小凈間距正交上跨隧道加速度響應振動臺試驗研究*

劉 洋

（中鐵九局集團有限公司，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方面還不成熟，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。立體交叉段隧道結構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，一旦發生問題，其后果將不可估量。為此國內外學者對此開展了大量的研究工作，并取得了很多相關的研究成果。

目前對交叉隧道的研究主要通過理論分析和數值計算的分析方法，還缺少深入的振動臺試驗研究，因此很有必要開展相關的試驗研究。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）為研究對象完成了8 種地震烈度、8 種加載工況的振動臺試驗，重點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力響應特征，在此分析基礎上，以加載工況0.2g 為依據，對交叉中心拱頂和仰拱位置的加速度時程曲線分析和研究。

1 立體正交隧道工程概況

丹大鐵路草莓溝2#隧道進口位于草莓溝村東，進口里程TJLDK154+965，出口里程TJLDK159+227，全長4262m，為單洞雙線隧道。隧道在TJLDK158+161 下穿盤道嶺公路隧道，結構凈距為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 立體正交隧道振動臺試驗設計

2.1 振動臺概況

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

圖1 振動臺及模型箱

2.2 模型試驗制作

2.2.1 試驗相似關系

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

表1 試驗相似比數據

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《公路隧道設計規范》（JTG3370.1-2018），《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）Ⅳ級圍巖參數折中取值配制，各參數如表2 所示，從而確定了一種Ⅳ級圍巖相似配合料，如表3 所示。

表2 原型和模型材料的主要物理力學參數值

隧道的襯砌結構采用厚度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 試驗模型

為了保證它們之間較好地黏結，模型箱底板鋪設一層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。試驗模型如圖2 所示。

圖2 試驗模型

2.3 試驗加載方案

本文主要以上述場區地震動參數作為基本地震動，并根據地震動區劃參數計算，按照100 年超越概率為63%、10%和2%工程場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，在進行本次振動臺試驗時，主要輸入的是汶川波-X 向（表4）、汶川波-XZ 向（表5），試驗加載制度按照“先小震后大震，先單向后雙向”的設置原則，每次在改變輸入地震波幅值大小時，均輸入白噪聲以測試系統的動力特性，研究系統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 試驗測試儀器安裝及測試方案

隧道結構物拱頂和仰拱沿斷面分別布設加速度傳感器，利用加速度傳感器捕捉試驗全過程的地震波動態數據，傳感器布設如圖3 所示。

表5 汶川波-XZ 向加載制度

圖3 傳感器位置

3 振動臺試驗加速度動力時程曲線結果分析

本次振動臺試驗以上跨草莓溝2#隧道為研究對象，分別進行了汶川波X 方向、汶川波XZ 方向地震波的振動試驗，并以地震動0.1g（多遇地震動）、0.15g（基本地震動）、0.2g、0.3g、0.4g（罕遇地震動）、0.6g、0.8g、1.0g 八種工況下加速度振動臺加載測試數據為基礎，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力響應狀況。

3.1 加速度峰值分析

3.1.1 汶川波-X 向

表6 汶川波-X 向各特征點加速度峰值

該次振動臺試驗加載情況如表4，對應條件下的上跨隧道各特征點處的水平向加速度峰值統計如表6 所示。

由表6 中的試驗數據能夠看出：

其一，隨著輸入地震動的不斷增大，上跨隧道拱頂、仰拱以及中間邊墻位置處的加速度響應程度總體呈現逐步變大的趨勢。尤其在隧道中部邊墻位置處，X7 監測點在0.1g 工況下，加速度峰值為0.196m/s2，當加載工況達到1.0g 時，加速度峰值達到了57.722m/s2，由此可以看出加速度響應程度的增長趨勢更為顯著。

其二，當加載工況為 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g 時，加速度峰值的增長相對緩慢；當加載工況增長到0.4g時，加速度峰值成倍數增長的趨勢。

其三，在上跨隧道的大里程端（X6 處），當加載工況為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了積極增大的情況。

其四，在中間邊墻位置處（X7、X8），當加載工況從0.4g 增大到0.6g 的情況下，加速度峰值也出現了顯著的增長現象。

3.1.2 汶川波-XZ 向

該次在振動臺試驗加載情況如表5，對應條件下的上跨隧道各特征點處的水平向加速度峰值統計如表7 所示。

表7 汶川波-XZ 向各特征點加速度峰值

由表7 中的試驗數據能夠看出：

其一，隨著輸入地震動的不斷增大，上跨隧道拱頂、仰拱以及中間邊墻位置處加速度響應程度總體呈現出逐步變大的趨勢。尤其在隧道中部邊墻位置處，X7 監測點在0.1g 工況下，加速度峰值為1.764m/s2，當加載工況達到1.0g 時，加速度峰值達到了57.722m/s2，由此可以看出加速度響應程度的增長趨勢更為顯著。

其二，在拱頂與仰拱位置處，當加載工況為0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 時，加速度峰值的增長較為平緩，并且增長幅度較小；當加載工況增長到0.8g 時，加速度峰值呈現倍數增長的趨勢，該現象出現的原因是當加載工況增長到0.8g 時，正交段為明顯的薄弱區，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存在疊加效應，特別是在正交中心拱頂、仰拱處表現尤為明顯。

其三，在中間邊墻X7 處，當加載工況由0.4g 增長到0.6g 時，加速度峰值從 0.37m/s2增長到 57.722m/s2，增長幅度較大。一般認為，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，正交段結構物的空間影響將產生波場分裂現象，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，從而在正交段形成復雜的地震波場，且隨著輸入地震動的猛烈增加，邊墻受相鄰隧道干擾產生的波場效應影響劇烈。當地震烈度從Ⅷ度（0.2g）增加到Ⅷ度（0.3g）時，拱頂處加速度放大系數增長幅度最大，該烈度值時交叉段為明顯的薄弱區，極易誘發拱頂隧道模型出現破損。

其四，相對于汶川波-X 向而言，當加載工況為汶川波-XZ 向 0.1g、0.15g 時，加速度峰值相對較大。

3.2 加速度動力時程曲線結果分析

3.2.1 拱頂加速度動力時程曲線結果分析

圖4 0.2g-汶川波-X 向

加速度時程曲線以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，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的位置控制，其中拱頂各特征點處加速度峰值大小依次為：兩端邊緣區域＞交叉中心；交叉中心為交叉段的薄弱區，在地震作用下隧道結構極易破壞，應強化該區段隧道的設計。

3.2.2 仰拱加速度動力時程曲線結果分析

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比分析來看，在相同加載工作條件 0.2g 時，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明顯，速度時程曲線較兩端位置響應大，受振有效持續時間較長。仰拱各特征點處加速度峰值大小依次為：交叉中心＞兩端區域邊緣；交叉中心為交叉段的薄弱區，在地震作用下隧道結構極易破壞，應強化該區段隧道的設計。

3.3 功率譜分析

加速度功率譜曲線以基本地震動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，說明臺面輸入的地震波經圍巖和正交隧道結構耦合作用后，上跨隧道其功率譜成分發生了明顯的改變，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，圍巖對地震波的高頻段存在濾波作用，隧道結構相對較為安全，低頻段地震波對隧道結構影響較大。

圖 6 X2、X5 加速度功率譜

4 結論

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）為研究對象，對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力響應特征，并對交叉中心拱頂和仰拱位置的加速度峰值與時程曲線分析和研究，得到以下結論：

（1）隨著輸入地震動越強烈，下穿隧道加速度響應受地震影響越明顯。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，受正交部位結構物的空間影響將產生波場分裂現象，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，下穿隧道仰拱受相鄰隧道干擾產生的波場效應影響更劇烈，受震有效持續時間更長。

（2）對于汶川波而言，當加載工況為0.1g、0.15g 以及0.2g、0.3g 時，X 向加速度峰值的增長相對緩慢；當加載工況增長到0.4g 時，加速度峰值呈倍數增長的趨勢。加載工況為 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 時，XZ 向加速度峰值的增長較為平緩，并且增長幅度較小；當加載工況增長到0.8g 時，加速度峰值呈現倍數增長的趨勢。

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

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