[发明专利]水‑海床‑海底隧道动力反应试验方法及振动台装置

说明书

技术领域

本发明涉及海底环境力学试验技术领域，具体涉及水-海床-海底隧道动力反应试验方法及振动台装置。

背景技术

近年来，随着我国经济快速发展，国家财力不断增强，人民生活水平也有了飞速提高。不同地域之间特别是沿海发达地区之间的联系变的更加紧密，对跨海交通的需求与日俱增。海底隧道等跨海工程多位于海洋大陆架边缘，所处的海洋工程地质环境十分复杂，海底土层为多孔多相介质，岩体为裂隙饱水介质；与陆域隧道相比，海底隧道的衬砌结构除了承受有效覆盖层荷载之外，还需承受由海水导致的静荷载，其受力十分复杂。1995年日本阪神地震和2008年汶川地震都发生了隧道破坏的现象。因此，我国近年来大量已建、在建及规划的海底隧道都将受到地震，特别是强震荷载作用的威胁。我国沿海地区的渤海湾、台湾海峡、琼州海峡等地区处于世界上三大地震带之中地震最强烈的环太平洋地震带上，海底隧道抗震问题尤其突出，是建造这些工程所必须解决的技术难题。

然而，地震荷载作用下海底隧道安全稳定性方面的研究，国内还基本处于空白，对海底隧道在强地震荷载作用下的破坏机理进行研究，显得意义重大且迫切^[1]。高峰^[2]等针对地震中不同埋深隧道的破坏程度进行了模型试验以研究不同埋深下隧道衬砌的地震应力特性。为了更多地考虑隧道埋深因素，模型箱设置较高，模型宽×长×高为2.4m×1.1m×3.5m采用，钢性固定边界，主体框架为7号等边角钢焊接而成，四面用5mm厚型钢钢板作围护。同时，为了限制模型箱的变形，在四周安置了4对斜支角钢支撑，模型箱背侧预留观测孔。为了保证振动台模型试验结果的准确性，在模型箱内侧沿垂直隧道方向的两侧壁铺设了光滑的聚乙烯塑料薄膜，在与隧道平行的两个侧面铺设一层聚苯乙烯泡沫板，在模型箱底部粘贴了一层卵石^[2]。张学明^[3]等设计了沉管隧道振动台模型试验土箱。模型箱尺寸为7.3m(纵向)×2.8m(横向)×1.2m(高)，拟使用四个振动台，每个振动台间距为1m(振动台尺寸为1m×1m)，由此将模型箱分成四个部分，其中，两个边箱的净尺寸为1.5m(纵向)×2.8m(横向)，两个中间箱的净尺寸为2m(纵向)×2.8m(横向)，相邻两个刚箱之间的间距为0.1m，钢框架用70mm×70mm×5mm的角钢焊接而成，刚底板厚1cm，钢板下焊接工字钢和加劲肋，防止土体过重导致底板变形。框架里布置15mm厚橡胶板，橡胶板内部是200mm泡沫板，其中，橡胶板和刚框架用小螺栓连接，橡胶板和泡沫直接用泡沫胶密封，两刚箱底板间用钢板连接[3]。

中国专利文件CN102353505B公开了吴国雄等发明的振动试验设备压力补偿方法及装置，该方案解决了传统电动振动设备只能在空气而不能在水(或其他流体)中以正常效率工作的问题。该发明专利指出，为保证设备在水中的正常电磁转换的功能，需进行密封，但同时会造成内外压力差，此压力差将对台面产生一个作用力，而作用力过大会导致设备无法正常工作。为解决该问题，该方案中设置了一个根据内外部压力差自动调整压力的密封气室。因此该发明解决了水下电动振动设备由于密封性带来的压力差问题，保证了水下振动设备的正常运行。中国专利申请文件CN102620899A公开了陶连金等发明的一种岩石隧道振动台试验模拟围岩地应力的自加载装置，该方案解决了振动台模型试验中无法模拟隧道真实地应力状态和不同的初始应力状态的问题，克服了目前无法施加、试验严重失真的不足，解决了地震条件下围岩地应力的模拟问题。但这些方案只适用于地表以上的环境力学模拟，对于海底工程并未给出任何启示。

综上所述，尽管在地表隧道振动台试验方面已经有了许多研究，然而海底隧道地质条件恶劣、受力状况复杂，因此，海底工程的隧道振动研究并不能直接借用地表隧道振动台装置及方法。且大量土体本身已使得地下结构抗震试验带来了许多条件的限制，更难以考虑深水的水体质量，目前还没有适用于海底隧道的振动台装置或方法。振动台试验的不同水深的处理增加了试验的困难，难以精确的考虑水深带来的不同压力且试验模拟水深过大会增加土箱的重量，亟需设计出一种能够精确考虑隧道海水浓度带来不同压力的振动台装置以便于为建造海底隧道抗震工程提供可靠的数据。

参考文献：

[1]苗朝阳，杨森，耿振刚。海底隧道抗震研究现状[J]。自动化与仪器仪表，2016，(5)：28。

[2]高峰，孙常新，谭绪凯等。不同埋深隧道的地震响应振动台试验研究[J]。岩土力学，2015，36(9)：2517-2518。