高速铁路桥隧搭接结构地震响应振动台试验方法研究

孙广臣， 何 山， 傅鹤林， 谢佳佑， 江学良， 郑 亮

(1. 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075; 2. 中南林业科技大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410007;3. 湖南交通职业技术学院 建筑工程学院，湖南 长沙 410004; 4. 高速铁路建造技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410075)

在我国西部和南部山岭重丘区，尤其是复杂的地形、地貌条件，很多线路具有很高的桥隧比(有时甚至高达80%及以上)，因而出现了大量的桥隧相连现象[1]。桥隧搭接结构是一种已被广泛应用的桥隧连接形式，可主要分为桥梁直接搭设在隧道内部和桥台在洞口与隧道连接两大类。类似于隧道洞口段，处于地震带的桥隧搭接结构若修建在软弱围岩中也同样易遭受地震的严重破坏。地层条件比较差的山岭隧道洞口段往往是抗震的薄弱区域，且在烈度较大、持时较长、往复振动次数较多的强震作用下易出现较大震害。隧道结构及其周边围岩常因局部突然破坏或损伤累积效应而导致强度、稳定性显著降低，由此引发结构整体倒塌破坏或滑坡、崩塌等严重灾害。

但是，对于软弱围岩条件下以桥梁与隧道相互搭接而形成的桥隧搭接结构[2-3]，其所涉及的问题一般比常规隧道洞口段更复杂而难以深入解析和准确表述。对于处于软弱围岩条件下的桥隧搭接结构是否像常规的单一隧道洞口段有相同或类似的震害现象，或是有什么明显不同，容易出现哪些问题或破坏现象，容易损伤或破坏的结构部位都有哪些且与单一隧道洞口段有何区别等一系列问题，目前均缺乏可靠的现场调查资料和确切的试验研究结论。而且，桥隧搭接结构各部位及周围岩土体在地震荷载下的复杂力学行为及损伤破坏特点，是否与其在车辆动荷载及其冲击作用下的情况类似，也与桥隧搭接组合方式、结构类型、基础形式、相对位置、地形、地质条件及外荷载激励特点等情况等密切相关，以及如何评估其所带来的不利影响，也是值得进一步深入研究和探讨的。此外，一般情况下，结构力学性能和承载力的退化，是桥隧搭接结构在遭遇地震时反复受力和变形导致的累积损伤的重要体现之一。对于强烈地震作用下的桥隧搭接结构所特有的一系列亟待解决的问题，如复杂的地震动力响应特性、力学性能和承载能力的劣化情况及其与损伤累积效应的相关程度，结构各种响应与不同损伤程度之间的耦合及相互影响关系等，目前的研究或成果鲜有涉及或大多也不能明确揭示。

目前国内外学者或研究人员对软弱围岩条件下的桥隧搭接结构在地震作用下的损伤评估和结构地震动力响应的深入研究工作开展得很少，相关工程的抗震设计和震害评估工作还缺乏相应的试验参考和理论支撑，亟待完善，开展软弱围岩条件下桥隧搭接结构的地震动力响应及灾变行为研究具有广阔的工程需求背景。因此，为研究地震作用下软弱围岩桥隧搭接结构的动力响应特性，本文依据相似理论和模型试验[4-6]的方法，开展了强震区软弱围岩条件下桥隧搭接结构地震动力响应大型振动台模型试验方法研究。本文对相似比分析、各结构模型的相似比例选取与制作、围岩材料配比与配制、加载方案、试验工况、试验平台组成及测试方法等内容及模型试验方法，进行了系统的阐述和分析。

1 工程背景

20世纪90年代以来，随着我国国民经济的持续快速发展和对基础建设投资力度的逐年加大，我国在高速公路和高速铁路建设方面均取得了举世瞩目的成就。在国内，我国西部、南部多条铁路、公路均上有大量桥隧搭接工程；而在国外，桥隧搭接相连在很多大型的跨越深谷、海峡等的桥梁、隧道工程上也比较多见。典型的桥隧搭接结构由跨越深谷、陡崖、江河、湖泊、海峡甚至海洋等的桥梁、隧道及洞口围岩体、附近岩土体(高陡边坡、桥头锥坡等)及其它附属构筑物(如边坡挡护结构、排水设施)等组成，见图1。桥隧搭接主要分为桥梁直接搭设在隧道内部和桥台在洞口与隧道连接两大类。

据不完全统计，由于受复杂的地形和地质条件限制，我国西部、南部山区存在着大量的修建在软弱围岩中的桥隧搭接结构。由于这些地区处于欧亚地震带和环太平洋地震带，地震活动比较频繁，一旦桥隧搭接结构(尤其是高速铁路上的)遭受地震的严重破坏，抢修、加固或再建的难度一般很大，成本和代价高昂，见图2。近年来，随着我国高速铁路建设向中、西部地区延伸，大量处于复杂地质、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)的桥隧相连工程相继开工建设。在复杂自然环境条件与桥隧搭接这种特殊结构的双重影响因素组合下，一旦发生较大地震，不但对桥隧搭接结构的安全、稳定及过往车辆的行车安全有重大影响，还将为其后期运营、管理与维护埋下巨大安全隐患。若考虑后续使用过程中各种损伤、病害与破坏现象逐年增多的状况，情况将更加复杂。因而，如何准确分析和研究其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，以及如何优化相关工程的设计、施工等，均已逐渐引起国内、外广大工程技术人员和相关学者的高度关注。

成昆铁路扩能工程北接成都、南联昆明，是提升老成昆线运能、优化西南地区铁路网的重要支撑项目，是成都平原经济区通往攀西经济区、大小凉山彝区，实现南下出川的重要走廊通道。全线分为成都—峨眉、峨眉—米易、米易—攀枝花、永仁—广通、广通—昆明几段进行改造。其中，本文研究所依托工程月直山隧道及特克隧道出入口附近桥隧相连的峨眉至米易段(以下简称“峨米段”)正线约386 km，是整个成昆铁路复线中施工难度最大、里程最长的一段。该段穿越几个地质断层，将修建桥梁140余座、隧道40余座，桥隧占比达到73%且几乎全是桥隧相连，途经区域大多是高山峡谷，地质、气象条件恶劣，生态环境脆弱。故本文以上述工程实例为原型，开展桥隧搭接结构地震动力响应振动台模型试验研究。

2 试验平台及模型箱

2.1 振动台试验装置

本次振动台模型试验，在高速铁路建造技术国家工程实验室的高速铁路多功能振动台实验室内完成。试验所用振动台的主要参数，见表1。

表1 振动台性能及主要参数

试验测试所用仪器、设备，见表2。

表2 试验测试仪器设备汇总表

2.2 试验平台

桥隧搭接振动台试验模型箱及测试平台，分别见图3、图4。

振动台试验所用模型箱采用厚钢板、槽钢支架及加厚有机玻璃等加工制成，其外轮廓尺寸为 350 cm×150 cm×200 cm(长度×宽度×高度)。为便于观察，模型箱前面中间上半部分无遮挡或部分采用有机玻璃模板，见图4。

3 试验模型及相似关系

(1) 原型桥梁

桥梁上部结构：跨度32 m高速铁路速度为350 km/h无砟板式轨道双线整孔简支箱梁，宽度为13.4 m，高度为3.05 m；桥台为4桩埋置式桥台，桩基础直径为1.5 m。

(2) 原型隧道

原型隧道为速度350 km/h、有仰拱曲墙式衬砌单洞双线高速铁路隧道。

(1) 标准段 隧道标准断面尺寸(外轮廓)：宽度为14.86 m、高度为12.74 m(轨顶处净宽度约为12.2 m)；隧道衬砌参数：28 cm厚初期支护+防水层+50 cm厚二次衬砌(仰拱底60 cm)。

(2) 扩大段(即桥隧搭接段) 隧道标准断面尺寸(外轮廓)：宽度为16.36 m无仰拱桩基础棚式明洞结构(轨顶处净宽度约为13.7 m)，每侧各设3根直径为1.5 m的桩基础；隧道衬砌参数：28 cm厚初期支护+防水层+50 cm厚二次衬砌(仰拱底60 cm)。

本次试验中的隧道扩大段洞口为分离式洞门结构，本文中桥隧搭接结构的力学模型可简化为桥梁与隧道结构之间通过轨道、路基及周边岩土体而连接成为整体的桥隧岩相互作用力学模型。例如，以列车荷载对桥隧搭接段的作用与影响为例，桥跨结构、桥台、隧道之间力的传递关系可假设为：列车荷载首先通过轨道系统传递至桥跨结构上，后(附加桥跨结构等的重力作用)再经由桥台及桩基础传递至洞口围岩及隧道结构。

考虑到振动台的实际性能及主要参数，结合桥梁、隧道原型尺寸限制，试验采用重力失真模型[7]。试验将几何尺寸、弹性模量、密度作为基本物理量，考虑到台面尺寸、模型箱边界效应及围岩模型材料配制等条件限制，确定振动台模型试验[8-10]的几何相似比为1/30，试验中主要相似关系[11-13]及相似常数，见表3。

表3 模型试验主要相似常数

注:由于综合考虑到本次振动台试验的加载情况、模型加工难易程度与制作精度要求、模型箱内土体填筑及桥隧搭接结构组装方式、测点布设便利性以及模型对振动台试验的适用性等因素，模型采用与原型桥梁、隧道结构同标号细粒混凝土材料制作，即本次试验中桥隧结构模型混凝土相似比为1∶1，其主要力学参数(如弹性模量、泊松比等)与原型结构近似一致。

4 结构模型及围岩材料制备

4.1 桥梁模型

本次振动台模型试验中，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[14]简化制作而成，并采用与原型相同的材料，即梁板、桩基础均为钢筋混凝土模型，等效为矩形断面，见图5。桥梁板、桩基础及桥台模型分别采用C50和C30微粒混凝土材料制作而成。桥梁原型与模型尺寸，见表4。

表4 桥梁结构模型与原型尺寸对比

类型桥梁跨径/m梁高/m类型桥梁跨径/m梁高/m原型323.050 模型1.070.087

振动台试验过程中，对桥梁墩、台桩基础边界条件做如下处理：搭接端桥台桩基础底部嵌固和支撑在模型箱底部钢板上，远端矩形实心桥墩在测试过程中不考虑其竖向位移而将底部采用型钢和螺栓与振动台顶面固结。制备完成梁板、桥台及桩基础模型，见图6。

隧道洞口的试验测点布设以及模型箱的组装与填筑情况，分别见图7、图8。

4.2 隧道衬砌模型

本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，洞口扩大段采用无仰拱的分离式隧道洞门形式。试验中的隧道衬砌[15-16]为钢筋混凝土模型，分为扩大段和标准段两段，均由C30微粒混凝土制作而成(内含0.5 mm、间距为15 mm×15 mm的钢丝网)。制备完成且贴应变片的隧道衬砌模型，见图9。

4.3 模型材料试验

桥隧搭接结构模型材料C50、C30微粒混凝土的配合比及主要物理力学参数，见表5、表6。

表5 模筑微混凝土的配合比

表6 模型混凝土的物理力学参数

4.4 围岩材料的配比及试验

试验围岩采用质量比10∶ 5∶1的重晶石粉、石英砂和锂基润滑油混合配制而成，其制备过程及配制好的复合材料物理力学参数(与原岩对比)分别见图10、表7。

表7 围岩原型和模拟材料物理力学参数

材料类型弹性模量E/GPa泊松比μ黏聚力C/MPa内摩擦角φ/(°)容重γ/(kN·m-3)原岩1.3～6.00.30～0.350.2～0.727～3920～23模型0.0610.3100.03532.00020.300原岩1～20.35～0.450.05～0.220～2717～20模型0.0540.3800.03026.00018.400

5 试验加载方案及测试方法

为了实现准确记录和分析不同结构模型在多种不同地震激励下的各测点的位移、速度、加速度、变形及位移等动力响应，在结构模型混凝土及围岩相似模拟材料的配比试验和物理力学性能测试试验的基础上，加工制作了反映桥隧结构形式、软弱围岩土体性质及地形地貌特征的桥隧搭接结构模型，并制定了相应的结构模型地震动力响应试验的测试方法、测点布置方案、加载工况及加载步骤，将结构模型及模拟围岩复合材料装载于特殊加工制作的模型箱置于振动台，并进行了初步振动台试验测试。

为减小地震波在模型箱底部与侧壁的损耗与反射等对试验的不利影响，对测试模型(包含土体)的动力边界效应作如下处理：将模型箱底板处理成摩擦边界，将模型箱侧壁处理成柔性边界。具体做法为：在模型箱底部浇注一层8 cm厚素混凝土后，再在其上铺设5 cm厚的碎石，以增大模型箱底板与模型土体之间的摩擦力；在模型箱侧壁粘贴5 cm厚聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板与土体之间粘贴双层聚氯乙烯薄膜，以减小模型箱侧壁对围岩土体的约束作用(见图8(b))。

5.1 地震波选取及试验加载方案

5.1.1 地震波选择及处理

本次试验主要选取EI-centro波、汶川波、kobe波3种地震波作为振动台模型试验的激振波。各地震波经滤波处理后的加速度时程曲线及傅氏谱，见图11。

5.1.2 试验加载方案

为了考虑不同的地震波激励方向或加速度峰值的影响，本次振动台试验制定了两个相互独立的加载方案(见表8、表9)，分别单独加载测试和研究各自不同工况的地震动力响应、损伤累积与灾变破坏情况。在多个方向加载时，考虑水平向垂直隧道轴线方向(X向)为主要加载方向，而在其它方向上加速度折减，即水平向沿隧道轴向(Y向)和竖向垂直隧道轴线方向(Z向)的加速度分别按0.85倍和0.65倍考虑。

表8 高速铁路桥隧搭接试验加载方案一

表9 高速铁路桥隧搭接试验加载方案二

5.2 试验步骤

本次振动台试验的主要步骤为:

Step1完成各大组试验模型和围岩模拟复合材料的制作、制备，运送至实验室内并完成相关安装、材料性能测试等前期工作。

Step2加工制作和装填模型试验箱，埋设试验过程中所需的各类测试元器件，开展数据试验测试、采集系统的前期调试等准备工作。

Step3实验室操作及各组测试人员按照试验预定方案完成振动台设备操作和测试工作，完成各试验工况下的数采设备、加速度传感器、位移计等传感器数据的采集工作。

Step4试验后模型拆卸和震害调查分析工作。

5.3 试验前的测试及准备

(1) 试验前的测试

正式试验前，进行各结构模型及围岩相似模拟材料的物理力学特性测试试验。

(2) 测试仪器设备的准备、标定和调试

在每种工况组合的试验前，必须先对试验仪器进行调试与校对、检查测试元器件的埋设情况是否良好等，方可进入下一步具体试验操作。

(3) 试验测试设备、采集仪器及测试传感元器件的连接和调试、初步测试及仪器故障和误差的排除

① 测试元器件与仪器的正确连接和调试；

② 正式试验前的初步测试与联调联试；

③ 仪器故障和试验误差的排除。

5.4 试验结果分析

限于篇幅，本文暂仅对部分加速度试验结果进行初步分析。

高速铁路桥隧搭接振动台试验中，几种不同地震加载方向下各测点沿X、Y、Z方向的加速度变化情况，分别见图12。试验中各方向的加速度放大系数是通过如下方式计算得到的：首先采用高敏感加速度传感器分别测量并记录每个测点沿3个方向的(X、Y、Z向)的实际加速度时程曲线(测量频段一般为0～5g)；而后，某一测点沿某一方向(X、Y、Z向)的加速度放大系数为该测点的加速度峰值与振动台台面上对应方向的加速度峰值的比值；在多个输入方向叠加时，该参数沿某一方向(X、Y、Z向)的值按多方向叠加的实测单向加速度峰值分别计算。

由图12的试验结果可见：

(1) 软弱围岩条件下的高速铁路桥隧搭接段各测点在双向激振下(XY、XZ、YZ)的各测点加速度大都比任一单一方向激励(X、Y、Z向)所引起的响应大(个别测点除外)，即双向地震激励将显著增大桥隧搭接结构的地震动力响应(如加速度)，因而更不利于桥隧结构的安全。

(2) 对比图12中不同测点的同一方向加速度放大系数值，可知：Y向地震激振的加入对各测点沿任一单方向(X、Y、Z向)加速度的影响，均比X向或Z向的影响大。而这是否可能与试验模型在隧道洞口外侧(沿Y向)是临空的或是受较差的围岩性质影响有较大关系，还仍待后续深入分析和讨论后才能确定。

此外，在试验初步测试过程中，振动台台面输入的地震波波形重现误差在设备性能允许范围内小于10%(有时甚至小于5%)，满足试验要求。综合对比一系列初步试验结果(受篇幅和其他因素限制，在此暂先不赘述，见另文)，试验实测结果数据可读性和辨识性均较好且与预期结果数据偏差较小，具有较好的与预期值相一致的规律性和吻合度，较好地达到了预期试验目的。同时，也从另一个角度说明本文振动台模型试验方法的有效性和准确性是有良好保障的。

6 结论

为探讨软弱围岩条件下桥隧搭接结构在地震作用下的动力响应、损伤及灾变行为规律，本文针对目前国内外对软弱围岩条件下桥隧搭接结构地震动力响应研究较少的现状，依据相似理论和模型试验的方法，提出了一种高效且重复可操作性强的桥隧搭接结构振动台模型试验方法，主要工作内容及取得的结论如下：

(1) 依据相似原理，利用量纲分析法分析了桥隧搭接结构振动台模型试验中桥梁、隧道结构模型及围岩相似模拟材料各物理量间的相互关系，给出了主要试验参数及相似关系。

(2) 拟定了桥梁、隧道模型的相似比例、主要尺寸和制作方法，确定了隧道洞周围岩相似模拟材料的配制原则和配合比，并进行了相关材料性能试验；同时，介绍了桥隧搭接结构振动台模型试验平台测试系统及测试方法，以供今后类似试验参考。

(3) 分析了桥隧搭接结构振动台模型试验的初步测试结果及本文振动台试验方法的特点。初步试验结果表明，本文所构建的桥隧搭接结构振动台模型试验方法是一种行之有效的研究方法，能较好地模拟和深入研究强震作用下桥隧搭接结构动力响应特点及其变化规律，是确保后续研究取得良好结果的可靠保障。

本文为下一步深入进行软弱围岩条件下桥隧搭接结构大型振动台模型试验作了相关准备工作，试验结果的整理与分析见另文。