高鐵立體交叉隧道振動臺試驗研究現狀

霍飛

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

1 概述

近年來，隨著我國高速鐵路的迅猛發展，新建高速鐵路隧道與既有鐵路、公路、地鐵和高速鐵路隧道之間上跨或下穿的立體交叉工程大量出現。例如[1]，新建渝利鐵路火風山隧道上跨渝懷鐵路人和場隧道，交叉部位最小距離僅5.47 m；新建皖贛雙線鐵路與九景衢鐵路在景德鎮市出現隧道交叉，最小交叉距離僅為4.5 m；新建的溫福鐵路琯頭嶺隧道下穿溫福高速公路琯頭嶺隧道左右線，鐵路隧道拱頂距公路隧道基底約2.91 m。在我國斷裂發育、地震活躍的地質背景下，交叉部位的抗震問題日益突出，深入研究地震激勵作用下立體交叉隧道的動力響應特性，對于正確指導震區高速鐵路交叉隧道的設計、施工和運營維護具有重要的現實意義。

2 關鍵動力學問題

立體交叉隧道不同于理論和技術上已日趨成熟的單孔及水平平行隧道，它是一個多連通體，具有近距離穿越風險大、多效應耦合突出、環境效應往復疊加、變形和穩定性控制難度大等顯著特點[1]。在地震荷載作用下，交叉隧道結構同一時刻往往受到入射、反射、繞射等多種地震波的激振，相互之間影響大，如圖1、圖2所示；再加上其對地震的敏感性強，容易成為整條線路的抗震薄弱環節，一旦出現破壞將會產生嚴重后果。

3 國內外研究現狀及分析

關于交叉隧道結構在地震激勵下的動力響應特性，至今尚未取得實質性突破[1-2]，相關研究更是鮮有見刊。在已有成果中，研究方向以公路隧道和城市地鐵隧道為主[3-5]，且以結構交叉工況居多；研究手段主要為理論分析和數值模擬。目前，還沒有針對高速鐵路立體交叉隧道振動臺試驗的研究成果。

圖1 地震彈性波在單一隧道中的傳遞過程

圖2 地震彈性波在交叉隧道中的相互作用

4 試驗研究進展

地下結構抗震性能研究主要采用振動臺試驗方法。該方法可以再現以往的地震過程或者加載人工地震波，是研究結構動力特性、破壞機理、抗震措施最直接的途徑。國內學者對單行隧道和洞門結構開展了較多的振動臺試驗，積累了一定的隧道和圍巖響應規律。此外，相關人員還采用有限元軟件和振動臺對邊界條件處理進行了專門研究，并通過室內實驗進行了圍巖相似材料的配比。

4.1 振動臺試驗

在隧道結構振動臺試驗研究領域，李育樞、徐華、李天斌[6-7]以國道318線黃草坪2#隧道為原型進行相關探索。試驗研究發現，隧道洞身加速度響應大于圍巖，且洞口段0～50 m范圍為重點減震部位。鄒炎、景立平、李永強[8]通過振動臺模型試驗研究穿越不同土層隧道的地震動響應規律，認為土體相對位移是造成隧道結構變形的主要因素，砂土和黏土的差異會導致結構扭剪、彎曲和轉動。T Sun、Z Yue、B Gao等[9]針對平行隧道洞門部分開展振動臺試驗，研究發現，地震激勵低頻部分被放大，高頻部分被削減；圍巖的水平向剪切失效是由圍巖與隧道的相互作用引起的，并且圍巖裂縫發展方向一致。J Chen、X Shi、J Li等[10]開展了一系列非均勻地震激勵下的隧道結構振動臺模型試驗，認為隧道結構在非均勻地震激勵下的動力響應要大于均勻地震激勵輸入工況，在隧道設計中應該考慮地震激勵的空間分配。U Cilingir、SPG Madabhushi[11]針對現有隧道結構地震動響應特性研究方法中假設條件過多的不足，開展了圓形和矩形隧道振動臺模型試驗，并輸入不同幅值和頻率特性的地震激勵，以加速度和隧道周圍圍巖的圍巖動壓力為分析指標進行研究。研究發現，地震激勵峰值加速度的大小決定了隧道結構地震動響應的明顯程度。

4.2 邊界效應

針對地下結構振動臺試驗中的邊界效應問題，國內外學者進行了多方面的探索研究。劉晶波等[12]針對清華大學設計的疊環式模型箱進行了單一均勻土和成層土場地的模擬計算，認為疊環式模型箱可以有效減小邊界效應，無需進行額外的邊界處理。徐炳偉、姜忻良[13]對模型箱的邊界條件進行了針對性設計，并基于試驗數據和模態呈現對邊界效應進行定量分析。他們認為，在模型箱底部鋪設分割條，能夠較好地模擬摩擦邊界；在模型箱側壁設置聚苯乙烯泡沫邊界，對于Taft波和人工波，能夠較好地模擬柔性邊界；在側壁粘貼聚氯乙烯薄膜并涂潤滑油，能在一定程度上模擬滑移邊界。蔡隆文等[14]以地鐵車站振動臺試驗為背景，借助有限元軟件對鋼土箱的厚度、剛度、內襯材料等參數在柔性邊界、側向滑動邊界和固定邊界中的邊界效應影響方面進行了對比分析。樓夢麟等[15]結合數值模擬和試驗分析，認為合理設置橡膠內襯層能夠有效減小邊界效應，但需要注意橡膠和土體彈模比的控制。

4.3 圍巖相似材料

在振動臺模型試驗圍巖和結構相似材料研究方面，劉曉敏等[16]基于地下洞室群振動臺試驗，確定采用鐵粉、重晶石粉和石英砂作為骨料，石膏作為膠凝材料，甘油作為調節劑的配比方案。鄒威等通過試驗測定膠砂比、石英砂含量、重晶石粉含量不同時相似材料的物理力學性能，確定了圍巖配比方案。李術才等[17]依托青島膠州灣海底隧道現場勘察資料，應用地質力學模型試驗的流-固耦合相似理論，通過大量的配比試驗研制出由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和適量拌和水組成的新型流-固耦合相似材料（SCVO）。他們認為，材料強度和彈性模量主要由水泥和凡士林控制，黏聚力受凡士林影響，滲透系數由凡士林和硅油比例調節。張強勇等[18]利用單軸抗壓、劈裂和假三軸試驗，以重晶石粉、鐵礦石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液為基本配比材料，經過攪拌壓實制作出了膠結巖石相似材料。吳耀宗等[19]依托某引水隧道模型試驗，以粉煤灰、河沙、機油、石英砂為基本配比材料，通過室內試驗得到了不同材料配比下的材料物理力學性能。

5 存在的問題

近幾年，由于世界范圍內隧道震害案例增多，再加上高速客運專線迅速發展，交叉隧道地震動響應特性引起了國內外學者的高度關注。但是，對該領域的研究仍處于初步探索階段，尚未形成系統、成熟的理論體系，無法為交叉隧道抗震設計和震害處理提供可靠的參考依據。在探索過程中發現，其中存在的主要問題有以下3點：①地下結構，尤其是隧道結構的振動臺試驗尚不成熟，缺少科學、系統的試驗方案；②模型箱邊界效應控制、圍巖相似材料配比等仍是試驗難點；③已有試驗主要針對地鐵和公路單行隧道，尚未對空間立體交叉工況開展研究。

參考文獻：

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