斜交型立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)研究

雷 浩， 吳紅剛， 孟慶一， 何長江， 李德柱

(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730070； 3. 中鐵九局集團(tuán)有限公司大連分公司， 遼寧 大連 116031)

0 引言

由于受到圍巖的約束，在地震作用下隧道及地下工程的動(dòng)力響應(yīng)較其他結(jié)構(gòu)而言存在較大差異[1]。許多大地震發(fā)生后，對大量隧道結(jié)構(gòu)造成了不同程度的損壞，眾多學(xué)者對隧道工程在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題有不同的見解[2-4]。立體交叉隧道由于其特殊性，在地震荷載作用下同一時(shí)刻往往受到入射、反射、繞射等多種地震波的相互影響[5]，發(fā)生地震破壞時(shí)將會(huì)影響整條線路。因此，對立體交叉隧道在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究顯得尤為重要。

在隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能研究中，國內(nèi)外學(xué)者目前主要集中于單線隧道及地鐵隧道的動(dòng)力響應(yīng)[6-12]，而對于立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)研究較少，且研究手段以理論分析及數(shù)值模擬為主。在數(shù)值模擬方面，文獻(xiàn)[13-14]采用有限單元法和Newmark直接積分法分別研究了在淺埋及軟土地基中立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明立體交叉隧道中最大變形量及加速度都出現(xiàn)在上部隧道拱頂位置處； 朱正國等[15]對影響交叉隧道動(dòng)力響應(yīng)的不同因素進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬得到地震作用對交叉隧道影響敏感性大小依次為圍巖級別、隧道凈距和隧道埋深。在關(guān)于立體交叉隧道振動(dòng)臺試驗(yàn)方面，Chen等[16]采用石膏隧道模型對重疊隧道開展了大型的振動(dòng)臺試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明隧道模型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的峰值應(yīng)變和損傷程度沿高度呈“S”形分布，此外地震反應(yīng)在隧道各部位均表現(xiàn)出顯著的空間效應(yīng)； 牌立芳等[17]對立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了初步分析，得到了立體交叉下穿隧道的加速度和應(yīng)變響應(yīng)，研究結(jié)果表明隧道拱頂為地震荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)。

當(dāng)前對于立體交叉隧道的研究在理論分析及數(shù)值模擬方面較為廣泛，而開展試驗(yàn)較少，同時(shí)針對立體交叉隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性研究還未取得實(shí)質(zhì)性突破[18]。因此，為了研究立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)，通過大型振動(dòng)臺試驗(yàn)，在加載X單向及XZ雙向El-Centro波時(shí)，對斜交型立體隧道中上跨和下穿隧道及交叉區(qū)段坡體內(nèi)部加速度峰值的分布規(guī)律進(jìn)行研究，以期為此類立體交叉隧道的抗震設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

盤道嶺隧道[19]位于遼寧省丹東市振興區(qū)，全長4 870 m，為單線隧道，隧道內(nèi)埋深17～106 m； 草莓溝1#隧道位于遼寧省丹東市草莓溝村，全長3 205 m，為單洞雙線隧道，洞身最大埋深約105 m。草莓溝1#隧道在DK250+865～+915處上跨盤道嶺隧道，相交處軌面高差為14.19 m，結(jié)構(gòu)凈距為4.24 m，其交叉段空間位置如圖1所示。

圖1 立體交叉隧道示意圖

通過TRT6000超前地質(zhì)探測器來預(yù)測交叉影響區(qū)的地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)交叉區(qū)段圍巖主要由不同風(fēng)化程度的混合花崗巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎塊狀及塊狀。圍巖中的波速vs為1 000 m/s，vp為2 600 m/s，根據(jù)相關(guān)圍巖劃分標(biāo)準(zhǔn)交叉區(qū)段圍巖為Ⅳ級圍巖。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場地區(qū)域?qū)儆冖骷壔镜卣鹆叶确秶鷥?nèi)，可能發(fā)生破壞性地震。因此，對該場地進(jìn)行相應(yīng)的地震響應(yīng)模型試驗(yàn)是十分有必要的。

1.2 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

本次振動(dòng)臺試驗(yàn)綜合考慮隧道埋深、斷面尺寸及振動(dòng)臺尺寸等，并結(jié)合結(jié)構(gòu)在地震作用下應(yīng)考慮的相關(guān)參數(shù)，分別取長度、密度、彈性模量的相似參數(shù)Cl=1/50、Cρ=1/1.0、CE=1/30為基本參數(shù)。根據(jù)相似原理可以推導(dǎo)出其他相似關(guān)系[20]，具體推導(dǎo)如表1所示。

1.3 相似材料配比正交設(shè)計(jì)

對于圍巖相似材料的選擇，參考丁祖德等[21]對Ⅳ級圍巖相似材料的研究，并考慮實(shí)際材料的經(jīng)濟(jì)性及可行性，本次試驗(yàn)以Ⅳ級圍巖為例，材料主要選取水泥、粗砂、水、土等。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及室內(nèi)試驗(yàn)[22]，為了提高效率每次只進(jìn)行單一參量的改變，共設(shè)計(jì)了5組配比試驗(yàn)，具體配比及其力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 相似參數(shù)設(shè)計(jì)

表2 相似材料配比正交設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述正交試驗(yàn)及相似換算，可以看出方案4(水泥∶粗砂∶土∶水=0.5∶12∶5∶2)相似材料的變形模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及密度ρ等都滿足Ⅳ級圍巖的相似比； 另外采用石膏∶石英砂∶水=1∶1.5∶2來模擬隧道襯砌，其相似關(guān)系也都滿足相似設(shè)計(jì)。

1.4 模型設(shè)計(jì)

本次振動(dòng)臺試驗(yàn)在甘肅省地震局黃土地震工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室采用VPS-600ES-2雙向(X向、Z向)振動(dòng)臺，振動(dòng)臺尺寸為4 m×6 m，最大負(fù)荷量為250 kN，工作頻率為0.1～50.0 Hz，最大位移X向?yàn)?50 mm，Z向?yàn)?00 mm，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)臺系統(tǒng)

為了同時(shí)分析不同交叉形式立體隧道的響應(yīng)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為左右2幅，左幅為正交型立體交叉隧道，右幅為斜交型立體交叉隧道。本文僅對右幅斜交型立體交叉隧道進(jìn)行分析，左幅立體交叉隧道響應(yīng)將在其他文章進(jìn)行敘述。

試驗(yàn)中將隧道模型的初期支護(hù)與二次襯砌視作整體結(jié)構(gòu)(下文簡稱襯砌結(jié)構(gòu))，同時(shí)在隧道洞口兩端分別放置1層厚30 mm聚苯乙烯塑料泡沫板，用以消除箱體側(cè)壁的約束，以防隧道由于箱體原因而產(chǎn)生振動(dòng)。隧道模型如圖3(a)所示。

振動(dòng)臺模型箱是由有機(jī)玻璃、U型鋼及聚苯乙烯塑料泡沫板組成頂面敞開的可視化箱體，設(shè)計(jì)尺寸為2.8 m×1.4 m×1.8 m，如圖3(b)所示。為了減小試驗(yàn)中模型的邊界效應(yīng)，采取了以下措施： 1)在模型箱水平振動(dòng)方向兩側(cè)內(nèi)壁加1層50 mm厚的高強(qiáng)度聚苯乙烯塑料泡沫板以減小振動(dòng)波的反射； 2)為減少模型箱側(cè)壁摩擦，在試驗(yàn)箱兩側(cè)均勻涂抹凡士林并在箱底鋪設(shè)粗砂材料，將其處理成摩擦邊界，以減小箱底和土體的相對位移。經(jīng)過驗(yàn)證，模型箱的邊界效應(yīng)基本在可接受誤差范圍內(nèi)。布置完成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3(c)所示。兩隧道空間中以小角度斜交，交角為20°，根據(jù)幾何相似比1∶50，模型中兩隧道的凈間距為8 cm。為了便于敘述，下文將草莓溝1#隧道稱為上跨隧道，盤道嶺隧道稱為下穿隧道。

1.5 測試斷面及傳感器布置

本次試驗(yàn)主要研究模型箱右幅斜交型立體交叉隧道影響區(qū)段、圍巖及坡體內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)特性，所以主要在隧道拱頂及仰拱軸向、兩隧道交叉影響段及坡體內(nèi)部共布設(shè)16個(gè)加速度傳感器。具體加速度傳感器布設(shè)方式(見圖4)如下：

1)分別以上跨和下穿隧道交叉中線斷面的拱頂及仰拱為中心，沿軸向在中心及兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)加速度傳感器，其布設(shè)間距取30 cm(上跨及下穿隧道分別以SA和XA編號，且交叉中心斷面為Ⅰ、Ⅰ′，影響區(qū)段兩側(cè)斷面為Ⅱ、Ⅲ及Ⅱ′、Ⅲ′)。

2)在兩隧道交叉段中線位置沿豎向布置1個(gè)加速度傳感器，由于2隧道凈間距為8 cm，此處傳感器間距取4 cm。

3)在上跨隧道拱頂沿交叉中心斷面豎向布設(shè)2個(gè)加速度傳感器，下穿隧道仰拱底沿交叉中心斷面豎向布設(shè)1個(gè)加速度傳感器，為了與隧道交叉段形成對比，此處布設(shè)間取10 cm(交叉段及坡體內(nèi)部以PA編號)。

(a) 隧道模型

(a) 傳感器布置方式

1.6 加載工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中主要輸入的地震波為正弦波及El-Centro波，加載方向主要為X向(水平向)及XZ雙向耦合(水平-豎直雙向)。對其臺面所輸入的El-Centro波進(jìn)行0.5～40 Hz帶通濾波后，其地震波的加速度時(shí)程曲線如圖5所示。同時(shí)在試驗(yàn)開始前、結(jié)束后及每次改變輸入地震波幅值大小時(shí)，都輸入0.05g的正弦波進(jìn)行掃頻來測試系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)情況[23]。加載工況如圖6所示。

圖5 El-Centro波加速度時(shí)程曲線

圖6 地震波加載工況圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 X向加載時(shí)加速度峰值分析

2.1.1 上跨隧道加速度峰值分布

在加載X向El-Centro波時(shí)，為了對比隧道拱頂及仰拱軸向加速度在同一工況下的不同動(dòng)力響應(yīng)，將拱頂及仰拱結(jié)果繪制在同一圖中。其中下軸及上軸分別表示仰拱及拱頂?shù)臏y試斷面位置，而左軸及右軸分別為仰拱及拱頂?shù)募铀俣确逯捣植?，繪制其加速度峰值分布，如圖7所示。

圖7 X向上跨隧道加速度峰值分布

由圖7可知，上跨隧道軸向加速度峰值分布及變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性： 隨著加載工況的增大，各測試斷面位置處的加速度峰值隨之增大； 對于上跨隧道拱頂，交叉段中心Ⅰ號斷面處加速度峰值最大，影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ、Ⅲ號斷面加速度峰值基本相等，近似呈“拋物線”分布； 而對于上跨隧道仰拱，交叉段中心Ⅰ號斷面處加速度峰值減小，其大小依次為： Ⅱ號斷面<Ⅰ號斷面<Ⅲ號斷面，近似呈“斜直線”分布； 同時(shí)也可以看出，Ⅰ號斷面仰拱處加速度峰值明顯小于拱頂處，較其他2個(gè)斷面變化較大。以0.4gEl波工況為例，Ⅰ號斷面拱頂峰值加速度為仰拱處的1.43倍，而Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂峰值加速度分別為仰拱處的91%、95%。這是由于上跨隧道埋深較淺，拱頂對地震波的吸收較少，其加速度響應(yīng)較為強(qiáng)烈； 而隧道仰拱由于下穿隧道的存在，使土體擠壓，使仰拱處土體更為緊密，從而對地震波吸收明顯，使仰拱處的加速度有明顯減小。

為了更加明顯地表達(dá)不同工況下隧道拱頂及仰拱的變化趨勢，以0.1gEl波工況為基準(zhǔn)，分析其他工況下的加速度放大系數(shù)，其中0.1gEl波工況下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為2.33、0.79、0.84 m/s2(0.95、0.83、1.36 m/s2)，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，拱頂處各個(gè)斷面加速度峰值隨加載工況變化較為敏感，容易成為整條線路的抗震薄弱環(huán)節(jié)； 而仰拱處各個(gè)斷面的變化較為平穩(wěn)，且在0.2g～0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小，加速度放大系數(shù)最大為2.55，而在0.4g以后其放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增，最大達(dá)5.01。

由于交叉區(qū)段為重點(diǎn)研究對象，所以同時(shí)也分析了交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處(SA5測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度時(shí)程曲線，如圖9所示。通過時(shí)程曲線也可以看出，隨著加載El波幅值的增大，上跨隧道仰拱處加速度響應(yīng)越強(qiáng)烈。在加載0.1g～0.6gEl波時(shí)，其峰值加速度分別為0.95、1.78、2.39、3.06、4.75 m/s2，且加速度峰值基本出現(xiàn)在加載后20～40 s。

圖8 X向上跨隧道加速度峰值放大系數(shù)

(a) 0.05g正弦掃頻

2.1.2 下穿隧道加速度峰值分布

對下穿隧道拱頂及仰拱軸向加速度峰值進(jìn)行同樣分析，以上下橫軸為拱頂及仰拱的不同斷面位置，左右縱軸為加速度峰值，繪制其加速度峰值分布，如圖10所示。

圖10 X向下穿隧道加速度峰值分布

由圖10可知： 下穿隧道軸向加速度峰值分布也呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性： 隨著加載工況的增大，各測試斷面位置處的加速度峰值隨之增大；對于下穿隧道拱頂，交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最大，其次為影響區(qū)段Ⅲ′號斷面，Ⅱ′號斷面加速度峰值最小，且同一工況下不同斷面處的分布也近似呈“拋物線”分布； 對于下穿隧道仰拱，交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最小，影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ′、Ⅲ′號斷面處加速度峰值基本相等，且同一工況下不同斷面處加速度峰值變化不大； 這也說明在地震過程中受到圍巖等的擠壓， 隧道拱頂外側(cè)的振動(dòng)往往更劇烈，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂外側(cè)的抗震設(shè)計(jì)。

為了更加明顯地表達(dá)不同工況下隧道拱頂及仰拱的變化趨勢，以0.1gEl波工況為基準(zhǔn)，分析其他工況下的加速度放大系數(shù)，其中0.1gEl波工況下Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為3.94、0.78、0.94 m/s2(0.77、0.93、0.90 m/s2)，結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出，交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處加速度峰值變化基本不大，各工況下其放大系數(shù)在1.0附近徘徊，這是由于結(jié)構(gòu)模型在試驗(yàn)過程中逐漸產(chǎn)生損傷，剛度降低，變形能力增強(qiáng)，耗能能力增強(qiáng)，使得其加速度放大系數(shù)相對較低。

同時(shí)也分析了交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處(XA2測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度時(shí)程曲線，如圖12所示。通過時(shí)程曲線也可以看出，隨著加載El波幅值的增大，下穿隧道拱頂處加速度響應(yīng)變化較為平穩(wěn)。在加載0.1g～0.6gEl波時(shí)，其峰值加速度分別為4.04、3.94、4.02、4.12、4.20 m/s2且加速度峰值基本出現(xiàn)在加載后20～40 s。

圖11 X向下穿隧道加速度峰值放大系數(shù)

2.1.3 坡體內(nèi)部加速度峰值分布

為了對比坡體內(nèi)部有無隧道部位加速度響應(yīng)的異同，沿隧道交叉段豎向中線位置進(jìn)行分析，即坡體內(nèi)部豎向中心線PA1～PA4測點(diǎn)。其加速度峰值分布如圖13所示。

由圖13可知，坡體內(nèi)部各測點(diǎn)(除兩隧道交叉中心段測點(diǎn)PA3外)加速度峰值沿高程存在放大效應(yīng)； 且在同一工況下，交叉中心段測點(diǎn)PA3的加速度峰值均大于坡體其他部位； 同時(shí)可以看出在輸入El波峰值為0.1g～0.3g時(shí)，其放大效應(yīng)不明顯，而在0.3g以后，其沿高程放大效應(yīng)較為明顯； 以PA4測點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在工況0.4g及0.6g時(shí)，可以得出PA2及PA1測點(diǎn)加速度放大系數(shù)分別為1.05、1.16及1.07、1.23，即加速度放大系數(shù)在坡底處較小，而在坡頂處較大。

(a) 0.05g正弦掃頻

2.2 XZ耦合雙向加載時(shí)加速度峰值分析

2.2.1 上跨隧道加速度峰值分布

在加載XZ耦合雙向El-Centro波時(shí)，上跨隧道軸向加速度峰值分布如圖14所示。

XZ雙向耦合加載時(shí)上跨隧道軸向加速度峰值分布及變化與X向加載時(shí)的規(guī)律性基本相似： 上跨隧道拱頂處加速度峰值近似呈“拋物線”分布； 仰拱處加速度峰值在同一工況下由Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ號斷面逐漸增加，近似呈“斜直線”分布。另外可以看出，交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處加速度峰值明顯小于拱頂處，且在各工況下同一斷面測點(diǎn)處其加速度峰值都大于X向加載。

同理，以0.1gEl波工況為基準(zhǔn)，分析其他工況下的加速度放大系數(shù)，其中0.1gEl波工況下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為3.81、0.63、0.86 m/s2(1.05、0.92、1.92 m/s2)，結(jié)果如圖15所示。

圖13 X向坡體內(nèi)部加速度峰值及其放大系數(shù)分布

圖14 XZ向上跨隧道軸向加速度峰值分布

圖15 XZ向上跨隧道加速度峰值放大系數(shù)

由圖15可以看出，各工況下Ⅰ號斷面拱頂處的加速度放大系數(shù)最小，而其次隧道仰拱處，從地震波傳遞的角度來考慮，由于結(jié)構(gòu)地震作用是由模型箱底部傳遞到隧道仰拱—拱頂， 這也是導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一。且在0.2g～0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小，加速度放大系數(shù)最大為3.33； 而在0.4g以后其加速度放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增，最大達(dá)到6.93。

為了能夠更加詳細(xì)地表現(xiàn)El波在XZ耦合雙向加載時(shí)加速度的動(dòng)力響應(yīng)，對交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處(SA5測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度峰值進(jìn)行了分析，如表3所示。由表3可以看出，隨著加載El波幅值的增大，上跨隧道仰拱處加速度響應(yīng)也越強(qiáng)烈。在加載0.1g～0.6gEl波時(shí)，其峰值加速度分別為1.05、2.33、3.29、4.39、6.85 m/s2，且峰值加速度基本出現(xiàn)在加載后20～50 s。

表3 XZ向上跨隧道仰拱處(SA5測點(diǎn))加速度峰值

2.2.2 下穿隧道加速度峰值分布

在加載XZ耦合雙向El-Centro波時(shí)，下穿隧道具體加速度峰值分布如圖16所示。

由圖16可知，在XZ雙向加載時(shí)，下穿隧道軸向加速度峰值分布與X單向加載時(shí)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律： 對于下穿隧道拱頂，交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最大，其次為影響區(qū)段Ⅱ′號、Ⅲ′號斷面，且同一工況下不同斷面處的分布也近似呈“拋物線”分布； 而對于下穿隧道仰拱，交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最小，影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ′、Ⅲ′號斷面處加速度峰值基本相等，且同一工況下不同斷面處加速度峰值變化不大； 在0.1g～0.4g工況下，各斷面拱頂處的加速度峰值均大于仰拱，而在0.4g～0.6g工況下，Ⅱ′及Ⅲ′斷面拱頂處的加速度峰值小于仰拱。

以0.1gEl波工況為基準(zhǔn)，分析其他工況下的加速度放大系數(shù)，其中0.1gEl波工況下Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為5.94、0.84、1.18 m/s2(0.96、1.04、0.97 m/s2)，結(jié)果如圖17所示。

圖16 XZ向下穿隧道軸向加速度峰值分布

圖17 XZ向下穿隧道加速度峰值放大系數(shù)

由圖17可以看出，各工況下各斷面測點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，其加速度放大系數(shù)由大至小依次為： Ⅱ′號拱頂>Ⅲ′號仰拱>Ⅱ′號仰拱>Ⅰ′號仰拱>Ⅲ′號拱頂>Ⅰ′號拱頂； 且在0.2g～0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小，加速度放大系數(shù)最大僅為3.30，而在0.4g以后其加速度放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增，最大達(dá)到了7.02。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是： 地震響應(yīng)的增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度減小，致使其對隧道的作用有所增大，從而導(dǎo)致峰值加速度響應(yīng)突變。

為了能夠更加詳細(xì)地表現(xiàn)El波在XZ耦合雙向加載時(shí)加速度的動(dòng)力響應(yīng)，對交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處(XA2測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度峰值進(jìn)行了分析，如表4所示。由表4可以看出，隨著加載El波幅值的增大，下穿隧道拱頂處加速度響應(yīng)變化不大； 在加載0.1g～0.6gEl波時(shí)，其峰值加速度分別為5.90、5.94、5.86、5.97、6.00 m/s2，且峰值加速度基本出現(xiàn)在加載后30～40 s。

表4 XZ向下穿隧道拱頂處(XA2測點(diǎn))加速度峰值

2.2.3 坡體內(nèi)部加速度峰值分布

為了對比坡體內(nèi)部有無隧道部位加速度響應(yīng)的異同，對隧道交叉段豎向中線位置進(jìn)行分析，即坡體內(nèi)部豎向中心線PA1～PA4測點(diǎn)。其加速度峰值分布如圖18所示。

圖18 XZ向坡體內(nèi)部加速度峰值及其放大系數(shù)分布

由圖18可知，坡體內(nèi)部各測點(diǎn)(除在工況0.2gEl波外)加速度峰值沿高程存在放大效應(yīng)； 在輸入El波峰值較小時(shí)，其放大效應(yīng)不明顯，而在工況0.4g～0.6gEl波時(shí)，其放大效應(yīng)較為明顯； 以PA4測點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在工況0.4g及0.6g時(shí)，可以得出PA3、PA2、PA1測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.01、1.05、1.10及1.02、1.05、1.12倍。加速度放大系數(shù)在埋深較淺處較大，與高峰等[24]在研究不同埋深單一隧道的地震響應(yīng)時(shí)，所得出加速度放大系數(shù)隨著埋深的增大逐漸減小的理論相吻合。同時(shí)也可以看出，坡體內(nèi)部在XZ向加載時(shí)各工況下加速度響應(yīng)均大于X單向加載時(shí)。

2.3 不同的加載方式下加速度響應(yīng)的異同

為了探究不同加載方式下隧道主要位置(拱頂及仰拱)的響應(yīng)特征，選取斷面Ⅰ及Ⅰ′的拱頂、仰拱及交叉段的典型測點(diǎn)SA2、SA5、PA3、XA2、XA5對由于加載方向不同而帶來的差異性進(jìn)行分析。具體如圖19所示。

圖19 不同加載方式下隧道各位置的加速度響應(yīng)

由圖19可以看出，在加載X單向及XZ雙向El波時(shí)，立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致： 在隧道的拱頂處其加速度響應(yīng)較大，且下穿隧道拱頂由于疊加效應(yīng)，其地震響應(yīng)最大； 而仰拱處的加速度響應(yīng)相較于拱頂較小，且下穿隧道仰拱由于圍巖對地震波的吸收作用較強(qiáng)，其加速度峰值最小。由此表明，立體交叉隧道拱頂?shù)卣痦憫?yīng)較為強(qiáng)烈，易成為立體交叉隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。

為了更加清晰地表達(dá)加載X單向及XZ向時(shí)測點(diǎn)加速度響應(yīng)的異同，提取出0.1g～0.6g工況下各測點(diǎn)的加速度峰值，并定義加速度比率

(1)

式中：axz為xz方向加載；ax為x方向加載。

即在同一工況下加載XZ雙向與X單向地震波時(shí)測點(diǎn)加速度峰值的比值，計(jì)算出各工況下Δa的值如表5所示。

表5 同一工況下隧道各位置的加速度比率

由表5可知，在加載XZ雙向地震波時(shí)，其同一測點(diǎn)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)相較于只加載X單向時(shí)也顯著增加； 在0.1g～0.3g時(shí)這種增長現(xiàn)象較為緩慢，而在0.4g～0.6g時(shí)變化幅度較大。以SA5為例，在加載0.1g～0.6g X向及XZ向地震波時(shí)其加速度峰值分別為0.95、1.78、2.42、3.10、4.75m/s2及1.05、2.33、3.29、4.39、6.85m/s2，對應(yīng)加速度比率Δa分別為1.10、1.30、1.35、1.42、1.44，表明XZ雙向耦合高地震烈度El波對于立體交叉隧道結(jié)構(gòu)更為敏感。

此外，由表5還可以看出立體交叉隧道仰拱處的加速度比率Δa基本都大于拱頂處，說明地震波加載方向的改變對仰拱處地震響應(yīng)產(chǎn)生更大的影響，而坡體內(nèi)部加速度響應(yīng)受到地震波加載方向的影響相對較小。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

通過立體交叉隧道振動(dòng)臺試驗(yàn)，分別研究了加載X單向及XZ雙向El波時(shí)，上跨和下穿隧道及交叉區(qū)段坡體內(nèi)部加速度峰值的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)上跨隧道拱頂加速度峰值在交叉段中心斷面處最大，影響區(qū)段兩側(cè)斷面加速度峰值基本相等，呈現(xiàn)出“拋物線”分布，表明拱頂易成為立體交叉隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)； 由于下穿隧道的存在限制了上跨隧道仰拱處的變形，對上跨隧道仰拱交叉段中心斷面處地震響應(yīng)有明顯的削弱作用。

2)對于立體交叉隧道工程而言，拱頂破壞模式表現(xiàn)為交叉區(qū)段中心斷面—影響區(qū)段兩側(cè)斷面的傳遞演化形式，而仰拱的地震響應(yīng)正好與之相反，即影響區(qū)段兩側(cè)斷面>交叉區(qū)段中心斷面。

3)由于立體交叉隧道在地震波作用下兩隧道之間往往會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射及折射現(xiàn)象，坡體內(nèi)部交叉中心段的加速度響應(yīng)存在疊加效應(yīng)，表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。同時(shí)坡體內(nèi)部各測點(diǎn)加速度峰值沿高程存在著放大效應(yīng)，且加速度放大系數(shù)隨著測點(diǎn)埋深的增大而逐漸減小。

4)在輸入XZ雙向El波時(shí)，其同一測點(diǎn)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)相較于只加載X單向時(shí)較為顯著，且在0.1g～0.3g時(shí)這種增長現(xiàn)象較為緩慢，而在0.4g～0.6g時(shí)變化幅度較大。此外，地震波加載方向的改變對仰拱處地震響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更大的影響。

3.2 建議

目前僅對斜交型立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了初步探索，后續(xù)針對正交型立體交叉隧道的研究及2種不同交叉形式差異的動(dòng)力響應(yīng)還有待更進(jìn)一步研究。