霍飛

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000）

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，新建高速鐵路隧道與既有鐵路、公路、地鐵和高速鐵路隧道之間上跨或下穿的立體交叉工程大量出現(xiàn)。例如[1]，新建渝利鐵路火風(fēng)山隧道上跨渝懷鐵路人和場(chǎng)隧道，交叉部位最小距離僅5.47 m；新建皖贛雙線(xiàn)鐵路與九景衢鐵路在景德鎮(zhèn)市出現(xiàn)隧道交叉，最小交叉距離僅為4.5 m；新建的溫福鐵路琯頭嶺隧道下穿溫福高速公路琯頭嶺隧道左右線(xiàn)，鐵路隧道拱頂距公路隧道基底約2.91 m。在我國(guó)斷裂發(fā)育、地震活躍的地質(zhì)背景下，交叉部位的抗震問(wèn)題日益突出，深入研究地震激勵(lì)作用下立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)于正確指導(dǎo)震區(qū)高速鐵路交叉隧道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

立體交叉隧道不同于理論和技術(shù)上已日趨成熟的單孔及水平平行隧道，它是一個(gè)多連通體，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)[1]。在地震荷載作用下，交叉隧道結(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，相互之間影響大，如圖1、圖2所示；再加上其對(duì)地震的敏感性強(qiáng)，容易成為整條線(xiàn)路的抗震薄弱環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)破壞將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

關(guān)于交叉隧道結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)特性，至今尚未取得實(shí)質(zhì)性突破[1-2]，相關(guān)研究更是鮮有見(jiàn)刊。在已有成果中，研究方向以公路隧道和城市地鐵隧道為主[3-5]，且以結(jié)構(gòu)交叉工況居多；研究手段主要為理論分析和數(shù)值模擬。目前，還沒(méi)有針對(duì)高速鐵路立體交叉隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究成果。

圖1 地震彈性波在單一隧道中的傳遞過(guò)程

圖2 地震彈性波在交叉隧道中的相互作用

4 試驗(yàn)研究進(jìn)展

地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究主要采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法。該方法可以再現(xiàn)以往的地震過(guò)程或者加載人工地震波，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、破壞機(jī)理、抗震措施最直接的途徑。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)單行隧道和洞門(mén)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了較多的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，積累了一定的隧道和圍巖響應(yīng)規(guī)律。此外，相關(guān)人員還采用有限元軟件和振動(dòng)臺(tái)對(duì)邊界條件處理進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了圍巖相似材料的配比。

4.1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

在隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究領(lǐng)域，李育樞、徐華、李天斌[6-7]以國(guó)道318線(xiàn)黃草坪2#隧道為原型進(jìn)行相關(guān)探索。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隧道洞身加速度響應(yīng)大于圍巖，且洞口段0～50 m范圍為重點(diǎn)減震部位。鄒炎、景立平、李永強(qiáng)[8]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究穿越不同土層隧道的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為土體相對(duì)位移是造成隧道結(jié)構(gòu)變形的主要因素，砂土和黏土的差異會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭剪、彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)。T Sun、Z Yue、B Gao等[9]針對(duì)平行隧道洞門(mén)部分開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，地震激勵(lì)低頻部分被放大，高頻部分被削減；圍巖的水平向剪切失效是由圍巖與隧道的相互作用引起的，并且圍巖裂縫發(fā)展方向一致。J Chen、X Shi、J Li等[10]開(kāi)展了一系列非均勻地震激勵(lì)下的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)在非均勻地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)要大于均勻地震激勵(lì)輸入工況，在隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮地震激勵(lì)的空間分配。U Cilingir、SPG Madabhushi[11]針對(duì)現(xiàn)有隧道結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)特性研究方法中假設(shè)條件過(guò)多的不足，開(kāi)展了圓形和矩形隧道振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，并輸入不同幅值和頻率特性的地震激勵(lì)，以加速度和隧道周?chē)鷩鷰r的圍巖動(dòng)壓力為分析指標(biāo)進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，地震激勵(lì)峰值加速度的大小決定了隧道結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)的明顯程度。

4.2 邊界效應(yīng)

針對(duì)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的邊界效應(yīng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的探索研究。劉晶波等[12]針對(duì)清華大學(xué)設(shè)計(jì)的疊環(huán)式模型箱進(jìn)行了單一均勻土和成層土場(chǎng)地的模擬計(jì)算，認(rèn)為疊環(huán)式模型箱可以有效減小邊界效應(yīng)，無(wú)需進(jìn)行額外的邊界處理。徐炳偉、姜忻良[13]對(duì)模型箱的邊界條件進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模態(tài)呈現(xiàn)對(duì)邊界效應(yīng)進(jìn)行定量分析。他們認(rèn)為，在模型箱底部鋪設(shè)分割條，能夠較好地模擬摩擦邊界；在模型箱側(cè)壁設(shè)置聚苯乙烯泡沫邊界，對(duì)于Taft波和人工波，能夠較好地模擬柔性邊界；在側(cè)壁粘貼聚氯乙烯薄膜并涂潤(rùn)滑油，能在一定程度上模擬滑移邊界。蔡隆文等[14]以地鐵車(chē)站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為背景，借助有限元軟件對(duì)鋼土箱的厚度、剛度、內(nèi)襯材料等參數(shù)在柔性邊界、側(cè)向滑動(dòng)邊界和固定邊界中的邊界效應(yīng)影響方面進(jìn)行了對(duì)比分析。樓夢(mèng)麟等[15]結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析，認(rèn)為合理設(shè)置橡膠內(nèi)襯層能夠有效減小邊界效應(yīng)，但需要注意橡膠和土體彈模比的控制。

4.3 圍巖相似材料

在振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)圍巖和結(jié)構(gòu)相似材料研究方面，劉曉敏等[16]基于地下洞室群振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，確定采用鐵粉、重晶石粉和石英砂作為骨料，石膏作為膠凝材料，甘油作為調(diào)節(jié)劑的配比方案。鄒威等通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定膠砂比、石英砂含量、重晶石粉含量不同時(shí)相似材料的物理力學(xué)性能，確定了圍巖配比方案。李術(shù)才等[17]依托青島膠州灣海底隧道現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的流-固耦合相似理論，通過(guò)大量的配比試驗(yàn)研制出由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和適量拌和水組成的新型流-固耦合相似材料（SCVO）。他們認(rèn)為，材料強(qiáng)度和彈性模量主要由水泥和凡士林控制，黏聚力受凡士林影響，滲透系數(shù)由凡士林和硅油比例調(diào)節(jié)。張強(qiáng)勇等[18]利用單軸抗壓、劈裂和假三軸試驗(yàn)，以重晶石粉、鐵礦石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液為基本配比材料，經(jīng)過(guò)攪拌壓實(shí)制作出了膠結(jié)巖石相似材料。吳耀宗等[19]依托某引水隧道模型試驗(yàn)，以粉煤灰、河沙、機(jī)油、石英砂為基本配比材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到了不同材料配比下的材料物理力學(xué)性能。

5 存在的問(wèn)題

近幾年，由于世界范圍內(nèi)隧道震害案例增多，再加上高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)迅速發(fā)展，交叉隧道地震動(dòng)響應(yīng)特性引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。但是，對(duì)該領(lǐng)域的研究仍處于初步探索階段，尚未形成系統(tǒng)、成熟的理論體系，無(wú)法為交叉隧道抗震設(shè)計(jì)和震害處理提供可靠的參考依據(jù)。在探索過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其中存在的主要問(wèn)題有以下3點(diǎn)：①地下結(jié)構(gòu)，尤其是隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)尚不成熟，缺少科學(xué)、系統(tǒng)的試驗(yàn)方案；②模型箱邊界效應(yīng)控制、圍巖相似材料配比等仍是試驗(yàn)難點(diǎn)；③已有試驗(yàn)主要針對(duì)地鐵和公路單行隧道，尚未對(duì)空間立體交叉工況開(kāi)展研究。

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