空間小凈距交叉隧道動力響應(yīng)振動臺試驗研究

雷 浩， 吳紅剛， 錢建固， 賴天文， 紀志陽， 梁 彧

(1.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

立體交叉隧道因其受地形及選線限制小，同時具有良好的經(jīng)濟效益和施工條件而被廣泛應(yīng)用。如丹大鐵路前陽至莊河段出現(xiàn)“立體交叉隧道群”，既有及擬建鐵路與鐵路、公路與公路、鐵路與公路隧道交叉多達11處[1]。立體交叉隧道相較于單洞隧道而言，具有隧道間穿越風(fēng)險大、多重效應(yīng)耦合明顯、環(huán)境效應(yīng)多次疊加、變形難以控制等特點[2]。

以往在對立體交叉隧道的研究中，學(xué)者們主要對交叉隧道的施工力學(xué)特性進行了討論，且已在力學(xué)特性分布、加固技術(shù)及監(jiān)控量測等靜力學(xué)方面取得了豐碩的研究成果[3-5]。而立體交叉隧道在動力學(xué)方面的研究起步較晚，目前主要集中在爆破影響、列車荷載及地震響應(yīng)等方面：Lai等[6-8]采用爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)值模型來監(jiān)測新建隧道施工爆破振動對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響；王海龍等[9-10]對交叉隧道在列車激勵及軸重荷載作用下的影響規(guī)律進行了研究。對于立體交叉隧道在地震方面的研究，王國波等[11-12]通過對大量近距離相互穿越隧道工程的地震響應(yīng)歸納整理，總結(jié)分析不同結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)特點和后期研究重點方向；Chen等[13-15]通過不同數(shù)值軟件建立三維模型分別對盾構(gòu)地鐵隧道及連拱隧道進行動力模擬，結(jié)果表明在地震荷載作用下隧道之間存在相互影響作用，同時也開展振動臺試驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對于立體交叉隧道的研究多集中于施工力學(xué)方面，在動力學(xué)方面的研究也以爆破及列車等動荷載為主。但有研究表明地震荷載對土-結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動力影響相較其余兩種動荷載來說更為復(fù)雜，且所誘發(fā)的破壞也更為嚴重[16]。同時，由于地震荷載的未知性和不可控性，導(dǎo)致立體交叉隧道的震害風(fēng)險更加難以預(yù)測和控制。目前，采用模型試驗對立體交叉隧道的地震響應(yīng)研究較少，Lei等[17]及Liu等[18-19]開展振動臺試驗對立體交叉隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性進行初步探討及分析。同時對立體交叉隧道動力學(xué)中地震波頻譜特性的研究也較少。

鑒于此，為研究立體隧道在地震荷載作用下的動力響應(yīng)及其頻譜特性，以某空間小凈距立體隧道工程為對象，通過振動臺試驗對隧道的應(yīng)變及圍巖的加速度等動力響應(yīng)進行分析。同時引入反應(yīng)譜理論對結(jié)構(gòu)動力與地震動之間的關(guān)系進行了研究，研究結(jié)果以期為此類空間交叉隧道的抗震設(shè)計提供相應(yīng)理論參考。

1 試驗工點概況

本次振動臺試驗以遼寧省某立體交叉隧道群為工程背景，選取某鐵路隧道上跨公路隧道為研究對象，兩隧道相交處軌面高差為14.19 m，交叉影響段隧道埋深約為65 m，兩隧道結(jié)構(gòu)凈距為4.24 m，為空間斜交型立體隧道，空間位置如圖1所示。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[20]及JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[21]所規(guī)定的隧道近接交叉施工相互影響范圍及分類可知，兩隧道凈距為4.24 m<1.0B(B為洞寬，取10 m)，處于需采取相關(guān)措施的范圍內(nèi)，屬于超小凈距立體交叉隧道。

圖1 立體交叉隧道空間位置Fig.1 Schematic diagram of spatial location of overlapped tunnel

通過前期勘探及超前地質(zhì)預(yù)報表明，隧道交叉區(qū)段巖層主要以混合花崗巖為主，交叉段地質(zhì)探測圍巖波速Vs為1 000 m/s，Vp為2 600 m/s，查閱規(guī)范表明交叉區(qū)段圍巖為IV級圍巖，場地區(qū)處于VII級(地震波峰值為0.15g)地震基本烈度范圍內(nèi)。

2 振動臺模型試驗設(shè)計

隧址區(qū)有多處交叉近接工程，為了充分研究空間交叉隧道的動力響應(yīng)，在綜合考慮隧道位置、埋深及斷面尺寸后，選取具有典型代表性的正交型及斜交型立體隧道為研究對象。試驗設(shè)計左幅為正交型立體隧道，右幅為斜交型立體隧道，如圖2所示。因斜交型空間立體隧道凈間距較小、圍巖條件較差，在立體交叉隧道工程中具有較強的代表性，故本文主要研究右幅空間斜交型立體隧道的動力響應(yīng)。

圖2 模型示意圖(m)Fig.2 Model diagram (m)

2.1 相似關(guān)系及模型材料設(shè)計

根據(jù)立體交叉隧道的動力相互作用及系統(tǒng)組成，并綜合考慮試驗條件，最終選取幾何相似比CL=1/50、密度相似比Cρ=1及彈性模量相似比CE=1/30為基礎(chǔ)控制參數(shù)。基于Buckingham π相似定理[22]，推導(dǎo)出其余參數(shù)相似關(guān)系和相似比分別為

CH=CD=CL=1/50

(1)

Cσ=Cc=CE=1/30

(2)

Cφ=Cμ=Cε=Cρ=1

(3)

式中：ρ為密度;H為隧道埋深;D為隧道洞寬;L為模型長度;σ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變;E為彈性模量;φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;μ為泊松比。

試驗中選?、艏墖鷰r為研究對象，選擇水泥、粗砂、土、石膏、石英砂及水等來制作模型材料，并按照相似關(guān)系對混合材料進行相關(guān)室內(nèi)試驗，最終測得圍巖及隧道襯砌相關(guān)參數(shù)如表1所示。根據(jù)相似比換算，各參數(shù)基本滿足規(guī)范對Ⅳ級圍巖的要求。

表1 原型及模型物理力學(xué)參數(shù)對比[23]Tab.1 Comparison of physical and mechanical parameters between prototype and model[23]

2.2 測試元件布設(shè)

為了研究立體交叉隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)并對比有無隧道交叉段/非交叉段圍巖周圍的動力響應(yīng)，試驗中主要在隧道結(jié)構(gòu)的典型位置布置相應(yīng)動應(yīng)變片，并在坡體內(nèi)部布置若干加速度傳感器，如圖3所示。其中，上跨(下穿)隧道動應(yīng)變計編號為S1～S6(X1～X6)，坡體內(nèi)部非交叉段加速度傳感器編號為PA1～PA8，交叉段加速度傳感器編號為TA1～TA8。其中，II(II’)為交叉斷面，I及III(I’及III’)為兩側(cè)影響區(qū)斷面。

(a) 動態(tài)應(yīng)變片

(b) 加速度傳感器圖3 測試元件布置(mm)Fig.3 Test element arrangement (mm)

試驗中采用三相電容式加速度傳感器，靈敏度為680 mV/g，測量范圍為±2g，尺寸為13 mm × 15 mm × 8 mm。動應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為2.0～2.2，溫度容許范圍為-30～80 ℃，其尺寸為15.5 mm×5.0 mm。為了防止溫度及導(dǎo)線長度對輸出應(yīng)變信號產(chǎn)生影響，因此對應(yīng)變片進行補償以減小誤差，如圖4所示。

圖4 動應(yīng)變片補償Fig.4 Dynamic strain gauge compensation

2.3 邊界處理及模型填筑

試驗中采用振動臺系統(tǒng)所配套的剛性模型箱，考慮到模型箱邊界效應(yīng)會影響試驗結(jié)果，在試驗中采取以下措施減小邊界效應(yīng)：①在模型箱水平振動方向設(shè)置一層50 mm厚的高強度聚苯乙烯塑料泡沫板，以模擬截斷介質(zhì)土體對有限域土體介質(zhì)的彈性支持作用[24]；②為了減少模型箱側(cè)壁及箱底的摩擦，試驗箱兩側(cè)均勻涂抹凡士林并在箱底鋪設(shè)粗砂碎石材料，將其處理成摩擦邊界；③為了防止結(jié)構(gòu)受模型箱的影響而產(chǎn)生振動，在隧道兩端洞口分別放置一層聚苯乙烯塑料泡沫板，減小振動波的反射。通過分析比較不同測點在同一工況下相應(yīng)的加速度時程及傅里葉譜曲線，發(fā)現(xiàn)其曲線形式、頻譜成分組成及幅值都較為相似，說明采用泡沫板的效果較為理想，能減少邊界上部分地震波的散射與折射[25]，使地震波具有良好的保真性。

在右幅立體交叉隧道中，兩隧道在空間中以小角度相交，交角為20°，根據(jù)隧道埋置深度及相似關(guān)系(1∶50)，模型中上跨隧道埋深為100 cm，下穿隧道埋深為92 cm，兩隧道凈間距為8 cm(原型為4.24 m)。下穿隧道斜向放置，上跨隧道沿模型箱縱向放置，試驗中上跨隧道可見。圍巖相似材料采用分層填筑，每一層填筑完成時選取不同位置處圍巖相似材料，對其密度及含水率進行復(fù)測以保證土體參數(shù)由上至下的一致性；在填筑至指定位置后埋設(shè)相應(yīng)的傳感器，模型填筑過程具體步驟如圖5所示。

(a) 隧道埋置

(b) 分層填筑

(c) 傳感器埋設(shè)

(d) 模型完成圖5 模型填筑過程Fig.5 Model filling process

2.4 加載制度設(shè)計

試驗中主要輸入的地震波為水平向(X向)El-Centro波，地震波峰值加速度為0.1g時其時程曲線及傅里葉譜如圖6所示。

(a) 加速度時程

(b) 傅里葉譜圖6 El-Centro波時程曲線及傅里葉頻譜圖Fig.6 Time-history and Fourier spectrum of El-Centro wave

表2 地震波加載順序Tab.2 Loading sequence of seismic wave

3 振動臺試驗結(jié)果分析

3.1 隧道動應(yīng)變響應(yīng)

為探究交叉隧道應(yīng)變響應(yīng)的分布規(guī)律，對上跨及下穿隧道軸向的應(yīng)變峰值及其時程曲線進行了分析。

3.1.1 應(yīng)變峰值

圖7為上跨隧道各測點在不同地震荷載作用下的應(yīng)變峰值。一般在均勻地震動激勵下，隧道縱向各測點的動力響應(yīng)在理論上應(yīng)該是相同的[27]，但試驗測試結(jié)果卻表現(xiàn)出較大差異。隨輸入地震波峰值的增大，上跨隧道的拱頂及仰拱軸向應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的非線性增長特點。在較小地震荷載作用下(0.1g～0.2g)，上跨隧道的軸向應(yīng)變響應(yīng)大小分布規(guī)律基本呈“交叉斷面→兩側(cè)影響區(qū)斷面”演化，即S2測點的應(yīng)變峰值均大于S1及S3測點。而當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯党^一定界限時(0.4g)，隧道結(jié)構(gòu)以“影響區(qū)斷面→交叉斷面→影響區(qū)斷面”的形式產(chǎn)生震害破壞，即S2測點的應(yīng)變峰值均小于S1及S3測點。

圖7 上跨隧道應(yīng)變峰值分布規(guī)律Fig.7 Peak strain distribution of the upper-span tunnel

圖8為下穿隧道各測點在不同地震荷載作用下的應(yīng)變峰值。下穿隧道拱頂各測點應(yīng)變峰值隨輸入地震波峰值的增加，呈先增大后減小的趨勢，并最終保持穩(wěn)定；隧道拱頂軸向應(yīng)變峰值在交叉斷面II處均大于其余兩側(cè)斷面，這說明地震波由于其空間效應(yīng)及傳播特性在拱頂處產(chǎn)生應(yīng)變的“疊加效應(yīng)”，導(dǎo)致該點的地震響應(yīng)較大，易成為抗震環(huán)節(jié)中的薄弱區(qū)。仰拱斷面II’的應(yīng)變峰值未出現(xiàn)明顯的增長規(guī)律，交叉斷面X5測點的應(yīng)變峰值在加載過程中基本保持不變。這也說明在地震荷載作用下隧道仰拱具有良好的穩(wěn)定性，這個現(xiàn)象在胡建平等[28]采用數(shù)值模擬分析的結(jié)果中也有所體現(xiàn)。而X6測點的應(yīng)變響應(yīng)表現(xiàn)有所不同，其隨加載地震波峰值的增大開始緩慢增加隨后劇烈增加，在0.6g時達到最大為46.62 με。

圖8 下穿隧道應(yīng)變峰值分布規(guī)律Fig.8 Peak strain distribution of the under-crossing tunnel

將兩隧道I～III(I’～III’)斷面沿軸向動應(yīng)變峰值提取出來，如圖9所示。圖中左幅為上跨隧道軸向應(yīng)變峰值結(jié)果，右幅為下穿隧道軸向應(yīng)變峰值結(jié)果；上X軸及右Y軸為拱頂動應(yīng)變峰值，下X軸及左Y軸為仰拱動應(yīng)變峰值。

圖9 軸向應(yīng)變響應(yīng)對比圖Fig.9 Comparison diagram of axial strain response

由圖9可以看出，拱頂及仰拱軸向應(yīng)變峰值隨地震波峰值的變化而產(chǎn)生的規(guī)律較為相似，但上跨隧道的應(yīng)變動力響應(yīng)整體大于下穿隧道。其原因是在地震過程中由于上部土體的擠壓導(dǎo)致其更容易發(fā)生變形，同時由于上跨隧道的影響及圍巖的擠密效應(yīng)，減弱地震波對于下穿隧道的沖擊，對其地震響應(yīng)有一定的削弱作用。此外，在斷面III處，即S3和S6處出現(xiàn)“鋸齒狀”分布，且在仰拱處表現(xiàn)的更為明顯；同樣的現(xiàn)象在X6所在的斷面III’處也有所體現(xiàn)，這說明靠近河側(cè)及臨空面的斷面(III及III’)在地震荷載作用下應(yīng)變動力響應(yīng)較為強烈，表明應(yīng)變動力響應(yīng)沿水平向具有顯著的“趨表特性”，即沿著臨空面方向其放大效應(yīng)逐漸增大，易成為隧道結(jié)構(gòu)潛在的破壞區(qū)。

3.1.2 時程曲線

圖10為0.6gEl-Centro波作用下各測點的應(yīng)變時程曲線。上跨隧道軸向測點時程曲線的波形基本表現(xiàn)一致；而下穿隧道軸向測點時程曲線的波形表現(xiàn)出明顯的差異性。同時，下穿隧道的應(yīng)變響應(yīng)基本都小于上跨隧道，這也表明了在強震作用下上跨隧道襯砌更易產(chǎn)生損傷甚至?xí)l(fā)生破壞。

(a) 交叉段

(b) 下穿隧道圖10 隧道應(yīng)變時程曲線Fig.10 Time-history of strain curve of tunnels

上跨隧道各測點達到峰值的時間基本維持在35 s左右，而下穿隧道各測點出現(xiàn)了峰值滯后現(xiàn)象，其達到峰值的時間基本在37 s左右。這是由于在地震波傳播過程中，隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的阻尼發(fā)揮了作用，延緩了地震波達到峰值的時間，同時在這個過程中上跨隧道及圍巖也吸收了部分能量，導(dǎo)致下穿隧道所受到的地震響應(yīng)相對較小。因此在高烈度地震區(qū)的立體交叉隧道工程中，其上跨隧道可能會更早出現(xiàn)破壞且破壞也更為嚴重。這也說明在地震荷載累積作用下，地震波傳遞過程中在隧道不同位置處的能量損耗程度不同，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞具有一定的“滯后性”，這也應(yīng)是將來立體交叉隧道抗震設(shè)計所關(guān)注的重點問題。

3.2 模型加速度響應(yīng)

為研究立體交叉隧道受空間位置影響，從而導(dǎo)致地震波在圍巖中傳播特性的改變，對坡體內(nèi)部交叉段及非交叉段的加速度響應(yīng)進行分析。采用加速度放大系數(shù)來研究圍巖的動力響應(yīng)，PGA(peak ground acceleration)放大系數(shù)定義為各測點的實測加速度峰值與臺面輸入加速度峰值的比值。坡體內(nèi)部交叉段及非交叉段的PGA放大系數(shù)結(jié)果如圖11所示。

(a) 上跨隧道

(b) 非交叉段圖11 坡體內(nèi)部圍巖的PGA放大系數(shù)Fig.11 PGA amplification factor of surrounding rock in slope

由圖11可知，交叉段與非交叉段各測點的加速度響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。隨著輸入地震波峰值的增大，非交叉段PA1～PA8各測點的PGA放大系數(shù)隨之增大；交叉段除TA6測點外其余各測點的放大系數(shù)也隨之增大。對于交叉段TA6測點，在輸入地震波加速度峰值為0.4g～0.6g時，其加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢。葉帥華等[29]對黃土邊坡大型振動臺模型試驗研究中也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律，這是由于隨著圍巖內(nèi)部累積損傷逐漸增大，消耗部分地震能量，使圍巖的濾波效應(yīng)更加明顯，阻礙地震波在豎向的傳播能力，因而明顯削弱加速度放大效應(yīng)。此外，由于加速度放大效應(yīng)一般由圍巖的自振頻率與地震波的主頻相近程度來確定，當(dāng)頻率接近時，放大效應(yīng)越明顯，反之放大效應(yīng)越弱甚至響應(yīng)會出現(xiàn)衰減[30]。

在靠近上跨隧道拱頂處，非交叉段(PA2及PA3測點)的PGA放大效應(yīng)相較于交叉段(TA2及TA3測點)更為明顯。而越靠近模型箱底部，交叉段處(TA5及TA6測點)的PGA放大效應(yīng)出現(xiàn)突增，其PGA放大系數(shù)遠遠大于非交叉段。以交叉段TA6測點及非交叉段PA6為例進行說明，其在0.1g～0.6g地震波作用下PGA放大系數(shù)分別為2.47、2.16、2.97、3.35、4.30及0.74、1.15、1.21、1.36、1.94。分析其原因是由于上跨隧道及下穿隧道的存在，使交叉段的加速度響應(yīng)出現(xiàn)空間耦合疊加效應(yīng)，導(dǎo)致交叉段的加速度響應(yīng)異常增大，因此交叉段可能會成為全線的薄弱區(qū)段?？傮w來看，由模型箱底部至坡頂其加速度放大效應(yīng)基本都表現(xiàn)出增大→減小→增大→減小，出現(xiàn)兩次峰值。但交叉段與非交叉段PGA放大效應(yīng)的峰值出現(xiàn)位置不同，交叉段的加速度響應(yīng)在靠近下穿隧道拱頂處(TA6)最為強烈，而非交叉段的加速度響應(yīng)在靠近上跨隧道拱頂處(PA3)最為明顯，同時TA6的地震響應(yīng)也明顯大于PA3處。這也與上述動應(yīng)變在上跨隧道拱頂、仰拱及下穿隧道拱頂處響應(yīng)較為強烈相吻合。由此也表明除交叉段薄弱環(huán)節(jié)外，上跨隧道拱頂處圍巖對地震波的敏感性強，也應(yīng)該成為抗震過程中需要重點關(guān)注的部位。

3.3 反應(yīng)譜響應(yīng)特性

在振動臺模型試驗中所監(jiān)測數(shù)據(jù)一般是各測點信號的峰值或時程曲線，但地震波的頻譜特征及其動力損傷機制并不能從原始監(jiān)測數(shù)據(jù)中準確地表達出來。因此，有必要引入相關(guān)手段來分析地震波譜特性對隧道及圍巖動力響應(yīng)的影響。地震反應(yīng)譜理論(位移譜、加速度譜、速度譜)考慮地震動與結(jié)構(gòu)之間的動力關(guān)系及影響，并能表征結(jié)構(gòu)的自振頻率(周期)，在評價結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)過程中被廣泛應(yīng)用[31]。在動力反應(yīng)譜分析中，模型測點處的圍巖材料一般被視為剛體單元，這樣所獲得的動力響應(yīng)譜能夠反映隧道不同位置土體單元在給定地震波激勵過程中的最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)隨測點周期變化的規(guī)律，具有較大工程意義[32]。

地下結(jié)構(gòu)在地震過程中主要受周圍地層的影響，其破壞來自周圍土體的變形。因此，隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更應(yīng)關(guān)注圍巖的變形特征。以0.1g(弱震)、0.4g(中震)及0.6g(強震)工況為例，并選取具有典型代表性的交叉段TA3-T7測點作為研究對象進行位移反應(yīng)譜分析。需要說明的是，計算過程中按照工程中常用的5%阻尼比進行處理。不同加速度峰值El-Centro波作用下，各測點的位移反應(yīng)譜如圖12所示。

(a) 0.1g

(b) 0.4g

(c) 0.6g圖12 不同測點位移譜分布圖Fig.12 Displacement response spectrum distribution of different measuring points

由圖12可得，在不同地震荷載作用下交叉中心斷面各測點位移反應(yīng)譜分布規(guī)律具有明顯的異同性。隨著輸入地震波幅值的增大，各測點位移反應(yīng)譜也隨之增大；同時也可以發(fā)現(xiàn)，除坡體內(nèi)交叉段TA5測點外，其余各測點的反應(yīng)譜特性曲線沿高程方向有明顯的放大效應(yīng)。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隧道間地震波的折射和反射，在空間上會產(chǎn)生反應(yīng)譜的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致交叉段位移譜振幅異常增大。

在0.1g地震波作用下，各測點位移譜幅值基本都小于1.3 cm，圍巖變形位移較小，表明此時圍巖及隧道并未產(chǎn)生明顯的損傷和破壞。在0.4g地震波作用下，最大位移譜幅值出現(xiàn)在坡體內(nèi)交叉段TA5測點，為2.55 cm，表明此時交叉段已產(chǎn)生損傷，局部圍巖可能出現(xiàn)變形或產(chǎn)生裂縫。而在0.6g地震波作用下，最大位移譜幅值已達到6.47 cm，這也說明隨著地震荷載的增大，圍巖的內(nèi)部累積損傷增大，地震能被逐漸消耗，圍巖的剛度減小，模型已產(chǎn)生較大變形。以TA3測點為例，在0.1g、0.4g及0.6g地震波載荷下的位移反應(yīng)譜幅值分別為1.29 cm、2.42 cm及6.47 cm，后者分別是前者的1.87倍及2.67倍；這表明在0.4g～0.6g加載階段圍巖的損傷速率大于0.1g～0.4g階段，這可能是由于在后一加載過程圍巖應(yīng)力強度因子幅值增大至其斷裂強度[33]，圍巖的承載力被明顯削弱，致使模型處于失穩(wěn)狀態(tài)。

此外，隨著輸入地震波幅值的增大，各測點位移反應(yīng)譜的卓越周期逐漸增大，即卓越頻率減小。在0.1g地震波作用下，0.5～1.5 s短周期內(nèi)具有顯著的峰值特征，而在長周期內(nèi)反應(yīng)譜沿高程的放大作用較??；而在0.6g地震波作用時，在長周期3.0～5.0 s內(nèi)位移反應(yīng)譜沿高程具有明顯的放大效應(yīng)，而在短周期2.0 s以內(nèi)，其位移反應(yīng)譜的幅值基本已趨于0。表明隨輸入地震波幅值的增大，圍巖的非線性特征明顯增加，阻尼比增大而使圍巖對于高頻地震信號的濾波效應(yīng)顯著增加，即圍巖對低頻地震波產(chǎn)生明顯的放大作用。

4 結(jié) 論

為了研究立體交叉隧道的地震動力響應(yīng)，對隧道的動應(yīng)變及圍巖的加速度響應(yīng)進行分析，并使用反應(yīng)譜理論對坡體交叉段的位移譜進行了探討，主要得到以下結(jié)論：

(1) 上跨隧道的軸向應(yīng)變響應(yīng)整體大于下穿隧道，說明由于上跨隧道的影響及圍巖的擠密效應(yīng)，減弱了地震波對于下穿隧道的沖擊作用；此外，隧道拱頂處會產(chǎn)生應(yīng)變的“疊加效應(yīng)”，易成為隧道結(jié)構(gòu)潛在的震害破壞區(qū)。

(2) 在地震波傳遞過程中，隧道不同位置處的能量損耗程度不同，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞具有一定的“滯后性”，上跨隧道可能會更早出現(xiàn)破壞且破壞也更為嚴重。因此，對于高烈度地震區(qū)的立體交叉隧道工程而言，上跨隧道應(yīng)為抗震設(shè)計的重點關(guān)注對象。

(3) 加速度放大效應(yīng)沿高程方向呈增大→減小→增大→減小的趨勢，表現(xiàn)出明顯的峰值特征；但交叉段與非交叉段加速度放大效應(yīng)的峰值出現(xiàn)位置不同：非交叉段在靠近上跨隧道拱頂PA3測點處放大效應(yīng)最為明顯；而交叉段卻出現(xiàn)在下穿隧道拱頂TA6測點處。

(4) 卓越周期隨輸入地震波幅值的增大而逐漸增大，即卓越頻率逐漸減??；同時在不同幅值地震波作用下，峰值特征在不同周期內(nèi)表現(xiàn)出較大差異：在弱震(0.1g)作用下，短周期0.5～1.5 s內(nèi)位移反應(yīng)譜具有顯著的放大效應(yīng)；而在強震(0.6g)作用下，長周期3.0～5.0 s內(nèi)位移反應(yīng)譜沿高程具有明顯的放大效應(yīng)。

由于空間立體交叉隧道的地震動力響應(yīng)較為復(fù)雜，本文僅對斜交型立體隧道的動力響應(yīng)進行了分析，所得結(jié)論需要更多試驗的補充完善及數(shù)值模擬的驗證。同時后續(xù)仍需對正交型立體隧道的動力響應(yīng)及兩種不同交叉形式隧道的異同性進行深入探討。