劉 洋

（中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110051）

引言

相比于單孔隧道與水平平行隧道而言，立體正交隧道在理論研究和施工技術(shù)方面還不成熟，它是一個(gè)多連通體，具有近距離穿越風(fēng)險(xiǎn)大、多效應(yīng)耦合突出、環(huán)境效應(yīng)往復(fù)疊加、變形和穩(wěn)定性控制難度大等顯著特點(diǎn)。立體交叉段隧道結(jié)構(gòu)相互間往往存在地震波的入射、反射和繞射等多種影響，從而成為線路的抗震薄弱區(qū)，一旦發(fā)生問題，其后果將不可估量。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究工作，并取得了很多相關(guān)的研究成果。

目前對(duì)交叉隧道的研究主要通過理論分析和數(shù)值計(jì)算的分析方法，還缺少深入的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，因此很有必要開展相關(guān)的試驗(yàn)研究。本文以丹大鐵路立體交叉草莓溝2#隧道和盤道嶺隧道為例，著重選取盤道嶺隧道（上跨隧道）為研究對(duì)象完成了8 種地震烈度、8 種加載工況的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，重點(diǎn)分析受上跨隧道影響，小凈間距小角度立體正交下穿隧道拱頂和仰拱斷面峰值加速度動(dòng)力響應(yīng)特征，在此分析基礎(chǔ)上，以加載工況0.2g 為依據(jù)，對(duì)交叉中心拱頂和仰拱位置的加速度時(shí)程曲線分析和研究。

1 立體正交隧道工程概況

丹大鐵路草莓溝2#隧道進(jìn)口位于草莓溝村東，進(jìn)口里程TJLDK154+965，出口里程TJLDK159+227，全長(zhǎng)4262m，為單洞雙線隧道。隧道在TJLDK158+161 下穿盤道嶺公路隧道，結(jié)構(gòu)凈距為7.47m，公路隧道路面高程45.53m，軌面與公路路面高差為16.06m。草莓溝2#隧道在DK250+891.1 處下穿盤道嶺隧道（改JDLDK1+413.95），凈間距僅 7.47m。DK250+885～DK250+915 交叉影響段為Ⅳ級(jí)圍巖，該段隧道埋深約65m，兩交叉隧道近接距離都在限制范圍，屬于小凈間距立體較差隧道。

2 立體正交隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)臺(tái)概況

本次試驗(yàn)采用中國(guó)地震局蘭州地震研究所伺服驅(qū)動(dòng)式地震模擬振動(dòng)臺(tái)開展，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸6m×4m (長(zhǎng)×寬)，系統(tǒng)頻率范圍 0.1～50Hz，最大位移±250mm，最大加速度1.7g，滿載最大載重25t，振動(dòng)臺(tái)上配備剛性模型箱尺寸為 2.85m×1.40m×1.80m(長(zhǎng)×寬×高)，臺(tái)面以及模型箱下如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)臺(tái)及模型箱

2.2 模型試驗(yàn)制作

2.2.1 試驗(yàn)相似關(guān)系

本文在全面、綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)上，忽略重力加速度的相似，以長(zhǎng)度、彈性模量和密度作為基本物理量，基于Bockinghamπ 定理導(dǎo)出其它物理量相似比，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)相似比數(shù)據(jù)

2.2.2 模型相似材料制作

草莓溝、盤道嶺立體交叉段隧道圍巖相似材料采用水泥、砂、土和水為主要材料，按照一定的配合比，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3370.1-2018），《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016）Ⅳ級(jí)圍巖參數(shù)折中取值配制，各參數(shù)如表2 所示，從而確定了一種Ⅳ級(jí)圍巖相似配合料，如表3 所示。

表2 原型和模型材料的主要物理力學(xué)參數(shù)值

隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用厚度2～3mm、直徑200mm 的PVC 材料，并外置 5mm 厚的石膏：石英砂：水=1：1.5：2 的配合材料來模擬隧道襯砌。

表3 模型相似材料配比

2.2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為了保證它們之間較好地黏結(jié)，模型箱底板鋪設(shè)一層5cm 厚的碎石土以增大摩擦力，碎石粒徑2cm 左右，底板處理成摩擦邊界。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.3 試驗(yàn)加載方案

本文主要以上述場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)參數(shù)作為基本地震動(dòng)，并根據(jù)地震動(dòng)區(qū)劃參數(shù)計(jì)算，按照100 年超越概率為63%、10%和2%工程場(chǎng)地基巖峰值加速度分別換算為模型中的0.0945g、0.15g、0.385g。參照以上取值，在進(jìn)行本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，主要輸入的是汶川波-X 向（表4）、汶川波-XZ 向（表5），試驗(yàn)加載制度按照“先小震后大震，先單向后雙向”的設(shè)置原則，每次在改變輸入地震波幅值大小時(shí)，均輸入白噪聲以測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力特性，研究系統(tǒng)的損傷程度隨輸入地震波的變化。

表4 汶川波-X 向加載制度

2.4 試驗(yàn)測(cè)試儀器安裝及測(cè)試方案

隧道結(jié)構(gòu)物拱頂和仰拱沿?cái)嗝娣謩e布設(shè)加速度傳感器，利用加速度傳感器捕捉試驗(yàn)全過程的地震波動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，傳感器布設(shè)如圖3 所示。

表5 汶川波-XZ 向加載制度

圖3 傳感器位置

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加速度動(dòng)力時(shí)程曲線結(jié)果分析

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以上跨草莓溝2#隧道為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了汶川波X 方向、汶川波XZ 方向地震波的振動(dòng)試驗(yàn)，并以地震動(dòng)0.1g（多遇地震動(dòng)）、0.15g（基本地震動(dòng)）、0.2g、0.3g、0.4g（罕遇地震動(dòng)）、0.6g、0.8g、1.0g 八種工況下加速度振動(dòng)臺(tái)加載測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，著重分析受下穿隧道影響下的小凈間距立體正交上跨隧道拱頂和仰拱斷面峰值加速度動(dòng)力響應(yīng)狀況。

3.1 加速度峰值分析

3.1.1 汶川波-X 向

表6 汶川波-X 向各特征點(diǎn)加速度峰值

該次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載情況如表4，對(duì)應(yīng)條件下的上跨隧道各特征點(diǎn)處的水平向加速度峰值統(tǒng)計(jì)如表6 所示。

由表6 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠看出：

其一，隨著輸入地震動(dòng)的不斷增大，上跨隧道拱頂、仰拱以及中間邊墻位置處的加速度響應(yīng)程度總體呈現(xiàn)逐步變大的趨勢(shì)。尤其在隧道中部邊墻位置處，X7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在0.1g 工況下，加速度峰值為0.196m/s2，當(dāng)加載工況達(dá)到1.0g 時(shí)，加速度峰值達(dá)到了57.722m/s2，由此可以看出加速度響應(yīng)程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為顯著。

其二，當(dāng)加載工況為 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g 時(shí)，加速度峰值的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；當(dāng)加載工況增長(zhǎng)到0.4g時(shí)，加速度峰值成倍數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

其三，在上跨隧道的大里程端（X6 處），當(dāng)加載工況為0.4g、0.6g 以及0.8g、1.0g 的情況下，加速度峰值基本保持不變。但在X6 處，前四種加載工況與后四種加載工況的加速度峰值出現(xiàn)了積極增大的情況。

其四，在中間邊墻位置處（X7、X8），當(dāng)加載工況從0.4g 增大到0.6g 的情況下，加速度峰值也出現(xiàn)了顯著的增長(zhǎng)現(xiàn)象。

3.1.2 汶川波-XZ 向

該次在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載情況如表5，對(duì)應(yīng)條件下的上跨隧道各特征點(diǎn)處的水平向加速度峰值統(tǒng)計(jì)如表7 所示。

表7 汶川波-XZ 向各特征點(diǎn)加速度峰值

由表7 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠看出：

其一，隨著輸入地震動(dòng)的不斷增大，上跨隧道拱頂、仰拱以及中間邊墻位置處加速度響應(yīng)程度總體呈現(xiàn)出逐步變大的趨勢(shì)。尤其在隧道中部邊墻位置處，X7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在0.1g 工況下，加速度峰值為1.764m/s2，當(dāng)加載工況達(dá)到1.0g 時(shí)，加速度峰值達(dá)到了57.722m/s2，由此可以看出加速度響應(yīng)程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為顯著。

其二，在拱頂與仰拱位置處，當(dāng)加載工況為0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 時(shí)，加速度峰值的增長(zhǎng)較為平緩，并且增長(zhǎng)幅度較??；當(dāng)加載工況增長(zhǎng)到0.8g 時(shí)，加速度峰值呈現(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是當(dāng)加載工況增長(zhǎng)到0.8g 時(shí)，正交段為明顯的薄弱區(qū)，且小凈間距小角度立體正交隧道拱頂、仰拱峰值加速度響應(yīng)存在疊加效應(yīng)，特別是在正交中心拱頂、仰拱處表現(xiàn)尤為明顯。

其三，在中間邊墻X7 處，當(dāng)加載工況由0.4g 增長(zhǎng)到0.6g 時(shí)，加速度峰值從 0.37m/s2增長(zhǎng)到 57.722m/s2，增長(zhǎng)幅度較大。一般認(rèn)為，受到下穿隧道的影響，小凈間距小角度立體交叉上跨隧道在地震荷載作用下，垂直從箱體底部入射的地震波傳播到正交部位時(shí)，正交段結(jié)構(gòu)物的空間影響將產(chǎn)生波場(chǎng)分裂現(xiàn)象，隧道結(jié)構(gòu)同一時(shí)刻往往受到入射、反射、繞射等多種地震波的激振，從而在正交段形成復(fù)雜的地震波場(chǎng)，且隨著輸入地震動(dòng)的猛烈增加，邊墻受相鄰隧道干擾產(chǎn)生的波場(chǎng)效應(yīng)影響劇烈。當(dāng)?shù)卣鹆叶葟蘑龋?.2g）增加到Ⅷ度（0.3g）時(shí)，拱頂處加速度放大系數(shù)增長(zhǎng)幅度最大，該烈度值時(shí)交叉段為明顯的薄弱區(qū)，極易誘發(fā)拱頂隧道模型出現(xiàn)破損。

其四，相對(duì)于汶川波-X 向而言，當(dāng)加載工況為汶川波-XZ 向 0.1g、0.15g 時(shí)，加速度峰值相對(duì)較大。

3.2 加速度動(dòng)力時(shí)程曲線結(jié)果分析

3.2.1 拱頂加速度動(dòng)力時(shí)程曲線結(jié)果分析

圖4 0.2g-汶川波-X 向

加速度時(shí)程曲線以0.2g 為例給出。從圖4 的峰值加速度光譜變化圖分析來看，在相同加載工作條件 0.2g時(shí)，受上跨隧道影響，小凈間距小角度立體交叉下穿隧道交叉中心位置與兩端的峰值加速度曲線不盡相同。

下穿隧道其峰值加速度的改變主要受特征點(diǎn)的位置控制，其中拱頂各特征點(diǎn)處加速度峰值大小依次為：兩端邊緣區(qū)域＞交叉中心；交叉中心為交叉段的薄弱區(qū)，在地震作用下隧道結(jié)構(gòu)極易破壞，應(yīng)強(qiáng)化該區(qū)段隧道的設(shè)計(jì)。

3.2.2 仰拱加速度動(dòng)力時(shí)程曲線結(jié)果分析

圖 5 0.2g-汶川波-X 向

從圖4、圖5 峰值加速度光譜變化圖對(duì)比分析來看，在相同加載工作條件 0.2g 時(shí)，受上跨隧道影響，小凈間距小角度立體交叉下穿隧道拱頂峰值加速度相應(yīng)比仰拱位置的峰值加速度曲線明顯。此外，交叉中心位置峰值加速度響應(yīng)明顯，速度時(shí)程曲線較兩端位置響應(yīng)大，受振有效持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。仰拱各特征點(diǎn)處加速度峰值大小依次為：交叉中心＞兩端區(qū)域邊緣；交叉中心為交叉段的薄弱區(qū)，在地震作用下隧道結(jié)構(gòu)極易破壞，應(yīng)強(qiáng)化該區(qū)段隧道的設(shè)計(jì)。

3.3 功率譜分析

加速度功率譜曲線以基本地震動(dòng)0.2g 加載工況下的X2、X5 為例給出，如圖6 所示。受下穿隧道影響，小凈間距立體正交上跨隧道的功率頻率集中在10Hz～40Hz頻段，說明臺(tái)面輸入的地震波經(jīng)圍巖和正交隧道結(jié)構(gòu)耦合作用后，上跨隧道其功率譜成分發(fā)生了明顯的改變，因巖體自身材料阻尼的作用吸收了一部分地震波能量，隧道襯砌也可以吸收和反射一部分波的能量，圍巖對(duì)地震波的高頻段存在濾波作用，隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)較為安全，低頻段地震波對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較大。

圖 6 X2、X5 加速度功率譜

4 結(jié)論

本文以丹大鐵路立體交叉草莓溝2#隧道和盤道嶺隧道為例，著重選取草莓溝2#隧道（下穿隧道）為研究對(duì)象，對(duì)小凈間距小角度立體正交下穿隧道拱頂和仰拱斷面峰值加速度動(dòng)力響應(yīng)特征，并對(duì)交叉中心拱頂和仰拱位置的加速度峰值與時(shí)程曲線分析和研究，得到以下結(jié)論：

（1）隨著輸入地震動(dòng)越強(qiáng)烈，下穿隧道加速度響應(yīng)受地震影響越明顯。受上跨隧道影響，小凈間距小角度立體正交上跨隧道在地震荷載作用下，垂直從箱體底部入射的地震波傳播到交叉部位時(shí)，受正交部位結(jié)構(gòu)物的空間影響將產(chǎn)生波場(chǎng)分裂現(xiàn)象，交叉隧道結(jié)構(gòu)同一時(shí)刻往往受到入射、反射、繞射等多種地震波的激振，下穿隧道仰拱受相鄰隧道干擾產(chǎn)生的波場(chǎng)效應(yīng)影響更劇烈，受震有效持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

（2）對(duì)于汶川波而言，當(dāng)加載工況為0.1g、0.15g 以及0.2g、0.3g 時(shí)，X 向加速度峰值的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；當(dāng)加載工況增長(zhǎng)到0.4g 時(shí)，加速度峰值呈倍數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。加載工況為 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 時(shí)，XZ 向加速度峰值的增長(zhǎng)較為平緩，并且增長(zhǎng)幅度較小；當(dāng)加載工況增長(zhǎng)到0.8g 時(shí)，加速度峰值呈現(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（3）下穿隧道其峰值加速度的改變主要受特征點(diǎn)的位置控制，且存在疊加效應(yīng)，其攜帶的能量對(duì)隧道的破壞其表現(xiàn)為沿軸向從交叉段-兩端邊緣的動(dòng)態(tài)傳遞模式。

（4）拱頂各特征點(diǎn)處加速度峰值大小依次為：兩端邊緣區(qū)域＞交叉中心；仰拱各特征點(diǎn)處加速度峰值大小依次為：交叉中心＞兩端區(qū)域邊緣。