鐵路隧道基底破壞力學(xué)形態(tài)的試驗研究

吳泊

摘要：對于鐵路隧道鋪底病害問題，目前在國外已引起足夠的重視，他們不僅局限于隧道病害的整治，更著重強化隧道底部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。目前我國工務(wù)部門在既有鐵路隧道的病害整治方面也取得了一定的成效，積累了一定的經(jīng)驗。但是要從根本上解決隧道基底的病害問題，還必須從隧道基底結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)上做更深入的理論研究及試驗測試。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；基底破壞；力學(xué)形態(tài)；試驗

一、試驗概況及試驗測試系統(tǒng)

1.試驗概況。根據(jù)試驗?zāi)康?，試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計不考慮隧道襯砌，其影響通過采用具有一定剛度的約束來模擬（試驗中兩端采用鋼板、前后正面為觀察裂紋采用有機玻璃），同時只考慮主要原因列車沖擊荷載的作用。試驗中針對不同鋪底結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多次重復(fù)振動試驗，直至隧道鋪底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋并最終破壞為止，記錄最終的試驗次數(shù)，即可選出最優(yōu)的隧道鋪底結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)試驗條件和實際需模擬的試驗范圍，取幾何比例系數(shù)為2∶1，即Cl=2。試驗?zāi)Ｐ途唧w設(shè)計尺寸如圖1所示。

2.由于不考慮材料自重的影響，測試結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力只與外加荷載有關(guān)，模型試驗材料的選取可不受相似判據(jù)的控制，因此模型試驗采用與實體結(jié)構(gòu)完全相同的材料制作。對于隧道基底圍巖，同樣采用混凝土材料進(jìn)行模擬。模型試驗中考慮了六種不同隧道鋪底結(jié)構(gòu)形式的工況，工況一的隧道鋪底為10cm厚C15素混凝土（模型試驗鋪底結(jié)構(gòu)厚度為實際厚度的1/2，以下同），工況二的隧道鋪底為20cm厚C20素混凝土，工況三的隧道鋪底為20cm厚C25鋼筋混凝土（雙層鋼筋，細(xì)筋密布，橫向為受力筋），工況四的隧道鋪底為20cm厚C25少筋混凝土（單層配筋且只有少數(shù)構(gòu)造鋼筋），工況五的隧道鋪底結(jié)構(gòu)為20cm厚鋼筋混凝土（雙層鋼筋），且鋪底與基巖之間加鋪瀝青墊層，工況六的隧道鋪底結(jié)構(gòu)為30cm厚素混凝土，每種工況進(jìn)行三組試驗。為真實反映現(xiàn)場基底所處的狀態(tài)，試驗中采用水箱在鋪底底部基巖中加水進(jìn)行模擬。

二、試驗測試項目、測試儀器及測點布置

試驗測試內(nèi)容主要包括隧道鋪底結(jié)構(gòu)在等幅應(yīng)力下的裂紋出現(xiàn)時間及使用壽命，隧道鋪底結(jié)構(gòu)頂面的壓應(yīng)力，不同加載次數(shù)下鋪底結(jié)構(gòu)頂?shù)酌娴膭印㈧o應(yīng)變以及疲勞裂紋的分布和擴展情況等。鋪底結(jié)構(gòu)頂?shù)酌娴膭印㈧o應(yīng)變采用膠基絲繞式應(yīng)變片進(jìn)行測試，具體鋪底混凝土板底部應(yīng)變測點布置位置見圖2（圖中尺寸單位為cm）。另外板上部布置一個測點（對應(yīng)圖2中5號點的位置，點號為7），軌枕底部布置了兩個應(yīng)變測點，測點布置成應(yīng)變花的形式，以求出各測點的主應(yīng)變和主應(yīng)力。

隧道鋪底結(jié)構(gòu)頂面的壓應(yīng)力采用單膜鋼弦式壓力盒進(jìn)行測試，壓力盒量程為1.0MPa。壓力盒布置在鋪底混凝土板上部，具體位置見圖3（圖中尺寸單位為cm）。測試儀器采用JMZX-300振弦檢測儀。鋪底結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋則采用放大鏡進(jìn)行觀察，加載一定次數(shù)即觀察一次。試驗中，采用PMS-500型數(shù)顯式疲勞試驗機實施加載，試驗機最大加載壓力為500kN，加載頻率為2～8Hz，試驗過程中可調(diào)整加載頻率。在進(jìn)行靜載試驗時為控制加載試驗力的大小，采用SCLY-2型數(shù)字測力儀對加載壓力進(jìn)行精確控制。模型與原型的荷載比關(guān)系為CN=4，將作用在軌道上的機車軸重23.0t進(jìn)行換算，則作用在模型軌道單軸的重量為5750kg。由于鋼軌的作用，機車單軸的重量并不完全作用于單根軌枕上，按較不利工況考慮，可得最大枕上靜壓力約為軸重的0.4倍，實際加載時取該值，即疲勞試驗時的加載壓力振幅為0～2300kg。

三、試驗結(jié)果及分析

1.鋪底裂紋擴展情況及分析

各組試驗疲勞裂紋的出現(xiàn)時間及描述見表1，試驗后鋪底板的典型裂紋分布，由試驗結(jié)果可知：

在機車軸重靜載的作用下，各種工況下的隧道鋪底混凝土板均未產(chǎn)生裂紋，而在機車振動沖擊荷載的作用下，經(jīng)過一定的加載次數(shù)后，隧道鋪底混凝土板均產(chǎn)生了裂紋，而且隨著加載次數(shù)的增加，裂紋不斷擴展加寬，這說明隧道鋪底混凝土板是在列車振動沖擊荷載的循環(huán)反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞破壞的。

0cm厚雙層配筋鋪底混凝土板（包括鋪底與基巖間加墊層和不加墊層兩種工況）一般在加載100萬次以上才開始出現(xiàn)疲勞裂紋，且裂紋擴展緩慢，其疲勞壽命估計至少在300～400萬次；而20cm素混凝土鋪底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋的時間一般在加載2萬次左右，且裂紋擴展迅速，加載40萬次左右后鋪底即已基本斷裂，可以認(rèn)為該種隧道鋪底混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為40萬次左右；30cm素混凝土鋪底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋的時間一般在加載10萬次左右，且裂紋擴展也較為迅速，加載80萬次左右后鋪底即已基本斷裂，由此可見鋼筋混凝土鋪底結(jié)構(gòu)的疲勞性能要大大優(yōu)于素混凝土鋪底結(jié)構(gòu)。

2.從總體分布來說，鋪底混凝土破損及裂紋基本出現(xiàn)在沿線路縱向，兩根鋼軌的正下方附近。這說明隧道鋪底混凝土在機車荷載作用下以出現(xiàn)沿線路縱向的縱裂為主，因此對于鋪底混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)從橫向予以加強。

四、鐵路隧道病害整治措施

1.修復(fù)快速性

現(xiàn)階段，由于鐵路隧道的行車密度較大、天窗時間有限，白天根本無法對使用中的鐵路隧道進(jìn)行檢查和維修，所以只能將日常維修安排在夜間停運階段進(jìn)行。若病害整治工作時間過長，勢必會影響列車的正常運營，并且造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此鐵路隧道基底的病害整治作業(yè)必須快速完成，所選用的修補材料應(yīng)當(dāng)具有較高的成型性，以避免對列車的正常運營造成不利影響。

2.擾動最小化

鐵路隧道基底線路的幾何尺寸變化必須控制在墊板和扣件允許調(diào)整的范圍內(nèi)，并且在調(diào)整時不能對道床進(jìn)行擾動，當(dāng)出現(xiàn)調(diào)整范圍超出允許值時，必須加以整治。整治方案的制定應(yīng)當(dāng)以調(diào)整超出的管理值大小為依據(jù)，進(jìn)行分級處理，采取有效整治措施減少對基底結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的擾動，確保其功能正常使用。

3.提高整治的效率

對鐵路隧道排水溝的整治工作，應(yīng)采取與軌道結(jié)構(gòu)同步整治的方式進(jìn)行，以提高病害整治效率，減少重復(fù)作業(yè)造成的資源浪費。

五、結(jié)論

總之，鐵路隧道基底病害的整治是一項較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工程，由于基底病害產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，加之各方面的影響因素較多，從而給病害的整體防治工作增大了難度。同時在對病害治理的過程中，還要盡可能不影響正常的列車營運，這就需要采取行之有效地措施，對基底病害進(jìn)行快速修復(fù)。隨著鐵路工程的不斷增多，隧道基底病害也必然會有所增加，為此，應(yīng)不斷加大對基底病害整治的研究力度，以此來確保列車的安全、高效運營。

參考文獻(xiàn)：

[1]施成華，彭立敏，黃娟.鐵路隧道基底病害產(chǎn)生機理及整治措施[J].中國鐵道科學(xué)，2015，04：62-67.

[2]趙晉友，周魯，周書明.重載鐵路隧道設(shè)計技術(shù)探討[J].隧道建設(shè)，2014，03：336-340.

[3]蔡斌.高速鐵路隧道基底軟巖動力響應(yīng)及疲勞損傷特性研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2015.