小凈間距交叉隧道振動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究

（中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 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(gè)多連通體，在理論研究和施工技術(shù)方面還不成熟，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，從而成為線路抗震薄弱區(qū)，一旦發(fā)生問(wèn)題，其后果將不可估量。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作，并取得了諸多研究成果。

目前，對(duì)交叉隧道的研究主要借助理論分析和數(shù)值計(jì)算等方法，缺少深入的振動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究。本文以丹東—大連鐵路（以下簡(jiǎn)稱“丹大鐵路”）中的草莓溝2#隧道為例，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)草莓溝2#隧道加速度響應(yīng)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(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)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(jí)為Ⅳ級(jí)，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(guī)定。

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

3.1 振動(dòng)臺(tái)概況

本次試驗(yàn)所用的振動(dòng)臺(tái)設(shè)備為中國(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)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸6 m×4 m（長(zhǎng)×寬），系統(tǒng)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(dòng)臺(tái)上配備剛性模型箱尺寸為2.85 m×1.40 m×1.80 m（長(zhǎng)×寬×高），臺(tái)面以及模型箱如圖1所示。

圖1 振動(dòng)臺(tái)及模型箱（單位：m）

3.2 模型試驗(yàn)制作

3.2.1 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，以長(zhǎng)度、彈性模量和密度作為基本物理量，得出試驗(yàn)相似比數(shù)據(jù)如下：長(zhǎng)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(nèi)摩擦角相似比為1 :1，應(yīng)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(jìn)行制作，并根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2016）Ⅳ級(jí)圍巖參數(shù)折中取值配制，主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，Ⅳ級(jí)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(xué)參數(shù)值

表2 模型相似材料配比

隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為保證模型與模型箱較好地黏結(jié)，在模型箱底板鋪設(shè)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(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

3.3 試驗(yàn)加載方案

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃m）

本文主要以中國(guó)地震局蘭州地震研究所地震動(dòng)參數(shù)作為基本地震動(dòng)，在進(jìn)行本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，主要輸入汶川波-X向、汶川波-X Z向的地震波，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峰值大小時(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。

3.4 試驗(yàn)測(cè)試儀器安裝及測(cè)試方案

沿隧道結(jié)構(gòu)物拱頂和仰拱斷面分別布設(shè)加速度傳感器，利用加速度傳感器捕捉試驗(yàn)全過(guò)程的地震波動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，傳感器布設(shè)如圖3所示。

4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加速度結(jié)果分析

圖3 傳感器X1～X8位置示意圖（單位：cm）

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以草莓溝2#下穿隧道為研究對(duì)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析如下。

4.1 汶川波 -X 向加載結(jié)果

在本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，草莓溝2#下穿隧道各特征點(diǎn)X加載方向的加速度峰值如表3所示，各測(cè)點(diǎn)加速度峰值曲線如圖4所示。

4.2 汶川波 -XZ 向加載結(jié)果

在本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，草莓溝2#下穿隧道各特征點(diǎn)XZ加載方向的加速度峰值如表4所示，各測(cè)點(diǎn)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(yīng)程度越來(lái)越強(qiáng)，加速度峰值總體呈現(xiàn)變大趨勢(shì)；

（2）汶川波的不同輸入方向?qū)1、X2、X3、X4、X5測(cè)點(diǎn)的影響較弱，且上述測(cè)點(diǎn)的加速度峰值增長(zhǎng)幅度較小；

（3）X6、X7、X8測(cè)點(diǎn)處隨著地震動(dòng)的不斷增大，加速度峰值出現(xiàn)激增現(xiàn)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(yīng)更為顯著。

5 結(jié)論

本文以丹大鐵路草莓溝2#隧道為研究對(duì)象，對(duì)小凈間距立體正交下穿隧道拱頂、仰拱斷面加速度動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)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(shí)，隧道交叉段將產(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影響，從而在正交段形成復(fù)雜的地震波場(chǎng)。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(chǎn)生的波場(chǎng)效應(yīng)最為劇烈，由此也說(shuō)明交叉隧道邊墻位置與仰拱邊緣位置為最容易發(fā)生破壞的部位。

表3 汶川波-X 向各特征點(diǎn)加速度峰值

圖4 X 加載方向各測(cè)點(diǎn)加速度峰值情況

表4 汶川波-XZ 向各特征點(diǎn)加速度峰值

圖5 XZ 加載方向各測(cè)點(diǎn)加速度峰值情況