刘 洋

（中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110051）

引言

相比于单孔隧道与水平平行隧道而言，立体正交隧道在理论研究和施工技术方面还不成熟，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。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，从而成为线路的抗震薄弱区，一旦发生问题，其后果将不可估量。为此国内外学者对此开展了大量的研究工作，并取得了很多相关的研究成果。

目前对交叉隧道的研究主要通过理论分析和数值计算的分析方法，还缺少深入的振动台试验研究，因此很有必要开展相关的试验研究。本文以丹大铁路立体交叉草莓沟2#隧道和盘道岭隧道为例，着重选取盘道岭隧道（上跨隧道）为研究对象完成了8 种地震烈度、8 种加载工况的振动台试验，重点分析受上跨隧道影响，小净间距小角度立体正交下穿隧道拱顶和仰拱断面峰值加速度动力响应特征，在此分析基础上，以加载工况0.2g 为依据，对交叉中心拱顶和仰拱位置的加速度时程曲线分析和研究。

1 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4262m，为单洞双线隧道。隧道在TJLDK158+161 下穿盘道岭公路隧道，结构净距为7.47m，公路隧道路面高程45.53m，轨面与公路路面高差为16.06m。草莓沟2#隧道在DK250+891.1 处下穿盘道岭隧道（改JDLDK1+413.95），净间距仅 7.47m。DK250+885～DK250+915 交叉影响段为Ⅳ级围岩，该段隧道埋深约65m，两交叉隧道近接距离都在限制范围，属于小净间距立体较差隧道。

2 立体正交隧道振动台试验设计

2.1 振动台概况

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

图1 振动台及模型箱

2.2 模型试验制作

2.2.1 试验相似关系

本文在全面、综合考虑各种因素的基础上，忽略重力加速度的相似，以长度、弹性模量和密度作为基本物理量，基于Bockinghamπ 定理导出其它物理量相似比，如表1 所示。

表1 试验相似比数据

2.2.2 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采用水泥、砂、土和水为主要材料，按照一定的配合比，根据《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018），《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）Ⅳ级围岩参数折中取值配制，各参数如表2 所示，从而确定了一种Ⅳ级围岩相似配合料，如表3 所示。

表2 原型和模型材料的主要物理力学参数值

隧道的衬砌结构采用厚度2～3mm、直径200mm 的PVC 材料，并外置 5mm 厚的石膏：石英砂：水=1：1.5：2 的配合材料来模拟隧道衬砌。

表3 模型相似材料配比

2.2.3 试验模型

为了保证它们之间较好地黏结，模型箱底板铺设一层5cm 厚的碎石土以增大摩擦力，碎石粒径2cm 左右，底板处理成摩擦边界。试验模型如图2 所示。

图2 试验模型

2.3 试验加载方案

本文主要以上述场区地震动参数作为基本地震动，并根据地震动区划参数计算，按照100 年超越概率为63%、10%和2%工程场地基岩峰值加速度分别换算为模型中的0.0945g、0.15g、0.385g。参照以上取值，在进行本次振动台试验时，主要输入的是汶川波-X 向（表4）、汶川波-XZ 向（表5），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幅值大小时，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。

表4 汶川波-X 向加载制度

2.4 试验测试仪器安装及测试方案

隧道结构物拱顶和仰拱沿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。

表5 汶川波-XZ 向加载制度

图3 传感器位置

3 振动台试验加速度动力时程曲线结果分析

本次振动台试验以上跨草莓沟2#隧道为研究对象，分别进行了汶川波X 方向、汶川波XZ 方向地震波的振动试验，并以地震动0.1g（多遇地震动）、0.15g（基本地震动）、0.2g、0.3g、0.4g（罕遇地震动）、0.6g、0.8g、1.0g 八种工况下加速度振动台加载测试数据为基础，着重分析受下穿隧道影响下的小净间距立体正交上跨隧道拱顶和仰拱断面峰值加速度动力响应状况。

3.1 加速度峰值分析

3.1.1 汶川波-X 向

表6 汶川波-X 向各特征点加速度峰值

该次振动台试验加载情况如表4，对应条件下的上跨隧道各特征点处的水平向加速度峰值统计如表6 所示。

由表6 中的试验数据能够看出：

其一，随着输入地震动的不断增大，上跨隧道拱顶、仰拱以及中间边墙位置处的加速度响应程度总体呈现逐步变大的趋势。尤其在隧道中部边墙位置处，X7 监测点在0.1g 工况下，加速度峰值为0.196m/s2，当加载工况达到1.0g 时，加速度峰值达到了57.722m/s2，由此可以看出加速度响应程度的增长趋势更为显著。

其二，当加载工况为 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g 时，加速度峰值的增长相对缓慢；当加载工况增长到0.4g时，加速度峰值成倍数增长的趋势。

其三，在上跨隧道的大里程端（X6 处），当加载工况为0.4g、0.6g 以及0.8g、1.0g 的情况下，加速度峰值基本保持不变。但在X6 处，前四种加载工况与后四种加载工况的加速度峰值出现了积极增大的情况。

其四，在中间边墙位置处（X7、X8），当加载工况从0.4g 增大到0.6g 的情况下，加速度峰值也出现了显著的增长现象。

3.1.2 汶川波-XZ 向

该次在振动台试验加载情况如表5，对应条件下的上跨隧道各特征点处的水平向加速度峰值统计如表7 所示。

表7 汶川波-XZ 向各特征点加速度峰值

由表7 中的试验数据能够看出：

其一，随着输入地震动的不断增大，上跨隧道拱顶、仰拱以及中间边墙位置处加速度响应程度总体呈现出逐步变大的趋势。尤其在隧道中部边墙位置处，X7 监测点在0.1g 工况下，加速度峰值为1.764m/s2，当加载工况达到1.0g 时，加速度峰值达到了57.722m/s2，由此可以看出加速度响应程度的增长趋势更为显著。

其二，在拱顶与仰拱位置处，当加载工况为0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 时，加速度峰值的增长较为平缓，并且增长幅度较小；当加载工况增长到0.8g 时，加速度峰值呈现倍数增长的趋势，该现象出现的原因是当加载工况增长到0.8g 时，正交段为明显的薄弱区，且小净间距小角度立体正交隧道拱顶、仰拱峰值加速度响应存在叠加效应，特别是在正交中心拱顶、仰拱处表现尤为明显。

其三，在中间边墙X7 处，当加载工况由0.4g 增长到0.6g 时，加速度峰值从 0.37m/s2增长到 57.722m/s2，增长幅度较大。一般认为，受到下穿隧道的影响，小净间距小角度立体交叉上跨隧道在地震荷载作用下，垂直从箱体底部入射的地震波传播到正交部位时，正交段结构物的空间影响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，从而在正交段形成复杂的地震波场，且随着输入地震动的猛烈增加，边墙受相邻隧道干扰产生的波场效应影响剧烈。当地震烈度从Ⅷ度（0.2g）增加到Ⅷ度（0.3g）时，拱顶处加速度放大系数增长幅度最大，该烈度值时交叉段为明显的薄弱区，极易诱发拱顶隧道模型出现破损。

其四，相对于汶川波-X 向而言，当加载工况为汶川波-XZ 向 0.1g、0.15g 时，加速度峰值相对较大。

3.2 加速度动力时程曲线结果分析

3.2.1 拱顶加速度动力时程曲线结果分析

图4 0.2g-汶川波-X 向

加速度时程曲线以0.2g 为例给出。从图4 的峰值加速度光谱变化图分析来看，在相同加载工作条件 0.2g时，受上跨隧道影响，小净间距小角度立体交叉下穿隧道交叉中心位置与两端的峰值加速度曲线不尽相同。

下穿隧道其峰值加速度的改变主要受特征点的位置控制，其中拱顶各特征点处加速度峰值大小依次为：两端边缘区域＞交叉中心；交叉中心为交叉段的薄弱区，在地震作用下隧道结构极易破坏，应强化该区段隧道的设计。

3.2.2 仰拱加速度动力时程曲线结果分析

图 5 0.2g-汶川波-X 向

从图4、图5 峰值加速度光谱变化图对比分析来看，在相同加载工作条件 0.2g 时，受上跨隧道影响，小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶峰值加速度相应比仰拱位置的峰值加速度曲线明显。此外，交叉中心位置峰值加速度响应明显，速度时程曲线较两端位置响应大，受振有效持续时间较长。仰拱各特征点处加速度峰值大小依次为：交叉中心＞两端区域边缘；交叉中心为交叉段的薄弱区，在地震作用下隧道结构极易破坏，应强化该区段隧道的设计。

3.3 功率谱分析

加速度功率谱曲线以基本地震动0.2g 加载工况下的X2、X5 为例给出，如图6 所示。受下穿隧道影响，小净间距立体正交上跨隧道的功率频率集中在10Hz～40Hz频段，说明台面输入的地震波经围岩和正交隧道结构耦合作用后，上跨隧道其功率谱成分发生了明显的改变，因岩体自身材料阻尼的作用吸收了一部分地震波能量，隧道衬砌也可以吸收和反射一部分波的能量，围岩对地震波的高频段存在滤波作用，隧道结构相对较为安全，低频段地震波对隧道结构影响较大。

图 6 X2、X5 加速度功率谱

4 结论

本文以丹大铁路立体交叉草莓沟2#隧道和盘道岭隧道为例，着重选取草莓沟2#隧道（下穿隧道）为研究对象，对小净间距小角度立体正交下穿隧道拱顶和仰拱断面峰值加速度动力响应特征，并对交叉中心拱顶和仰拱位置的加速度峰值与时程曲线分析和研究，得到以下结论：

（1）随着输入地震动越强烈，下穿隧道加速度响应受地震影响越明显。受上跨隧道影响，小净间距小角度立体正交上跨隧道在地震荷载作用下，垂直从箱体底部入射的地震波传播到交叉部位时，受正交部位结构物的空间影响将产生波场分裂现象，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，下穿隧道仰拱受相邻隧道干扰产生的波场效应影响更剧烈，受震有效持续时间更长。

（2）对于汶川波而言，当加载工况为0.1g、0.15g 以及0.2g、0.3g 时，X 向加速度峰值的增长相对缓慢；当加载工况增长到0.4g 时，加速度峰值呈倍数增长的趋势。加载工况为 0.1g、0.15g 以及 0.2g、0.3g、0.4g、0.6g 时，XZ 向加速度峰值的增长较为平缓，并且增长幅度较小；当加载工况增长到0.8g 时，加速度峰值呈现倍数增长的趋势。

（3）下穿隧道其峰值加速度的改变主要受特征点的位置控制，且存在叠加效应，其携带的能量对隧道的破坏其表现为沿轴向从交叉段-两端边缘的动态传递模式。

（4）拱顶各特征点处加速度峰值大小依次为：两端边缘区域＞交叉中心；仰拱各特征点处加速度峰值大小依次为：交叉中心＞两端区域边缘。