[0001] 本发明属于隧道工程技术领域，尤其涉及一种既有浅埋地下结构两侧增设橡胶砂墙的抗震韧性提升方法。

[0002] 隧道是城市交通运输的关键载体，是重要的生命线工程。近年来的屡次震害表明，在强地震荷载作用下隧道结构往往受到严重损伤。然而，早期由于隧道数量较少，且基本未遭受大地震的检验，导致人们长期忽视隧道的抗震设计。此外，随着我国抗震设防水平的提高和抗震计算方法的改进，也导致部分考虑抗震作用的已建隧道无法满足当前抗震设防相关规范的要求，存在较高的地震破坏风险，亟需进行抗震加固。地震作用下，隧道结构的变形与损伤破坏明显受周围场地土体的约束与影响。地下结构抗震相关规范建议，可在隧道和场地之间敷设减震层，吸收场地传递至隧道的地震变形，达到减轻隧道结构地震反应的目的。

[0003] 目前，现有隧道减隔震技术多针对新建隧道，如采用橡胶减震层(见图1)或EPS泡沫回填等，少数也采用泡沫混凝土等柔性材料。但对于既有隧道而言，受线路运营、施工技术等限制，完全包裹式的环形橡胶减震层基本不具备施工可行性。另一方面，现有技术通常采用聚氨酯或水泥注浆加固临近场地，该方法可有效降低隧道结构的地震反应，但部分场地因地层条件等原因难以采用注浆技术，且聚氨酯和水泥的成本较高，存在污染地下水的风险。

[0004] 2022年我国废旧轮胎产生量为1350万吨，但回收利用率不足50％，造成了严重的环境污染和资源浪费。目前，“低碳、韧性”已经成为土木工程重要的发展方向，如何实现废旧轮胎在土木工程韧性减灾中的低碳资源化利用成为重要课题。研究表明，将废旧轮胎破碎筛分形成的橡胶颗粒与天然砂土按照一定比例混合形成的橡胶砂，具有密度轻、低模量和高阻尼等特性，是一种绿色、低成本的减隔震材料，在房屋、码头、桥台和挡土墙等工程结构中的减隔震效果已经得到大量研究和验证。但橡胶砂在隧道结构中的减震应用，尚无报道。

[0005] 因此，如何利用橡胶砂提升既有隧道抗震韧性成为了本领域亟需解决的技术问题。

[0060] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0061] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0062] 橡胶砂：将废旧轮胎经破碎、筛分后形成的橡胶颗粒，按照一定比例与砂土混合形成的轻质减震材料。

[0063] 剪切模量：指材料在剪应力作用下，峰值剪应力与剪应变之比，模量大则表示材料的刚度大。

[0064] 砂雨法：利用土体的自由下落与重力势能‑动能转化，获得落距‑密度关系曲线，从而制作特定密度的模型土样，是离心试验常用的制模方法之一。

[0065] 动土压力：地震过程中的总土压力减去静力荷载产生的初始土压力。

[0066] 离心机振动台试验：将相似律1:N倍的缩尺模型放置于在旋转的离心机振动台系统中，通过高速旋转获得离心加速度Ng来模拟高重力场，达到预设离心加速度Ng后通过离心振动台系统加载地震荷载，以准确的模拟原位工程场地受地震荷载作用的动力特性和失效机制。借助土工离心机系统的高速旋转可1:1有效复现与水平工程场地应力水平相同的应力场，在高离心场条件下施加压缩地震荷载，从而使原型的动力性状或物理力学现象得以再现。

[0067] 减震系数：减震隧道最大动内力与相同位置处非减震隧道最大动内力的比值。大于1说明橡胶砂墙增大了隧道内力的地震响应，小于1说明降低了隧道的地震响应，减震系数越小，说明减震效果越好。

[0068] 如无特殊说明，本发明实施例中的原料均通过市售途径购买获得。

[0069] 实施例1

[0070] 一种既有浅埋地下结构两侧增设橡胶砂墙的抗震韧性提升方法，过程示意图见图3，包括以下步骤：

[0071] (1)将废旧轮胎经粉碎、研磨和筛分，得到不同粒径的橡胶颗粒，测试所得橡胶颗粒的粒径、密度、硬度、弹性和强度；

[0072] (2)根据现场工程条件进行选砂，并测试所选砂的粒径、表观密度、孔隙率和含水率；

[0073] (3)根据待加固既有浅埋隧道的抗震加固目标确定所需橡胶砂的刚度、密度、动弹性模量、阻尼比和泊松比；根据所确定的橡胶砂的静动力学参数和步骤(1)中橡胶颗粒的基本物性指标、步骤(2)中砂的基本物性指标确定拟采用橡胶砂的橡胶颗粒和砂的配合比、橡胶颗粒和砂的级配、橡胶颗粒的粒径以及砂的粒径；按照所得橡胶砂的参数将橡胶颗粒和砂混合均匀制得橡胶砂减震材料；

[0074] (4)根据待加固既有浅埋隧道的纵向长、相邻两个隧道的间隔、隧道和支护结构的间距以及现场工程条件和施工方案，确定橡胶砂墙的空间位置、几何参数和密实度；橡胶砂墙的几何参数包括橡胶砂墙的深度、厚度、长度及其与隧道的距离；

[0075] (5)根据施工方案和步骤(4)确定的橡胶砂墙的设计参数，采用步骤(3)制备的橡胶砂减震材料进行橡胶砂墙的建造，实现既有浅埋隧道的抗震韧性提升；施工方案具体为：根据橡胶砂墙的设计参数旋挖成孔、清孔、下导管、灌注橡胶砂减震材料、成桩和连续成墙，施工方案的示意图见图4。

[0076] 为了说明本发明方法的有效性，通过离心振动台模型试验进行验证，主要关注隧道结构横向地震反应，隧道的变形与内力是重要评价指标，具体步骤如下：

[0077] (1)试验装置

[0078] 试验采用工力所的大型离心机振动台系统——DCIEM‑40‑300土工离心机，离心机系统容量300gt，振动台有效振动容量为40gt。为降低试验误差，采用层状剪切变形模型箱开展模型试验，模型箱尺寸为1.2m×0.5m×0.6m，采用的相似比为1：50(模型：原型)。

[0079] (2)模型场地制备和结构设计

[0080] 模型场地主要包括模型地基和橡胶砂墙。模型地基深度500mm，相对密度Dr＝60％，采用纯砂和土为原料经砂雨法制作而成，砂雨法制模的实况图见图5。采用铝合金圆管模拟原型隧道结构，其参数根据几何和抗弯刚度相似关系确定。试验采用的模型箱尺寸较大，且多组离心机振动台模型试验成本较高且会导致一定的试验误差，在模型箱中部沿模型箱宽度方向，同时埋置两个模型隧道并在其中一个模型隧道的两侧对称放置橡胶砂墙，得到有无橡胶砂墙隧道模型箱，有无橡胶砂墙隧道模型箱的结构示意图见图6。其中，单个隧道纵向长为200mm，两个隧道间隔、隧道和模型箱前后壁间距均为24mm，为防止模型土流入，在隧道两端覆盖塑料膜并搭配10mm厚的盖状亚克力板。

[0081] 选用中值粒径为0.176mm的福建标准砂，砂的级配曲线见图7，砂的级配为：d60＝0.193mm，d50＝0.176mm，d30＝0.145mm，d10＝0.113mm；砂的基本物性指标见表1；选用中值粒径为0.137mm的橡胶颗粒，橡胶颗粒的级配曲线见图7，橡胶颗粒的级配为：d60＝0.150mm，d50＝0.137mm，d30＝0.112mm，d10＝0.090mm；橡胶颗粒的基本物性指标见表2。需要指出的是，由于试验所用福建标准砂的粒径较小，因此也选用了粒径较小的橡胶颗粒，以防止砂‑胶颗粒分离而使得细砂颗粒聚集于减震墙的下部；将上述砂和橡胶颗粒按照50％∶50％的质量比混合均匀，制得橡胶砂减震材料。利用所得橡胶砂减震材料隧道两侧建造橡胶砂墙，橡胶砂墙的制作过程见图8，根据模型箱的尺寸和模型隧道的几何参数确定橡胶砂墙的设计参数，具体的设计橡胶砂墙的厚度为1/3倍隧道直径，深度超过隧道底部1倍直径，纵向和隧道模型等长，橡胶砂墙设置在距隧道外侧1倍直径位置处。根据相似关系，对应的橡胶砂墙模型的几何参数为：厚度t＝40mm，深度Lw＝320mm，距衬砌外侧距离e＝120mm。

[0082] 表1砂的基本物性指标

[0083]

[0084] 表2橡胶颗粒的基本物性指标

[0085]

[0086] (3)传感器布设和标定

[0087] 在有无橡胶砂墙隧道模型箱的4个截面上布置传感器，传感器的布置示意图见图9，4个截面的分布图见图9中的(d)，图中，截面1、2为减震隧道所在截面，传感器命名全部以字母A开头；截面3、4为非减震隧道所在截面，传感器命名全部以字母B开头。应变片在截面1或截面4上的布置示意图见图9中的(a)。加速度、位移和土压力传感器在截面2上的布置示意图见图9中的(b)，截面2为减震隧道场地，布置15个水平加速度计和2个竖向加速度计。加速度、位移和土压力传感器在截面3上的布置示意图见图9中的(c)，截面3为非减震隧道场地，在非减震隧道场地相同位置处布置与减震隧道场地相同的传感器。在模型顶部位置布置的3列位移传感器，用于监测模型加速加载阶段和震动阶段的竖向沉降曲线，3个土压力盒以45°的间距布置在隧道一侧。土压力盒的标定采用工力所自主开发的可控式高精度土压传感器标定设备(施加荷载范围为1kPa～2MPa、精度为0.1％)，以获取较为准确的土压传感器标定系数。在减震隧道监测面1(截面1)和非减震监测面4(截面4)上，各将8对应变片以全桥方式接法布置在隧道内外斜45°位置处，每个桥路由四个桥臂组成(两个双栅应变片)，通过将一对桥臂(R2‑R3)粘合在内表面，将另一对桥臂(R1‑R4)粘合在外表面，布置压力表来测量弯曲应变，布置示意图见图10，惠斯通全桥示意图见图11。通过在桥的a和b两端施加电压Vab，用电流计测量点c和点d之间的电压变化ΔVcd。通过对试验过程中采集的电压信号进行处理，并经过理论转化，可获得隧道结构关键位置处的内力结果。试验采用的应变片为中航电测生产的双栅应变片(BF120‑2FB(11)P50)。应变片标定采用的两种加载模式见图
12，图12中两种加载模式的内力解析见图13。

[0088] 试验工况

[0089] 地震激励采用离心振动台模型试验常用的Sin‑Leap波和六条真实地震动。Sin‑Leap波频率单一(1Hz)，波峰波谷清晰，便于后续研究反演分析场地土和橡胶砂的动力特性。将Sin‑Leap波的峰值分别调整为0.1g、0.2g和0.3g；根据相似关系调整后按逐级递增的方式加载。真实地震动根据阿里纳斯强度，由小到大输入，并在加载前后进行白噪声扫频，共计14个工况，工况详情见表3。

[0090] 表3

[0091]

[0092] 注：表中的数值表示原型地震动的频率或幅值。

[0093] 试验结果

[0094] a.动土压力反应

[0095] 根据模型试验中每个隧道上布置的三个土压力传感器，即隧道左上位置处(AT1和BT1)、正左位置处(AT2和BT2)和左下位置处(AT3和BT3)的传感器，测试不同幅值Sin‑Leap波或El Centro波作用下有橡胶墙和无橡胶墙的动土压力时程曲线，结果见图14和图15。其中，BT3传感器损坏，图中已将其剔除。

[0096] 图14为不同幅值Sin‑Leap波作用下有橡胶墙和无橡胶墙的动土压力时程，其中，减震指有橡胶墙，非减震指无橡胶墙。图15为不同幅值El Centro波作用下有橡胶墙和无橡胶墙的动土压力时程，其中，减震指有橡胶墙，非减震指无橡胶墙。由图14和图15可以发现，随着埋深和输入地震动幅值的增大，动土压力逐渐增大。对比有无橡胶砂墙下的动土压力峰值，可以发现橡胶砂墙的存在显著降低了隧道的动土压力。隧道结构左拱肩处的动土压力降低最为显著，并且随着地震动强度的增加，动土压力的降低程度越大。在0.3g地震动作用下，与非减震隧道相比，设置橡胶砂墙的隧道的动土压力降低约50％。

[0097] b.地表竖向沉降反应

[0098] 图16为不同幅值Sin‑Leap波作用下有无橡胶墙的地表3个不同位置处的地表沉降时程，其中，a为0.1g Sin‑Leap，b为0.2g Sin‑Leap，c为0.3g Sin‑Leap。图17为不同幅值El Centro波作用下有无橡胶墙的地表3个不同位置处的地表沉降时程，其中，a为0.1g El Centro，b为0.2g El Centro，c为0.3g El Centro。整体来看，随着不断振动，土层(即模型地基)条件变得越来越密实，沉降量越来越小。在加载的前半段，减震截面(AL1‑AL3)的沉降量明显大于非减震截面(BL1‑BL3)的沉降量。这是因为在加载初期(Sin‑Leap波)，土层和橡胶砂墙都处于相对松散的状态，但橡胶砂的压缩性明显高于纯砂，更易发生弹性形变而被压缩，因此在橡胶砂墙及周围场地(即减震截面)的沉降明显大于无橡胶砂墙场地(即非减震截面)。而在后续真实地震动作用下，由于震动历史导致的场地加密作用，橡胶砂和地基中的纯砂都处于较为密实的状态，橡胶砂墙和无橡胶砂墙周围场地相同位置处的竖向变形较为接近(见图17中的c部分)。上述比较表明，在增设橡胶砂墙时采用较高的密实度，在强震作用下，橡胶砂墙及周围场地的竖向沉降并不会显著增大，沉降量和无橡胶砂墙场地基本一致。

[0099] c.隧道结构加速度反应

[0100] 图18为不同幅值Sin‑Leap波下有无橡胶墙的隧道结构的加速度反应，其中，A17、A18为有橡胶墙的隧道结构，B17、B18为无橡胶墙的隧道结构。图19为真实地震动下有无橡胶墙的隧道结构的加速度时程，其中，A17、A18为有橡胶墙的隧道结构，B17、B18为无橡胶墙的隧道结构。可以发现，有无橡胶砂墙工况下，隧道拱底的加速度反应基本一致。然而，当隧道两侧增设橡胶砂墙后，结构拱顶的加速度反应有一定程度的增大。这说明橡胶砂墙的存在对拱底的地震响应影响不大，增大了拱顶的地震响应，隧道结构的整体摇摆(而不是结构变形)反应增大。因此，周围土体施加于隧道结构上的约束力更小，从而有助于降低隧道结构某些部位的动土压力和动内力。

[0101] d.隧道结构内力反应

[0102] 图20为El Centro波(a)、Kobe波(b)、Chi‑Chi波(c)作用下有无橡胶墙的隧道结构4个位置处的轴力时程。图21为卧龙波(a)、Parkfield波(b)、Northridge波(c)作用下有无橡胶墙的隧道结构4个位置处的轴力时程。从图20和图21中可以看出，在隧道左、右拱肩位置处结构的轴力，橡胶砂墙的存在增加了隧道结构的动内力。而在左、右拱脚处，增设橡胶砂墙可以显著降低隧道的内力反应。需要指出的是，无论是否增设橡胶砂墙，隧道左、右拱脚处的动内力都大于左、右拱肩处，是隧道抗震设计的控制断面。因此，增设橡胶砂墙后控制断面的内力降低，起到减震的效果。

[0103] 图22为真实地震动作用下隧道最大动轴力及其减震系数β。由图22可以发现，隧道的最大动轴力可降低20～30％。

[0104] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。