高铁立体交叉隧道振动台试验研究现状

霍飞

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

1 概述

近年来，随着我国高速铁路的迅猛发展，新建高速铁路隧道与既有铁路、公路、地铁和高速铁路隧道之间上跨或下穿的立体交叉工程大量出现。例如[1]，新建渝利铁路火风山隧道上跨渝怀铁路人和场隧道，交叉部位最小距离仅5.47 m；新建皖赣双线铁路与九景衢铁路在景德镇市出现隧道交叉，最小交叉距离仅为4.5 m；新建的温福铁路琯头岭隧道下穿温福高速公路琯头岭隧道左右线，铁路隧道拱顶距公路隧道基底约2.91 m。在我国断裂发育、地震活跃的地质背景下，交叉部位的抗震问题日益突出，深入研究地震激励作用下立体交叉隧道的动力响应特性，对于正确指导震区高速铁路交叉隧道的设计、施工和运营维护具有重要的现实意义。

2 关键动力学问题

立体交叉隧道不同于理论和技术上已日趋成熟的单孔及水平平行隧道，它是一个多连通体，具有近距离穿越风险大、多效应耦合突出、环境效应往复叠加、变形和稳定性控制难度大等显著特点[1]。在地震荷载作用下，交叉隧道结构同一时刻往往受到入射、反射、绕射等多种地震波的激振，相互之间影响大，如图1、图2所示；再加上其对地震的敏感性强，容易成为整条线路的抗震薄弱环节，一旦出现破坏将会产生严重后果。

3 国内外研究现状及分析

关于交叉隧道结构在地震激励下的动力响应特性，至今尚未取得实质性突破[1-2]，相关研究更是鲜有见刊。在已有成果中，研究方向以公路隧道和城市地铁隧道为主[3-5]，且以结构交叉工况居多；研究手段主要为理论分析和数值模拟。目前，还没有针对高速铁路立体交叉隧道振动台试验的研究成果。

图1 地震弹性波在单一隧道中的传递过程

图2 地震弹性波在交叉隧道中的相互作用

4 试验研究进展

地下结构抗震性能研究主要采用振动台试验方法。该方法可以再现以往的地震过程或者加载人工地震波，是研究结构动力特性、破坏机理、抗震措施最直接的途径。国内学者对单行隧道和洞门结构开展了较多的振动台试验，积累了一定的隧道和围岩响应规律。此外，相关人员还采用有限元软件和振动台对边界条件处理进行了专门研究，并通过室内实验进行了围岩相似材料的配比。

4.1 振动台试验

在隧道结构振动台试验研究领域，李育枢、徐华、李天斌[6-7]以国道318线黄草坪2#隧道为原型进行相关探索。试验研究发现，隧道洞身加速度响应大于围岩，且洞口段0～50 m范围为重点减震部位。邹炎、景立平、李永强[8]通过振动台模型试验研究穿越不同土层隧道的地震动响应规律，认为土体相对位移是造成隧道结构变形的主要因素，砂土和黏土的差异会导致结构扭剪、弯曲和转动。T Sun、Z Yue、B Gao等[9]针对平行隧道洞门部分开展振动台试验，研究发现，地震激励低频部分被放大，高频部分被削减；围岩的水平向剪切失效是由围岩与隧道的相互作用引起的，并且围岩裂缝发展方向一致。J Chen、X Shi、J Li等[10]开展了一系列非均匀地震激励下的隧道结构振动台模型试验，认为隧道结构在非均匀地震激励下的动力响应要大于均匀地震激励输入工况，在隧道设计中应该考虑地震激励的空间分配。U Cilingir、SPG Madabhushi[11]针对现有隧道结构地震动响应特性研究方法中假设条件过多的不足，开展了圆形和矩形隧道振动台模型试验，并输入不同幅值和频率特性的地震激励，以加速度和隧道周围围岩的围岩动压力为分析指标进行研究。研究发现，地震激励峰值加速度的大小决定了隧道结构地震动响应的明显程度。

4.2 边界效应

针对地下结构振动台试验中的边界效应问题，国内外学者进行了多方面的探索研究。刘晶波等[12]针对清华大学设计的叠环式模型箱进行了单一均匀土和成层土场地的模拟计算，认为叠环式模型箱可以有效减小边界效应，无需进行额外的边界处理。徐炳伟、姜忻良[13]对模型箱的边界条件进行了针对性设计，并基于试验数据和模态呈现对边界效应进行定量分析。他们认为，在模型箱底部铺设分割条，能够较好地模拟摩擦边界；在模型箱侧壁设置聚苯乙烯泡沫边界，对于Taft波和人工波，能够较好地模拟柔性边界；在侧壁粘贴聚氯乙烯薄膜并涂润滑油，能在一定程度上模拟滑移边界。蔡隆文等[14]以地铁车站振动台试验为背景，借助有限元软件对钢土箱的厚度、刚度、内衬材料等参数在柔性边界、侧向滑动边界和固定边界中的边界效应影响方面进行了对比分析。楼梦麟等[15]结合数值模拟和试验分析，认为合理设置橡胶内衬层能够有效减小边界效应，但需要注意橡胶和土体弹模比的控制。

4.3 围岩相似材料

在振动台模型试验围岩和结构相似材料研究方面，刘晓敏等[16]基于地下洞室群振动台试验，确定采用铁粉、重晶石粉和石英砂作为骨料，石膏作为胶凝材料，甘油作为调节剂的配比方案。邹威等通过试验测定胶砂比、石英砂含量、重晶石粉含量不同时相似材料的物理力学性能，确定了围岩配比方案。李术才等[17]依托青岛胶州湾海底隧道现场勘察资料，应用地质力学模型试验的流-固耦合相似理论，通过大量的配比试验研制出由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌和水组成的新型流-固耦合相似材料（SCVO）。他们认为，材料强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制，黏聚力受凡士林影响，渗透系数由凡士林和硅油比例调节。张强勇等[18]利用单轴抗压、劈裂和假三轴试验，以重晶石粉、铁矿石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液为基本配比材料，经过搅拌压实制作出了胶结岩石相似材料。吴耀宗等[19]依托某引水隧道模型试验，以粉煤灰、河沙、机油、石英砂为基本配比材料，通过室内试验得到了不同材料配比下的材料物理力学性能。

5 存在的问题

近几年，由于世界范围内隧道震害案例增多，再加上高速客运专线迅速发展，交叉隧道地震动响应特性引起了国内外学者的高度关注。但是，对该领域的研究仍处于初步探索阶段，尚未形成系统、成熟的理论体系，无法为交叉隧道抗震设计和震害处理提供可靠的参考依据。在探索过程中发现，其中存在的主要问题有以下3点：①地下结构，尤其是隧道结构的振动台试验尚不成熟，缺少科学、系统的试验方案；②模型箱边界效应控制、围岩相似材料配比等仍是试验难点；③已有试验主要针对地铁和公路单行隧道，尚未对空间立体交叉工况开展研究。

参考文献：

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［3］梁波，王志勇，高峰，等.地震条件下隧道紧急停车带与正洞交叉断面的动力回应分析［G］//第八届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会论文集.台北：中国岩石力学与工程学会，2009.

［4］臧万军，高波.公路隧道与横通道交叉结构抗震性能研究［J］.北京工业大学学报，2012，38（4）：509-512.

［5］陈林杰，梁波.高烈度地震区隧道紧急停车带与主洞交叉处地震动力响应分析［J］.铁道建筑，2014（7）：51-54.

［6］李育枢，李天斌，王栋，等.黄草坪2#隧道洞口段减震措施的大型振动台模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（6）：1128-1136.

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［8］邹炎，景立平，李永强.隧道穿过土层分界面振动台模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：3340-3348.

［9］Sun T，Yue Z，Gao B，et al.Model test study on the dynamic response of the portal section of two parallel tunnels in a seismically active area［J］.Tunnelling&Underground Space Technology，2011，26（2）：391-397.

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