摘 要：在遭遇强烈地震时，复杂地形和地质条件下高速铁路桥隧搭接段是容易出现严重损伤或破坏的一类复杂连接工程组合体。但是，目前国内外对于统筹考虑桥−隧−岩这一复杂系统内不同结构、部位之间相互作用的在强烈地震作用下的震害机制与动力响应的研究仍不多见。为此，设计并完成了多组基于大型振动台的不同方向地震激励下的模型试验，分析了软岩桥隧搭接段的动力响应特点及激励方向的影响机制。试验结果表明，强烈地震作用对桥−隧−软岩系统的安全与整体稳定非常不利，且隧道洞口及桥梁端部的加速度、位移、应变等地震响应数值大小及变化规律在不同方向地震激励下有显著的差异性。隧道扩大段拱顶和拱脚、标准段拱脚以及桥梁端部、桥台顶部、洞顶土体等部位地震响应较大，应予以加强或特殊处理。研究结果可以为软岩条件下桥隧相连结构抗震设计与地震响应分析提供一定参考。
关 键 词：软岩;桥隧搭接段;大型振动台;不同激震方向;地震响应
1 前 言
山岭隧道洞口段往往是抗震设防的薄弱区域，在烈度大、持时长的强震作用下易出现较大震害[1−3]。多年来，在我国西、南部地区复杂地形、地质条件下的铁路工程建设中，不可避免地出现了较多的桥梁与隧道相互搭接、邻接相连的工程形式。而若桥隧搭接结构建于强震区或山区隧道洞口存在较大范围易风化或较破碎围岩的地带，受频发的地震灾害的影响，或遭遇较强的地震作用时，铁路线路中这一类软弱围岩中的桥隧搭接段是很容易出现严重震害的地段。
近年来，国内外学者采用理论分析、数值模拟和模型试验等方法针对桥梁、隧道、拱坝、边坡、地下建筑结构等复杂结构及岩土工程在抗震分析及减震技术上开展了大量研究工作，取得了一些有意义的成果与结论。例如，康帅等[4]选择 3 种试验记录作为某框架结构模型结构振动台试验的台面输入，分析了不同输入机制对结构地震反应的影响。范立础等[5]对复杂结构地震波输入最不利方向标准问题进行了进一步的探讨并提出了修正方法。魏春莉[6]通过振动台试验模型研究，揭示了桩−土−桥梁结构地震动力相互作用的机制。王帅帅等[7]针对含软弱夹层隧道洞口仰坡开展大型振动台试验研究，研究了地震作用下含软弱夹层隧道洞口仰坡的动力响应特性。侯森等[8]对山岭隧道洞口段开展了大型振动台模型试验研究。孙铁成等[9]以具有间距和错距的实际隧道为原型，基于数值计算模型探究了隧道在地震过程中的破坏机制及其洞口段的动力响应规律。宋贞霞等[10]研究了双向地震波输入时不同振动方向对拱坝−地基系统地震响应的影响。关振长等[11]开展了特大断面隧道的 1/30 缩尺模型振动台试验，分析了特大断面隧道动力特性与输入地震动幅值的关系。Tatsuo 等[12]通过集中单元模拟地基分析 Morrow point 拱坝在地震波输入振动方向变化时拱坝的应力响应。赵武胜等[13]基于泡沫混凝土隧道减震材料，通过室内试验和数值方法研究了减震层剪切模量、厚度及减震层-衬砌界面特性对减震效果的影响。王丽丽等[14]采用动力有限元数值模拟的方法，探究了隧道洞口段及仰坡在不同仰坡坡度影响下的动力响应。George 等[15]强调了考虑土与结构相互作用效应对三维隧道地震反应非线性分析的重要性。Kyriazis 等[16]研究了考虑地面上结构物的影响时圆形隧道的抗震性能。然而，上述及当前大多数研究成果或仅偏重于考虑单一的隧道、桥梁、边坡、堤坝，或是仅同时考虑隧道与围岩、地下结构与土层、桥梁及基础与土层的相互作用等 2～3 个主导因素的综合分析，而少有考虑桥、隧、围岩三者耦合时的相互干扰和附加不利效应对其动力响应、损伤行为、灾变破坏及演变过程影响的相关研究或报道。
桥隧搭接段因其结构的复杂性与特殊性，一旦遭受地震的严重损伤或破坏而极易导致不可挽回的巨大损失，难以修复或重建。这是研究桥隧搭接这一类复杂工程结构所不能回避的关键问题之一。因此，对软弱围岩条件下的桥隧搭接结构，在对其动力响应的一些初步研究成果[17−19]的基础上，进一步开展地震动力响应特性、减震抗震分析方法和设防措施等方面的研究将具有重大的理论研究价值与现实意义。但综合各方面的研究成果[3, 7−8]来看，当前对多类结构耦合岩土工程问题的研究方法，主要可以采用理论分析、数值模拟、现场测试和模型试验等研究方法，而这其中振动台模型试验则是目前测试复杂结构抗震性能和地震响应的最为直观而有效的试验方法之一。
为此，本文基于大型振动台设计并完成了多组模型试验，研究了不同方向和不同激震强度的 EI Centro 地震波对某一分离式洞门类型的高速铁路桥隧搭接结构的影响效果，并基于试验结果分析了其动力响应特点，探讨了地震激励方向的影响机制及抗震设防措施。相关试验结果及结论，可以为后续深入研究复杂条件下类似及其他相关类型桥隧相连结构的地震响应、抗震设计、减震设防措施等提供试验依据或参考。
2 工程背景
在我国西部、南部山岭重丘区，面对复杂的地形、地貌条件，很多线路往往有很高的桥隧比(一般 50%以上，有时高达 70%～80%)，导致了大量桥− 隧、隧−隧相连现象的出现。桥隧相连工程作为桥梁与隧道的距离足够小以致二者之间存在相互影响的一类工程，是我国西部、南部山区和临海(江、河)铁路、公路建设中常见的工程组合形式，是桥梁、隧道和边仰坡岩土体及其防护工程的复杂组合体[17, 19]，涉及桥梁、隧道、岩土工程等多个领域。
由于近年来许多复杂地质地段(如围岩软弱、破碎、富水、偏压、岩溶、高海拔、冻土、地层软硬不均、穿越坡积体或邻近地震断裂带等)中桥隧相连工程的不断建设以及各种损伤、破坏与病害现象的增多，对于如何准确分析和研究其在高烈度震区的多源损伤力学行为特性与复杂多因素诱发之灾变破坏机制、灾害防治与安全控制技术等问题，都是对目前桥隧相连工程设计、施工及后期运营管理与维护及其建设过程及正常使用阶段的安全与稳定以及过往车辆行车安全的极大挑战，已逐渐引起国内外学界的高度关注。
3 试验概况
3.1 振动台性能
本次振动台试验是在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室多功能振动台实验室地震模拟振动台上完成的，其主要参数见表 1。
3.2 试验平台及测试系统
本次高速铁路桥隧搭接结构振动台试验模型箱和振动台试验平台及测试系统，如图 1、2 所示。
试验模型箱为刚性无盖箱体，采用厚钢板、槽钢支架及加厚有机玻璃等加工制成。模型箱内轮廓尺寸为长×宽×高 = 3 500 mm×1 500 mm×2 000 mm (见图 1)。此外，为方便观察试验过程、测点布设和装卸模型及材料，模型箱前面中间上半部分 3 500 mm×1 000 mm(长×高)左右用有机玻璃模板遮挡。
3.3 模型试验相似关系
本次振动台模型试验采用结构动力实用模型(忽略重力加速度的影响)[20]，几何相似比为 1/30，其他相似比依据相似关系[21−22]换算得到。试验中的主要相似关系及相似常数如表 2 所示。
3.4 模型加工及材料制备
3.4.1 围岩相似材料
试验中的围岩材料采用复合材料配制，其材料配比(重量比)为：重晶石粉:石英砂:锂基润滑油= 10:5:1，其物理力学参数如表 3 所示。
3.4.2 结构模型
本次振动台试验中的桥梁结构模型，参照实际工程 32 m 跨度的高速铁路简支箱梁桥[23−24]简化制作而成。综合考虑本次振动台试验中的试验加载工况、模具精度及制作难度、结构模型加工工艺、制备时间及养护条件、模型成型难易程度、结构模型成型及组装特点、模型箱内围岩材料的填筑过程、测点布设便利性及结构模型对振动台试验的适用性(如不会因材料太脆弱而使隧洞周边土体倒塌，或使结构或模型箱产生附加二次破坏而影响试验精度或导致安全事故)等因素，本次试验中的模型混凝土的主要力学参数(如弹性模量、泊松比、抗压强度等)与实际工程相比并没有调整(采用 1:1 的相似比)，没有采用常规石膏、有机玻璃或其他复合合成材料[20−22]。其中，梁板、基础及桥台帽模型均采用混凝土材料制作。
振动台试验过程中，桥梁部分的边界条件做如下处理：模型桥搭接端的桥台底部及桩基础桩身嵌固于周边岩土体中且底部嵌固和支撑在模型箱底部钢板上，远端矩形实心墩底部采用型钢和螺栓与振动台顶面固结(见图 2(a));桥梁梁板在隧道洞内搭接端与桥台顶部铰接(设置简易铰支座和限位钢筋)，远离洞口端的梁端用滑动支座与桥墩顶部连接并设置简易限位装置(见图 2(d))。
试验中的隧道模型依据实际工程中的高速铁路单洞双线铁路隧道简化制作而成。由于目前的研究对于桥隧过渡段(无论桥隧搭接还是桥隧邻接)隧道一侧的影响范围尚无可靠依据供参考和借鉴，本试验中的隧道段长度暂依据目前常规隧道洞口段研究时的做法[7−8, 14]，隧道标准段(非搭接段)按 2 倍洞宽(换算成原型长度，约 26 m)考虑，隧道与桥梁搭接段(即隧道扩大段)长度暂依照相关工程实例按 10 m 长度考虑[9, 19]，而对于改变上述参数对类似工程结构抗震的具体影响以及还需考虑哪些影响因素等问题，后续将另作深入探讨和分析。
隧道洞口扩大段为无仰拱分离式隧道洞门，隧道衬砌模型[25−26]用混凝土材料制作，内配直径为0.5 mm、网格间距为 15 mm×15 mm 的钢丝网。结构筑模用混凝土的物理力学性能试验结果见表 4。
3.4.3 模型制作及试验箱填筑
试验模型制备、填筑及相关材料性能试验均在高速铁路建造技术国家工程实验室、中南大学高速铁路线桥隧静动力学实验室、结构实验室和岩土工程实验室内完成。
在模型制作过程中，为了防止个体差异，试验中所有桥梁、隧道结构模型和隧道围岩相似模拟复合材料均是在同一时间段或同一批次中制备完成，以减小由模型差异带来的试验误差。本试验箱内土体均采用分层夯实的填筑方式，每层土在铺设过程中用环刀法测定密度，保证箱内土层压实度的一致性。此外，试验前在模型箱底浇筑一层素混凝土并铺设 5 cm 左右厚碎石，并在箱体四周粘贴厚泡沫板来减少模型箱的边界效应。
3.5 测点布置
桥隧搭接结构因其特殊性和复杂性而有较多测点，本次振动台试验对其进行了选取和筛除。试验主要针对桥梁和隧道结构及周围岩土体的一些关键结构部位和测点进行了测量和记录。本次试验中各传感器与测点的布设情况，如图 3 所示。
4 试验加载方案
4.1 地震波选择及处理
由于目前研究中对桥隧搭接结构受不同方向或不同烈度地震激励影响的显著性和敏感性尚不清楚，而在软弱地基条件中则更是难以描述其复杂力学行为与灾变破坏过程等宏观现象，因而本次振动台试验在确定地震激励工况时主要考虑了方向和烈度的不同。试验中，各个地震波的加速度峰值按照我国抗震规范[4–5]中的地震震中烈度加速度值对应输入，时间间隔在原始地震波基础上按照相似关系调整。其中，所采用的经滤波处理后的 EI Centro 地震波加速度时程曲线及其傅氏谱，如图 4 所示。
4.2 加载方案
振动试验台面输入波分别沿 X 向(水平向垂直隧道轴线)、Y 向(水平向沿隧道轴线)、Z 向(竖向垂直隧道轴向)及其两两组合(X 向+Y 向、Y 向 +Z 向或 X 向+Z 向)或三向组合(X 向+Y 向+Z 向)对试验模型进行加载(方向示意见图 3)，并按照加速度峰值 0.1g、0.3g、0.4g、0.6g 或原始波峰值由低到高逐级进行加载。
5 试验结果及分析
5.1 加速度
试验中的不同加载方向组合方式，分别为同一烈度地震波的单向、双向加载。不同加载方式分别为 EI Centro 波水平方向沿隧道横向(EI-X)、水平方向沿隧道纵向(EI-Y)、竖向(EI-Z)、双向 XY 向(EI-XY)、双向 XZ 向(EI-XZ)、双向 YZ 向(EI-YZ)。
为了更直观地描述各测点的加速度响应变化幅度，特引入加速度放大系数并做定义如下：某一测点的加速度放大系值，等于该测点的加速度峰值(X 向、Y 向或 Z 向)与振动台台面上对应方向的加速度峰值的比值。
5.1.1 单向加载
图 5 为部分测点在单向地震激振(EI-X、EI-Y、 EI-Z)作用下各测点加速度放大系数及其变化情况。可见，在 EI-X 激振工况下，各测点加速度放大系数除桥跨中外均大于 1，最大值在扩衬脚处。在 EI-Y 激振工况下，各测点加速度放大系数在 1.4～3.9 之间，除测点桩顶土以外，其他所有测点 Y 向加速度放大系数均大于 2;最大值在测点扩衬顶处，最小值在桩顶土测点处，且由大到小顺序为：扩衬顶、扩衬脚、标衬脚、桥台顶、桥跨中、桩顶土，这与测点离地面高度大小顺序一致。在 EI-Z 激振工况下，各测点加速度放大系数均小于 1，最大值出现在扩拱脚处，最小值出现在标衬脚处。
相关知识推荐：岩土力学投稿后初审多久
因此，由图 5 中试验结果及分析可见：①桥隧搭接结构模型在不同单向地震激振(EI-X、EI-Y、 EI-Z)下的加速度响应有较大差异。②在地震波激振方式(EI-Y)下，水平向沿隧道轴线(即 Y 向)的各测点的加速度放大系数数值相对较大，X 向次之，Z 向最小。
5.1.2 双向加载
不同加载方向组合方式下各测点沿 X、Y、Z 方向的加速度放大系数，分别如图 6～8 所示。
由图 6～8 中数据及结果对比分析，可知：
(1)桥隧搭接段各测点在 EI-XY、EI-XZ、EI-YZ 双向激振作用下各测点加速度放大系数，大都明显大于 EI-X(EI-Y 或 EI-Z)单向激振下的数值(EI-YZ 相比 EI-Y 工况及其他个别测点除外)。说明其他方向地震激励分量的加入，会给各测点某单一方向的加速度带来显著的附加放大效应。例如，EI-XY 和 EI-XZ 的结果，大约比EI-X激励下增大 50%～100% (大多为 EI-X 时的 1.5～2.0 倍左右)。因而，相比任一单一方向激励而言，可近似地认为双向耦合的地震激励将使桥隧搭接结构产生更不利的动力响应。
(2)相对于 X 向或 Z 向激励而言，Y 向激振的加入对各测点沿任一单方向(X、Y 或 Z 向)加速度的影响均较大，而这极有可能与试验中的桥隧搭接结构模型在隧道洞口外侧(沿 Y 向)有较大临空面以及较差的围岩性质有关。
5.2 位移
试验中，采用激光位移传感器(位移计)对桥隧搭接段的主要测点位置进行测量，并根据测得的数据对桥隧搭接段动位移响应进行分析。
图 9 是隧道洞口扩大段各测点及梁端在加载 EI Centro 波 X、Y、Z 向激振作用时沿 Y 向的位移响应峰值变化曲线。由图 9 可见，X 向激振作用下隧道扩大段衬砌拱顶处的动位移峰值最大，冠梁处的动位移峰值最小;Y 向激振作用下测点扩大段衬砌拱脚处的动位移峰值最大，测点冠梁处的动位移峰值最小;Z 向激振作用下隧道扩大段拱顶处动位移峰值最大，测点扩大段拱肩的动位移峰值最小。3 个方向激振作用下各测点的动位移峰值变化规律不同，但显然桥隧搭接段隧道扩大段洞口衬砌的纵向位移主要受纵向地震波的影响，而横向和竖向地震波分量一般无显著影响。
图 10 是隧道洞口扩大段及梁端各测点在 EI Centro 波 XY、YZ 和 Y 向激振作用下的沿 Y 向位移峰值变化曲线。由图 10 可知：相比 Y 向地震波作用，XY 向地震波耦合作用下的测点隧道扩大段拱顶及桩顶冠梁处的 Y 向位移较小，且扩大段拱顶的减小幅度较大，而其他测点则略微增大。此外，3 种不同的加载方式下，各测点动位移大小规律基本一致，且梁端处的动位移峰值最大，约为扩大段内其他测点动位移的两倍。这也说明在上述各个方向地震波的作用下，搭接段处的桥梁端部容易产生沿隧道轴线的水平位移，极易导致梁端与搭接段隧道扩大段洞口位置的其他结构物(包括桥梁、桩基、桥台、隧道洞门及挡护结构等)产生显著位移、错动甚至相互撞击。因此，应对搭接段桥梁伸缩缝、桥台胸墙及隧道洞口挡护结构加固处理或者对桥梁端部采取轴向限位措施。
5.3 应变
隧道扩大段是桥隧搭接相连段中突显其不同应变特点或动力响应特性的关键部位，因此，深入分析其对地震激励方向的敏感性就显得尤为重要。然而，软岩中桥隧搭接时的具体特性与普通隧道洞口不同，其隧道结构应变的最大或最不利位置也极有可能因搭接处复杂的地形和地质情况以及特殊的结构组合方式而明显不同。限于篇幅，以下暂仅选取部分隧道扩大段测点的应变结果进行分析。隧道衬砌标准段与扩大段其他多个特征位置在不同地震激励作用下动力响应特点与对比分析，以及其他相关力学响应规律与主要影响因素等内容，将在后续其他论文中再作深入分析和研究。
5.3.1 隧道扩大段衬砌径向应变
图 11 是在不同方向加载方式(X 向、XY 双向和 XZ 双向)的地震波激振下，隧道扩大段衬砌部分测点沿隧道洞周径向的应变峰值及其变化情况。面衬砌的应变峰值均大于 1-2 截面，即隧道扩大段衬砌越靠近洞口其应变值一般较大，故对近隧道洞口段衬砌应在抗震设防中特别关注。
5.3.2 隧道衬砌纵向应变
隧道衬砌扩大段 1-1 截面及 1-2 截面在 Y 向、 XY 和 YZ 双向激振作用下，各点的纵向(Y 向)应变峰值及其变化情况，如图 12 所示。——论文作者：孙广臣 1, 2，谢佳佑 2 ，何 山 3 ，傅鹤林 1 ，江学良 2 ，郑 亮 1, 4
