小凈間距交叉隧道振動規律試驗研究

（中鐵九局集團有限公司，遼寧沈陽 110051）

1 研究背景

相比于單孔隧道與水平平行隧道而言，立體正交隧道是一個多連通體，在理論研究和施工技術方面還不成熟，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。為此國內外學者開展了大量研究工作，并取得了諸多研究成果。

目前，對交叉隧道的研究主要借助理論分析和數值計算等方法，缺少深入的振動規律試驗研究。本文以丹東—大連鐵路（以下簡稱“丹大鐵路”）中的草莓溝2#隧道為例，通過振動臺試驗與理論分析相結合的方法，對草莓溝2#隧道加速度響應情況做出研究。

2 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4 262 m，為單洞雙線隧道。隧道在TJLDK158+161位置下穿盤道嶺公路隧道，兩條隧道的凈間距為7.47 m，交叉段圍巖等級為Ⅳ級，該段隧道埋深約65 m，相互交叉的兩條隧道凈間距符合小凈間距立體交叉隧道的規定。

3 立體正交隧道振動臺試驗設計

3.1 振動臺概況

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

圖1 振動臺及模型箱（單位：m）

3.2 模型試驗制作

3.2.1 試驗相似關系

本文在全面、綜合考慮各種因素的基礎上，以長度、彈性模量和密度作為基本物理量，得出試驗相似比數據如下：長度相似比為1 :50，彈性模量相似比為1 :30，密度相似比為1 :1，黏聚力相似比為1 :30，內摩擦角相似比為1 :1，應力相似比為1 :1。

3.2.2 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選用的水泥、砂、土和水，按照一定的配合比進行制作，并根據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1-2018）和《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）Ⅳ級圍巖參數折中取值配制，主要物理力學參數如表1所示，Ⅳ級圍巖模型相似材料配比如表2所示。

表1 原型和模型材料的主要物理力學參數值

表2 模型相似材料配比

隧道襯砌結構采用厚度2～3 mm、直徑200 mm的PVC材料，并外置5 mm厚的配合材料（石膏 :石英砂 :水=1 :1.5 :2）模擬隧道襯砌。

3.2.3 試驗模型

為保證模型與模型箱較好地黏結，在模型箱底板鋪設一層5 cm厚的碎石土以增大摩擦力，碎石粒徑2 cm左右，底板處理成摩擦邊界。試驗模型如圖2所示。

3.3 試驗加載方案

圖2 試驗模型（單位：mm）

本文主要以中國地震局蘭州地震研究所地震動參數作為基本地震動，在進行本次振動臺試驗時，主要輸入汶川波-X向、汶川波-X Z向的地震波，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峰值大小時，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。

3.4 試驗測試儀器安裝及測試方案

沿隧道結構物拱頂和仰拱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。

4 振動臺試驗加速度結果分析

圖3 傳感器X1～X8位置示意圖（單位：cm）

本次振動臺試驗以草莓溝2#下穿隧道為研究對象，分別輸入X向、XZ向汶川波，輸入汶川波峰值分別為0.1g、0.15g、0.2g、0.3g、0.4g、0.6g，對試驗數據與結果分析如下。

4.1 汶川波 -X 向加載結果

在本次振動臺試驗中，草莓溝2#下穿隧道各特征點X加載方向的加速度峰值如表3所示，各測點加速度峰值曲線如圖4所示。

4.2 汶川波 -XZ 向加載結果

在本次振動臺試驗中，草莓溝2#下穿隧道各特征點XZ加載方向的加速度峰值如表4所示，各測點加速度峰值曲線如圖5所示。

4.3 加速度峰值分析

（1）隨著輸入汶川波峰值的不斷增大，下穿隧道拱頂、仰拱以及中間邊墻位置處的加速度響應程度越來越強，加速度峰值總體呈現變大趨勢；

（2）汶川波的不同輸入方向對X1、X2、X3、X4、X5測點的影響較弱，且上述測點的加速度峰值增長幅度較小；

（3）X6、X7、X8測點處隨著地震動的不斷增大，加速度峰值出現激增現象，這表明受汶川波的影響，隧道交叉段中部邊墻位置及仰拱邊緣位置汶川波疊加效應更為顯著。

5 結論

本文以丹大鐵路草莓溝2#隧道為研究對象，對小凈間距立體正交下穿隧道拱頂、仰拱斷面加速度動力響應特征進行分析。受上跨隧道影響，小凈間距立體交叉下穿隧道在地震荷載作用下，從箱體底部入射的地震波傳播到正交部位時，隧道交叉段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影響，從而在正交段形成復雜的地震波場。隨著輸入汶川波峰值的增加，交叉段邊墻位置與仰拱邊緣位置受相鄰隧道干擾產生的波場效應最為劇烈，由此也說明交叉隧道邊墻位置與仰拱邊緣位置為最容易發生破壞的部位。

表3 汶川波-X 向各特征點加速度峰值

圖4 X 加載方向各測點加速度峰值情況

表4 汶川波-XZ 向各特征點加速度峰值

圖5 XZ 加載方向各測點加速度峰值情況