用框架梁加固的隧道洞口反向倾斜边坡的地震损伤演化与动态特性

为什么隧道入口在强震中很重要

当大地震发生时，我们通常会想到倒塌的建筑和断裂的桥梁。然而，穿过山地的公路和铁路隧道，内部往往出乎意料地保持较少的损伤。薄弱环节通常是隧道入口——地下结构与陡峭岩坡相接的地方。本研究提出了一个关系重大基础设施安全的实际问题：为什么地震会把破坏集中在开挖于不稳定分层岩坡的隧道洞口周围，损伤如何演化，以及工程上可以采取何种措施来更好地保护它们？

在实验室里摇晃一座微型山体

为探究这一问题，研究者制作了一个基于中国怒江沿线真实隧道洞口的大型缩尺模型。隧道上方的山坡由所谓的反向倾斜岩层构成——即岩层向坡面外倾斜，这种几何构造在震动时易发生翻倒。研究者用框架梁对模型边坡进行加固，并用钢索和钢棒锚固，类似于现实高速公路和铁路使用的加固体系。整个模型安装在三向振动台上，能够施加诸如神户、埃尔森特罗和汶川地震记录的真实地震动输入。

边坡与隧道在地震下的响应

随着模拟震动强度的增加，研究团队在边坡和隧道衬砌周围详细测量了加速度、应变、土压力和位移。框架梁在一个重要方面发挥了作用：它们阻止了边坡发生剧烈的整体翻倒。然而，坡面仍然出现严重剥落，坡脊下沉，岩柱明显向开口面倾斜。对交通安全最关键的是，隧道洞口遭受了严重影响。当震动达到约重力加速度水平（1.0–1.2 g）时，衬砌底部和衬砌节段之间出现裂缝，最终在拱下部——隧道环底部形成贯通裂缝。

震动最强的地方与洞口受损的原因

测量结果显示，震动并非对边坡各处均匀作用。随着波动向坡脊传播，加速度被放大，表层区域的振动最强，这是“高度”与“表层”效应的叠加。在垂向震动下，隧道洞口成为入射波被衬砌和倾斜岩层反射、绕射的热点，形成复杂的振动放大模式。沿隧道方向，洞口附近的浅埋段比深埋段震动更强。洞口处上下岩体运动差异显著增大，致使衬砌和周围岩体受力集中，这解释了为何损伤更多地集中在洞口而非山体深处。

通过岩体特性和波能追踪隐蔽损伤

为超越表面观测，研究者跟踪了随震动变化的岩体力学参数。他们采用应变与两个关键动力学参数之间的既有关系：岩体的剪切刚度与耗能能力（阻尼）。随着震动增强，岩体刚度下降、阻尼增加，尤其是在衬砌下方的岩体中更为明显。将这些变化映射出来表明，损伤带先在洞口衬砌下部形成，随着入射动能增强逐步沿隧道向内延伸。团队还应用了一种时频分析工具——希尔伯特–黄变换，来研究地震能量在不同频率上的分布。他们发现，在垂向震动下，9–12 Hz 的低频分量对洞口附近岩体与衬砌的破坏尤为重要。当衬砌开始开裂时，该频段在隧道下方岩体中的波能明显衰减，这为通过对地震信号的精细监测检测损伤提供了潜在途径。

对更安全隧道的启示

对非专业读者而言，结论很清楚：位于陡峭分层岩体中的隧道洞口并不是地下隧道的简单缩小版——它们是特殊的薄弱环节，山体运动、波聚焦与结构细节在此处叠加放大地震损伤。研究表明，即便可见支护防止了边坡整体失稳，隐藏的损伤仍会在岩体与隧道衬砌中积累，尤其集中在衬砌的下拱处。作者建议工程上应加强反拱（衬砌底部）及其下方岩体，并在设计与评估洞口时特别关注垂向的低频震动。更好地理解地震期间能量如何及在何处集中，有助于制定更智能的加固与监测策略，从而在关键时刻保持生命线隧道的通行能力。

引用: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

关键词: 隧道洞口, 地震损伤, 岩石边坡, 地震震动, 地下基础设施