小净间距交叉隧道振动规律试验研究

2021-02-28

现代城市轨道交通 2021年2期

（中铁九局集团有限公司，辽宁沈阳 110051）

1 研究背景

相比于单孔隧道与水平平行隧道而言，立体正交隧道是一个多连通体，在理论研究和施工技术方面还不成熟，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。立体交叉段隧道结构相互间往往存在地震波的入射、反射和绕射等多种影响，从而成为线路抗震薄弱区，一旦发生问题，其后果将不可估量。为此国内外学者开展了大量研究工作，并取得了诸多研究成果。

目前，对交叉隧道的研究主要借助理论分析和数值计算等方法，缺少深入的振动规律试验研究。本文以丹东—大连铁路（以下简称“丹大铁路”）中的草莓沟2#隧道为例，通过振动台试验与理论分析相结合的方法，对草莓沟2#隧道加速度响应情况做出研究。

2 立体正交隧道工程概况

丹大铁路草莓沟2#隧道进口位于草莓沟村东，进口里程TJLDK154+965，出口里程TJLDK159+227，全长4 262 m，为单洞双线隧道。隧道在TJLDK158+161位置下穿盘道岭公路隧道，两条隧道的净间距为7.47 m，交叉段围岩等级为Ⅳ级，该段隧道埋深约65 m，相互交叉的两条隧道净间距符合小净间距立体交叉隧道的规定。

3 立体正交隧道振动台试验设计

3.1 振动台概况

本次试验所用的振动台设备为中国地震局兰州地震研究所伺服驱动式地震模拟振动台，振动台台面尺寸6 m×4 m（长×宽），系统频率范围0.1～50 Hz，最大位移±250 mm，最大加速度1.7g，满载最大载重25 t，振动台上配备刚性模型箱尺寸为2.85 m×1.40 m×1.80 m（长×宽×高），台面以及模型箱如图1所示。

图1 振动台及模型箱（单位：m）

3.2 模型试验制作

3.2.1 试验相似关系

本文在全面、综合考虑各种因素的基础上，以长度、弹性模量和密度作为基本物理量，得出试验相似比数据如下：长度相似比为1 :50，弹性模量相似比为1 :30，密度相似比为1 :1，黏聚力相似比为1 :30，内摩擦角相似比为1 :1，应力相似比为1 :1。

3.2.2 模型相似材料制作

草莓沟、盘道岭立体交叉段隧道围岩相似材料选用的水泥、砂、土和水，按照一定的配合比进行制作，并根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）和《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2016）Ⅳ级围岩参数折中取值配制，主要物理力学参数如表1所示，Ⅳ级围岩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学参数值

表2 模型相似材料配比

隧道衬砌结构采用厚度2～3 mm、直径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）模拟隧道衬砌。

3.2.3 试验模型

为保证模型与模型箱较好地黏结，在模型箱底板铺设一层5 cm厚的碎石土以增大摩擦力，碎石粒径2 cm左右，底板处理成摩擦边界。试验模型如图2所示。

3.3 试验加载方案

图2 试验模型（单位：mm）

本文主要以中国地震局兰州地震研究所地震动参数作为基本地震动，在进行本次振动台试验时，主要输入汶川波-X向、汶川波-X Z向的地震波，试验加载制度按照“先小震后大震，先单向后双向”的设置原则，每次在改变输入地震波峰值大小时，均输入白噪声以测试系统的动力特性，研究系统的损伤程度随输入地震波的变化。

3.4 试验测试仪器安装及测试方案

沿隧道结构物拱顶和仰拱断面分别布设加速度传感器，利用加速度传感器捕捉试验全过程的地震波动态数据，传感器布设如图3所示。

4 振动台试验加速度结果分析

图3 传感器X1～X8位置示意图（单位：cm）

本次振动台试验以草莓沟2#下穿隧道为研究对象，分别输入X向、XZ向汶川波，输入汶川波峰值分别为0.1g、0.15g、0.2g、0.3g、0.4g、0.6g，对试验数据与结果分析如下。

4.1 汶川波 -X 向加载结果

在本次振动台试验中，草莓沟2#下穿隧道各特征点X加载方向的加速度峰值如表3所示，各测点加速度峰值曲线如图4所示。

4.2 汶川波 -XZ 向加载结果

在本次振动台试验中，草莓沟2#下穿隧道各特征点XZ加载方向的加速度峰值如表4所示，各测点加速度峰值曲线如图5所示。

4.3 加速度峰值分析

（1）随着输入汶川波峰值的不断增大，下穿隧道拱顶、仰拱以及中间边墙位置处的加速度响应程度越来越强，加速度峰值总体呈现变大趋势；

（2）汶川波的不同输入方向对X1、X2、X3、X4、X5测点的影响较弱，且上述测点的加速度峰值增长幅度较小；

（3）X6、X7、X8测点处随着地震动的不断增大，加速度峰值出现激增现象，这表明受汶川波的影响，隧道交叉段中部边墙位置及仰拱边缘位置汶川波叠加效应更为显著。

5 结论

本文以丹大铁路草莓沟2#隧道为研究对象，对小净间距立体正交下穿隧道拱顶、仰拱断面加速度动力响应特征进行分析。受上跨隧道影响，小净间距立体交叉下穿隧道在地震荷载作用下，从箱体底部入射的地震波传播到正交部位时，隧道交叉段将产生波场分裂现象，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影响，从而在正交段形成复杂的地震波场。随着输入汶川波峰值的增加，交叉段边墙位置与仰拱边缘位置受相邻隧道干扰产生的波场效应最为剧烈，由此也说明交叉隧道边墙位置与仰拱边缘位置为最容易发生破坏的部位。