图 7 汶川地震波(8度) Fig. 7 Wenchuan earthquake wave (8 degrees)

监测方案按监测对象的不同分为2部分：(1)隧道洞口段衬砌结构的地震动力响应监测；(2)边坡不同高程位置处坡面的地震动力响应。模型Ⅰ和模型Ⅱ监测元件布设情况如图 8~图 9所示。

图 8 模型Ⅰ监测方案(单位:cm) Fig. 8 Monitoring scheme for model Ⅰ (unit:cm)

图 9 模型Ⅱ监测方案(单位:cm) Fig. 9 Monitoring scheme for model Ⅱ(unit:cm)

试验中模型主要出现的震害为：洞口边仰坡的开裂，图 10(a)和图 11(a)中折线标示即为裂缝位置，滑塌、失稳及震陷，如图 10(b)和图 11(b)中围岩的破坏。由于隧道刚度较大，洞口段衬砌结构没有明显的破坏迹象。随着输入地震波强度的增大，洞口边仰坡的震害发育经历了一个从无到有的扩展过程，2组试验模型在强震作用下最终都被完全破坏。图 10~图 12分别为边坡坡体裂缝、隧道洞口裂缝分布及模型整体破坏示意图。

图 10 模型Ⅰ洞口段破坏过程 Fig. 10 Tunnel portal damage process of model Ⅰ

图 11 模型Ⅱ洞口段破坏过程 Fig. 11 Tunnel portal damage process of model Ⅱ

图 12 无隧道边坡破坏情况 Fig. 12 No tunnel slope damage

2组试验模型隧道洞口段均发生了严重震害，模型Ⅰ当加载地震动峰值加速度值达到0.4g时，隧道洞门附近和坡顶首先出现微小裂缝。随着震动加强，坡顶裂缝逐渐向洞门附近扩展，并逐步发展成贯穿坡顶的纵向主裂缝，最终在强震作用下洞口边坡垮塌，隧道洞口完全被掩埋，模型破坏。

试验模型Ⅱ加载峰值加速度达到0.4g时，隧道洞口及边仰坡并没有出现肉眼可以辨识的裂缝，加载至0.8g时，洞口右侧拱腰突然发生小范围震陷，洞口周围出现裂缝并逐步扩展为4条呈放射状分布的主裂缝，洞口边坡顶部出现横向裂缝。随着震动的加强，坡顶横向裂缝贯穿整个模型横截面并迅速向边坡深部发展，隧道洞口基底震陷范围扩大，洞口边坡垮塌，模型破坏。

对比2组试验模型隧道洞口段的破坏过程发现：(1)模型Ⅰ隧道洞口边坡的顶部首先出现纵向裂缝，自坡顶沿坡面表层向洞口处逐步扩展，自有隧道侧向无隧道边坡侧发展形成纵向主裂缝；(2)模型Ⅱ先是隧道右侧拱脚处出现局部震陷，隧道洞口周围出现放射状裂缝，坡顶出现横向拉裂缝，自表层向深部发育，自模型左侧向右侧发展成贯通的横向主裂缝；(3)模型Ⅰ洞口发生震陷滑塌，模型Ⅱ洞口边坡整体失稳；(4)模型Ⅱ比模型Ⅰ破坏前产生更多裂缝，而且更早被破坏，模型Ⅰ和模型Ⅱ破坏时台面峰值加速度分别为1 400 gal和1 289 gal。

2组试验无隧道边坡模型在强震作用下，主要发生震陷型滑坡，坡顶多见横向拉裂缝，坡面以沿滑裂面的剪切裂缝为主，可见无隧道边坡的震害类型基本相同。

总体来看，2组模型首先在洞口边仰坡周边产生微小裂缝，而后边坡顶部前缘出现拉张裂缝，随着地震振幅加大，洞口微裂缝持续放射状向四周扩展，坡顶前缘裂缝向洞口方向发育，最终形成连续滑裂面，洞口发生滑坡和坍塌，洞口被掩埋，模型破坏。模型Ⅱ为1/2倍坡高进洞，相比坡角进洞，隧道处在更不利的位置，所以破坏更加严重，另一方面，模型Ⅰ破坏时的峰值加速度为1 400 gal，模型Ⅱ破坏时的峰值加速度为1 289 gal，模型Ⅰ破坏时的加速度更大，所以模型Ⅰ的破坏范围较模型Ⅱ大。

马小莉，周志军等^[18-19]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。选取模型Ⅰ测点J2~J9和模型Ⅱ测点A2~A9，加载工况1和工况3的典型监测数据绘制隧道衬砌结构在Z向汶川地震波作用下不同位置处的峰值加速度曲线，如图 13所示。

图 13 衬砌峰值加速度 Fig. 13 Lining peak acceleration

从图 13工况1可以看出，在竖直向汶川波作用下2组模型的仰拱峰值加速度变化趋势类似，在距洞口40 cm处达到最大值，距离超过70 cm后基本趋于稳定；拱顶的变化趋势略有不同，模型Ⅰ拱顶峰值加速度最大值出现在靠近洞门位置处，模型Ⅱ的最大值在距洞口约40 cm处。分别对比2种高程试验模型衬砌仰拱和拱顶的峰值加速度，高程对衬砌结构的加速度响应的影响并不明显，但2组试验模型越靠近洞口位置处，峰值加速度响应明显有增大趋势，衬砌结构对竖直向汶川波具有明显的放大效应。

从图 13工况3可以看出，在竖直向汶川地震波作用下2组模型的仰拱峰值加速度变化趋势类似，大小也较接近，最大值均出现在距洞口40 cm位置处，距离洞口超过70 cm后其值基本趋于稳定；2组模型拱顶的峰值加速度变化趋势相同，距离洞口越近的监测点其值越大，距洞口距离超过70 cm后基本趋于稳定。上述结果表明，在该种地震波作用下，隧道进洞高程对衬砌结构加速度响应的影响不大，但隧道衬砌在洞口附近存在加速度放大效应。

同样地，以加载工况1和工况3的典型监测数据绘制隧道边坡及无隧道边坡在竖向汶川地震波作用下不同位置处的峰值加速度曲线，如图 14所示。

图 14 坡面峰值加速度 Fig. 14 Slope peak acceleration

如图 14所示，在竖向汶川波作用下，无隧道边坡和隧道边仰坡的峰值加速度均表现出显著的加速度高程放大特点，即随着坡高的增加，峰值加速度呈明显增大趋势，由上图可以看出，在坡高40~80 cm时峰值加速度增大缓慢，当坡高大于80 cm以后，坡面峰值加速度迅速增大。另外，对比无隧道边坡和隧道边仰坡的峰值加速度曲线发现，隧道边仰坡的峰值加速度均大于无隧道边坡的峰值加速度，二者差值随着地震波幅值的增大而增大。可见在该种地震波作用下，隧道结构的存在对洞口边仰坡的加速度响应有一定影响，有隧道下穿的边坡要比同等条件下的无隧道边坡稳定性差，更容易发生地震灾害。2组模型试验中隧道边仰坡先于无隧道边坡发生震害就能很好地说明问题。

为了量化研究坡面加速度的放大程度，用坡面PGA放大系数来衡量坡面加速度的放大效应。以坡面高程h和坡高H的比值为横坐标绘制，见图 15。可以看出，坡面PGA放大系数随坡高比的增大而增大，至坡顶位置达到最大值，可见高程放大效应在坡顶处最为显著，坡顶前缘位置容易发生震害，模型试验破坏过程中坡顶前缘拉张裂缝的形成很好地说明了这一点。

图 15 坡面PGA放大系数曲线 Fig. 15 Slope PGA magnification coefficient curves

由于第2组试验中坡面加速度传感器布置得较少，且能正常采集到试验数据的元件个数较少，因此没能得到坡面加速度的数据。在后续的研究计划中，对这部分内容的研究工作将会继续。

作用于衬砌结构外表面的压力大小在一定程度上反映了坡-隧系统相互作用的程度，其值越大，代表坡隧系统相互作用越强烈。在地震动力作用下，作用于衬砌结构的压力将远远大于静力状态下土体自重产生的压力，不同进洞高程的隧道洞口段所承受的压力随距洞口距离的变化将具有怎样的变化规律，也是我们关注的问题之一。衬砌仰拱和拱顶上的峰值压力随洞口距离的变化曲线，如图 16、图 17所示。

图 16 工况1不同进洞高程衬砌压力 Fig. 16 Lining pressures with different tunneling elevations under condition 1

图 17 工况3不同进洞高程衬砌压力 Fig. 17 Lining pressures with different tunneling elevations under condition 3

由图 16可以看出，2种不同进洞高程的隧道在工况1的地震波作用下，仰拱外表面峰值压力在距离洞口20 cm处达到最大，距洞口距离超过40 cm后小于2 000 kPa，且0倍高程进洞的最大峰值压力大于0.5倍进洞隧道的衬砌峰值压力；2种进洞高程隧道衬砌的拱顶压力比较接近。由图 17可知，2种不同进洞高程的隧道在工况3的地震波作用下，衬砌外表压力与工况1的变化趋势相近，仅0.5倍高程进洞的隧道仰拱的压力显著增大。

对比分析上述试验结果，在2种工况下隧道仰拱压力在20 cm位置处均达到最大，距洞口20 cm距离的部位是坡-隧系统相互作用最强烈的部位。当地震波幅值较小时，进洞高程对仰拱的外表压力有影响，对拱顶影响不大，随着地震波幅值加大，进洞高程对拱顶的外表压力影响明显增大，而对仰拱的影响显著降低。

(1) 模型Ⅰ洞口边坡发生震陷型滑塌，表现出纯黄土边坡的破坏特点，隧道自坡脚进洞对边坡的稳定性影响不大，坡-隧系统相互作用不明显；模型Ⅱ洞口边坡发生失稳性滑塌，并由坡顶前缘横向拉裂缝逐步向洞口附近扩展，拉张裂缝在持续往复的拉压作用下逐步发展为剪张裂缝，表明隧道自坡腰进洞影响了洞口边坡的稳定性，坡-隧系统相互作用明显。主要震害形式以边仰坡的开裂、滑塌、失稳及震陷破坏为主。

(2) 随着激振幅值的增大，衬砌结构加速度响应显著增大，表现出衬砌结构加速度对围岩振动加速度响应的追随性；进洞高程对衬砌结构加速度响应的影响与激振幅值的大小密切相关，进洞高程对高烈度地震作用下隧道洞口段衬砌的加速度响应有显著的放大作用，在隧道洞口段的抗震设计中应加以适当考虑。

(3) 坡面峰值加速度放大系数PGA自坡底向坡顶逐渐增大，最大值位于坡顶位置，坡脚位置最小。随着激入地震波幅值的增大，无隧道边坡和隧道边仰坡坡面各位置的PGA均有所减小，且前者的减小幅度大于后者，这说明坡面加速度高程放大效应在无隧道边坡比坡隧系统更显著；另一方面，无隧道边坡边坡和坡隧系统的坡面加速度放大系数亦均减小，且前者大幅减小而坡隧系统边坡的放大系数稍有减小但仍维持在一个较高的水平。

(4) 在2种工况下隧道仰拱压力在20 cm位置处均达到最大，距洞口20 cm距离的部位是坡-隧系统相互作用最强烈的部位。当地震波幅值较小时，进洞高程对仰拱的外表压力有影响，对拱顶影响不大，随着地震波幅值加大，进洞高程对拱顶的外表压力影响明显增大，而对仰拱的影响显著降低。