关于岩基和隧道在地震荷载及列车移动荷载作用下的动态响应的大规模实验研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Large-scale experimental study on dynamic response of bedrock and tunnel subjected to seismic and train moving loads

通过列车-轨道振动台系统的大规模物理模型实验，研究地震动与列车移动荷载耦合作用下地基和隧道的动态响应。结果表明地震动峰值加速度增加时地基均方根加速度显著上升，加速度水平谱特征从单峰向三峰演变；耦合效应下振动强度随地震动增强，且不同列车速度影响差异显著。该研究为复杂荷载下地下工程安全运营提供理论支撑。

　　

张凯|郭伟|胡贵波|罗俊涵|周长泰|郑亮|孔吉|邱家东|谢和平

中国深圳大学深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室，深圳518060

摘要

铁路的基岩及其下方的隧道经常受到列车运行载荷的影响，偶尔也会受到地震活动的影响。在极端条件下，它们可能会同时受到地震载荷和列车运行载荷的共同作用，从而导致动态损伤和不稳定。为了研究基岩和隧道在地震载荷和列车运行载荷作用下的动态响应，使用列车-轨道-振动台试验系统进行了大规模的物理模型实验。实验结果表明，在地震载荷作用下，模型的均方根加速度（a_rms）随着输入峰值地震加速度（PSA）的增加而增加。随着PSA的增加，加速度水平（ALs）从单一峰值演变为三个明显的峰值，且中心频率越高，峰值ALs越小。在列车运行载荷作用下，模型的a_rms随着列车运行速度（v_tr）的变化而没有显著变化。在地震载荷和列车运行载荷的共同作用下，模型的a_rms随着PSA的增加而增加。不同v_tr下的ALs相似，并且随着PSA的增加逐渐从单一峰值演变为三个明显的峰值。模态分析表明，模型在各种载荷条件下的自然频率基本保持不变。此外，在低v_tr下，列车运行载荷作用下的振动强度大于或等于地震载荷作用下的振动强度；而在高v_tr下，列车运行载荷作用下的振动强度大于地震载荷作用下的振动强度。这些研究结果对于确保基岩和隧道的安全运行具有重要意义。

引言

中国领土辽阔，地质条件极其复杂，超过50%的陆地面积属于地震强度超过7级的区域（谢等人，2023年）。然而，随着铁路建设的快速推进和地下空间的开发，许多铁路和隧道不可避免地建在了地震活跃区。大量地震表明，隧道在地震影响下容易受到动态损伤和破坏（王等人，2015a年）。此外，随着铁路和隧道的广泛建设，越来越多的铁路直接经过隧道（张等人，2023年）。此外，铁路直接经过涵洞的情况也很常见。列车运行引起的振动可能会干扰下方的隧道或涵洞（谢等人，2020年；钱等人，2019年）。实际上，中国秦沈高速铁路路堤（距离轨道中心3.5米处）测得的峰值颗粒速度（PPV）与美国加州洛马普列塔地震（震级6.9）期间地面记录的PPV相当（芬恩等人，1993年）。这表明，列车运行引起的振动对基岩以及附近隧道或涵洞的影响可能与地震相当（谢等人，2022年）。在地震活跃区，地震的发生具有不可预测性。在某些极端情况下，当地震发生在列车直接经过隧道或涵洞上方时，结构和铁路基岩将同时受到地震载荷和列车运行载荷的共同作用。由于地震和列车运行都可能干扰甚至损坏隧道，因此了解基岩和隧道在地震载荷和列车运行载荷共同作用下的动态响应对于确保隧道的安全运行至关重要。

目前，众多学者利用各种方法广泛讨论和研究了隧道的地震响应。物理模型实验方法，包括先进且广泛使用的振动台试验（杨等人，2021年；唐等人，2023年；鲍等人，2025年）和离心机试验（徐等人，2021年；吴等人，2024年；翁等人，2025年），已被用于研究隧道在地震作用下的动态行为。数值模拟方法，如有限元方法（王等人，2020年；刘等人，2024年）、有限/无限元方法（林等人，2017年）、离散元方法（卡米斯和埃尔沙米，2023年）、有限-离散元方法（瓦扎伊奥斯等人，2019年；巴等人，2025年），也被应用于研究隧道的地震响应。此外，由于理论分析方法应用方便且计算效率高，也被用于研究隧道地震响应（余等人，2018年；张等人，2019年；陈等人，2022年；张等人，2025年）。然而，目前大多数研究主要集中在隧道衬砌的动态响应或其地震性能上，对隧道周围岩体的研究相对较少。

隧道在列车运行载荷作用下的动态响应引起了学者们的广泛关注。已经提出了一些分析方法，如考虑列车轴间距的3D分析模型（福雷斯特和亨特，2006年）、考虑列车轴载荷的分析模型（隆巴尔特和德格朗德，2009年）、3D列车-轨道-隧道分析模型（迪等人，2018年；杨等人，2025年）等，用于探索列车运行引起的隧道动态行为。数值模拟方法，包括2.5D MFS-FEM模型（阿马多-门德斯等人，2015年）、3D FEM模型（埃尔卡西米等人，2013年）、2D和3D FEM模型（里尔等人，2015年）等，也被用于分析隧道在列车运行载荷作用下的动态行为。物理模型实验通过使用离心模型试验系统（辻野等人，2005年；周等人，2024年）、移动轮载荷试验系统（阿尔谢尔等人，2008年）、MTS试验系统（刘等人，2016年）、电磁振动台（杨等人，2018年）等，研究了列车引起的隧道振动问题。此外，学者们还通过现场试验研究了列车运行引起的隧道振动（关谷等人，2022年；胡等人，2024年）。然而，目前大多数研究集中在列车通过隧道时的响应上，而对于铁路位于隧道上方的情景研究较少。

目前，关于地震载荷和列车运行载荷共同作用下隧道响应的研究开始受到学者们的关注，但相关研究还较为有限。赵（2016年）研究了地震、列车运行和渗流耦合效应对隧道响应的影响。杨等人（2016年）对隧道在列车运行载荷作用下的地震响应进行了数值研究，并评估了列车运行的安全性。杨等人（2019年）利用三维有限差分方法研究了隧道在重载列车运行和地震共同作用下的动态行为，陈（2020年）研究了地铁隧道衬砌和底层土壤在列车振动和地震载荷作用下的行为。沙基亚等人（2023年）利用有限元分析研究了德里地铁隧道在地震和列车运行共同作用下的响应。然而，所有上述研究都集中在列车通过隧道的情景上，忽略了列车从上方经过隧道的情景。此外，所有研究都依赖于数值模拟，这需要简化假设，有时会导致结果不准确。

本研究旨在利用列车-轨道-振动台（TRST）试验系统进行大规模模型实验，研究基岩和隧道在各种载荷作用下的动态响应。本文余下部分的结构如下：第2节描述了实验设置；第3节展示了时域、频域和模态分析结果；第4节解释了一些异常现象，并比较了不同载荷条件下基岩和隧道的振动强度；第5节总结了研究结果。这些研究结果对于确保铁路和隧道在极端条件下的安全运行具有重要意义。

实验设置

实验设置

本研究的物理模型实验使用了TRST试验系统，该系统包括五个主要部分：模型列车、加速段、测试段、减速段和数据采集系统（刘等人，2022年；张等人，2023年）。加速段负责将模型列车加速到预设速度，而减速段用于降低模型列车的速度。测试段负责提供

时域分析

列车运行载荷和地震载荷都是随机激励。均方根（RMS）加速度能够捕捉振动信号的总体强度和能量特征，因此更适合分析由列车运行和地震载荷引起的基岩和隧道的振动。RMS加速度的定义如下（王等人，2005年）：$a_{\text{rms}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int <mn>0</mn><mi>T</mi>}_{}^{}a{\left(t\right)}^2{d}_t}$