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拟建铁路大理至瑞丽线的高黎贡山隧道全线设计长度34.540 Km,将成为世界第七长大隧道。高黎贡山隧道地形地质条件极其复杂,具有“三高”(高地震烈度、高地应力、高地热)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程)于一体的特点。因此以高黎贡山隧道为工程背景开展大型振动台物理模型试验,对于研究隧道在不同地震波加载条件下的动力响应特征具有重要的实际意义。 选择了适合本次试验的相似材料及配比之后,在确定试验模型设计方案的基础上,通过预制砌块结合现场浇注的模型制作方法,开展了振动台模型试验。通过量测分析模型洞口段边坡、围岩及隧道结构的加速度、动土压力响应等,从而确定了影响隧道洞口段抗震稳定性的控制因素及相关条件。试验过程中,在模型内设置了抗震缝监测断面和减震层监测断面,对比研究了抗减震措施的减震效果,并提出合理的抗减震设防建议。 通过对试验现象的观察和对试验数据的分析,主要获得了以下试验成果: (1)以相似理论为基础,结合高黎贡山隧道洞口段的地形地貌特点和围岩特征,确定出试验段模型的各种相似关系,并结合前人的研究经验,选取石英砂、重晶石粉、石膏、甘油、水等基本相似材料,按照特定配比制作围岩相似材料;确定了钢筋网、工字钢等支护结构的模拟材料和模拟方法,并以内置钢丝网的石膏隧道模型作为隧道二衬结构模型。 (2)通过对隧道结构不同部位自振频率分析,发现隧道结构不同部位自振频率表现并不一致,模型拱底Z向响应时,二阶频率范围附近的能量集中程度明显高于一阶频率范围,其幅值与隧道结构其他部位一阶频率震动时的能量幅值相当。 (3)通过对振动台台面输出地震波特征的分析,发现X台面输出地震波在Z向出现了放大效应,可能导致在加载过程中与Z向相关的动力响应数值普遍偏大。 (4)结合高黎贡山隧道洞口的围岩结构特征和现场试验条件分析,分别分析了洞口边坡、围岩和隧道结构在不同地震波以不同幅值和不同方向条件下的动力响应特征,并总结了相关的试验规律。 对于洞口边坡而言,分别从横向和竖向两方面入手分析了边坡的动力响应特征,发现隧道洞口左侧的加速度动力响应特征大于洞口右侧的加速度动力响应特征,同时,随着加载地震波幅值的不断增大,沿更多的方向加载地震波将会出现边坡Z向加速度的放大效应。 对于隧道围岩而言,当以与Z向相关的方向加载地震波时,Z向响应峰值呈明显幅度增长,分异现象严重,拱顶上方围岩的峰值响应水平明显高于边墙外侧及仰拱下方围岩的峰值响应水平。 对于隧道结构而言,分别从单个监测断面不同部位的动力响应特征以及沿隧道轴线方向不同进深相同部位的动力响应特征入手,分析并总结了相应的震动响应规律。 对于单个横断面的响应特征,当地震波加载方向与Z向(竖直方向)相关时,隧道结构的加速度响应峰值较大,尤其在隧道仰拱部位,Z向加速度响应出现较大的增加,对隧道仰拱可能造成较大的危害;对于纵断面不同部位的震动响应特征,总体来说响应特征较为复杂,规律性较差,随隧道进洞深度的增加,不同部位的加速度响应拥有各自的特点。 (5)通过对抗震缝减震效果的对比研究发现,设置抗震缝后,隧道结构沿轴向方向减震效果较好,但对于垂直于隧道轴线的方向,环向抗震缝的设置导致隧道结构的完整性遭到一定的破坏,导致边墙部位承受更大的应变变形,在实际工程中将可能导致抗震缝附近发生明显的剪切或弯折破坏特征。通过对减震层减震效果的对比研究发现,总体上来说,设置减震层后对于隧道的减震效果是明显的,尤其对于隧道拱顶结构而言,减震层的设置能较好的吸收地震能量,保护隧道结构不受破坏。 (6)总结了高黎贡山隧道在地震过程中不同部位所面临的动力稳定问题,并结合不同加载地震波的分类,对高黎贡山隧道的抗震稳定性进行了综合评价。 洞口边坡所面临的动力稳定性问题主要为两方面:一是Rayleigh面波作用下的动力稳定性问题;二是天然地震波和人工合成地震波作用下的动力稳定性问题。隧道结构面临三方面的动力稳定问题,一是Rayleigh面波作用下的动力稳定性问题:二是天然地震波和人工合成地震波作用下的动力稳定性问题;三是冲击荷载作用下的动力稳定性问题。在此基础上,提出了适应于高黎贡山隧道的抗减震措施建议。