某隧道洞口仰坡動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究★

畢全超 付之信 王學(xué)蕾 張銘修

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

?

·橋梁·隧道·

某隧道洞口仰坡動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究★

畢全超 付之信 王學(xué)蕾 張銘修

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了不同車輛軸重與車速對(duì)隧道仰坡動(dòng)力響應(yīng)的影響，分析了不同車速和車輛軸重的列車通過時(shí)，引起隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)特性，指出仰坡的動(dòng)力響應(yīng)與列車的速度有關(guān)，在列車的速度不斷增大時(shí)，隧道仰坡的振動(dòng)加速度峰值也相對(duì)增大，且仰坡中部的加速度峰值比仰坡底部要略大一些；從對(duì)仰坡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析和1/3倍頻程分析中可知，仰坡的動(dòng)力響應(yīng)特性與列車的軸重有關(guān)。

隧道，仰坡，動(dòng)力響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，山區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度加快，形成了大量的高陡邊坡，引發(fā)了頻繁的崩塌落石地質(zhì)災(zāi)害，尤其是在鐵路、公路建設(shè)等方面更為突出[1,2]。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開始對(duì)邊坡及隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)問題和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，1994年我國(guó)學(xué)者鄭黎明運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法針對(duì)鐵路邊坡巖體受到列車振動(dòng)激發(fā)的特性，提出了“裂隙巖體結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)”這一概念[3]。張友葩、劉增進(jìn)、高永濤等通過對(duì)雙動(dòng)源荷載作用下的邊坡的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，作用于邊坡頂部的公路荷載對(duì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)的影響遠(yuǎn)大于作用在邊坡底部的鐵路荷載的影響[4]。李華東、姜永玲、鄧輝運(yùn)用FLAC3D軟件以某高速鐵路隧道進(jìn)出口邊坡為研究對(duì)象，分析在列車荷載作用下該邊坡的應(yīng)力，變形及穩(wěn)定性等問題，結(jié)果表明在隧道底部及兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且列車荷載將在邊坡內(nèi)地層分界面附近、軟弱夾層內(nèi)、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面附近、開挖面附近形成剪應(yīng)變?cè)隽繋?，極大的影響邊坡的穩(wěn)定性[5]。楊喆、王家鼎、林杜軍利用FLAC3D建立數(shù)值模型對(duì)不同列車運(yùn)行速度下的黃土邊坡的擾動(dòng)程度和邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出邊坡的擾動(dòng)性和穩(wěn)定性隨列車運(yùn)行速度的變化規(guī)律[6]。韓坤立、劉軍通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬分析了列車振動(dòng)荷載作用下軟硬互層邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變和加速度的變化規(guī)律[7]。吳冬、高波、申玉生等利用模型試驗(yàn)的方法建立隧道洞口段大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，用以研究地震作用下隧道仰坡的動(dòng)力特性及仰坡和襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用[8]。本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更進(jìn)一步的對(duì)隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工程概況

1.1 測(cè)量?jī)x器的選擇

本次試驗(yàn)采用的測(cè)試儀器是北京必創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的A301/A302型無線加速度節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)內(nèi)置三相加速度傳感器，支持10 G加速度測(cè)量，節(jié)點(diǎn)的空中傳輸速率可以達(dá)到250 kBPS，有效室外通訊距離可達(dá)到300 m。

1.2 工程概況

豐沙線58號(hào)隧道位于豐沙線快速鐵路上，在豐沙線63號(hào)隧道上方，與49號(hào)橋梁相接，隧道與橋梁連接方式為橋隧并接。地理位置在張家口市懷來縣官廳鎮(zhèn)豆?fàn)I村與舊莊窩火車站之間，并在永定河旁。山體最大高度約為262 m，隧道的高度和寬度分別為5.62 m和7.013 m，隧道總長(zhǎng)度為875 m。隧道的洞門是端墻式洞門。平縱均位于直線段，本隧道設(shè)計(jì)速度為100 km/h，隧道所處山體地層為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。山坡較陡，自然坡度30°～35°，部分地區(qū)達(dá)到40°以上，植被較發(fā)育，多為雜草。隧道所屬地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。其氣候特點(diǎn)是：一年四季分明，冬季寒冷而漫長(zhǎng)；春季干燥多風(fēng)沙；夏季炎熱短促降水集中；秋季晴朗冷暖適中。洞口位置的確定遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，洞口邊仰坡開挖高度較高，洞口地形地質(zhì)條件較好，下方是豐沙線63號(hào)隧道，為交叉型隧道。隧道為地形偏壓隧道，巖層產(chǎn)狀為反傾。隧道洞口仰坡頂部防護(hù)為SNS主動(dòng)+被動(dòng)。仰坡高度約為15 m，仰坡傾角為75°，仰坡地層為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，仰坡巖層產(chǎn)狀為偏壓反傾。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

此次試驗(yàn)在隧道仰坡的坡底(即洞口上方)，和仰坡的中間位置布置測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)4434布置在仰坡中部、測(cè)點(diǎn)4435布置在仰坡底部)，并保證測(cè)點(diǎn)所在平面與隧道縱斷面垂直，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2 測(cè)試結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了北京—張家口方向運(yùn)行的列車運(yùn)行引起隧道仰坡的垂直振動(dòng)響應(yīng)。測(cè)區(qū)通過的車輛類型、隧道屬性及運(yùn)行速度等如表1所示。

表1 測(cè)試列車類型、隧道屬性及運(yùn)行速度

2.1 振動(dòng)峰值加速度分析

現(xiàn)場(chǎng)分別測(cè)試了由北京開往張家口方向的5輛列車，分別是以66.4 km/h通過的貨車和65.8 km/h，62.28 km/h，61.3 km/h，69.02 km/h通過的客運(yùn)車引起測(cè)點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果按照下式統(tǒng)計(jì)得到各測(cè)點(diǎn)的最大峰值振動(dòng)加速度如表2所示。

amax=max|a(t)|。

根據(jù)表2可以看出：同一列火車通過時(shí)，仰坡中部的加速度峰值要比仰坡底部的振動(dòng)加速度峰值相對(duì)大一些；不同列車通過時(shí)，仰坡的振動(dòng)加速度峰值隨著列車速度的增大而增大。

2.2 振動(dòng)頻域響應(yīng)測(cè)試結(jié)果及分析

振動(dòng)頻譜反映了振動(dòng)頻率成分以及振動(dòng)能量的分布情況。按照下式對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)序列進(jìn)行傅立葉變換[9]，得到不同列車運(yùn)行引起的地面各測(cè)點(diǎn)的頻譜如圖2～圖6所示。

FA(ω)=∫-∞+∞A(t)·e-iωtdt。

其中，A(t)為時(shí)域數(shù)據(jù)序列；FA(ω)為頻域的譜函數(shù)序列；ω=2πf。

從圖2～圖6仰坡在不同列車通過時(shí)測(cè)點(diǎn)的垂直方向振動(dòng)加速度頻譜曲線可以看出：隧道仰坡的頻譜曲線的變化與列車的種類有關(guān)，在貨車通過時(shí)，仰坡中部的頻譜曲線比在客運(yùn)車通過時(shí)的頻譜曲線的幅值略大一些，且出現(xiàn)多個(gè)單峰值的現(xiàn)象。仰坡底部的頻譜曲線在列車作用下的總體變化趨勢(shì)相差不多，但是在貨車通過時(shí)頻譜圖的振動(dòng)幅值比客車通過時(shí)的幅值相對(duì)較小。仰坡底部的頻譜曲線主要振動(dòng)頻率分布在0 Hz～35 Hz，相對(duì)于仰坡中部而言，振動(dòng)能量分散的較快。

2.3 振動(dòng)的1/3倍頻程分析

1)1/3倍頻程的概念。

為方便起見，在對(duì)振動(dòng)做頻譜分析時(shí)，將振動(dòng)的頻譜范圍分成若干個(gè)相連的頻率段，稱每一個(gè)小的頻率段為頻程或頻帶。頻帶的高截止頻率和低截止頻率分別記為f2和f1，對(duì)n倍頻程的定義為[10]：

當(dāng)n=1時(shí)，頻程稱為倍頻程；當(dāng)n=1/3時(shí)，頻程稱為1/3倍頻程。各頻程通常用其中心頻率f0來表示，f0是f2，f1的幾何平均值，其關(guān)系為：

通過對(duì)隧道洞口仰坡的振動(dòng)進(jìn)行1/3倍頻程分析，可以更加清楚的看到各頻帶內(nèi)的振動(dòng)的變化情況。

2)列車通過隧道洞口時(shí)引起測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的1/3倍頻程分析。

從圖7～圖11中振動(dòng)的1/3倍頻程分析可知：總體而言，貨車通過時(shí)的1/3倍頻程在仰坡中部的加速度級(jí)比客運(yùn)車通過時(shí)此測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)要略大一些，與測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜曲線分析的結(jié)果基本一致；從貨車通過時(shí)各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程曲線圖中可知，仰坡中部的1/3倍頻程曲線在中心頻率為63Hz和80Hz時(shí)相對(duì)持平，仰坡底部1/3倍頻程曲線變化比較大，在中心頻率為20Hz時(shí)開始下降。從客運(yùn)車通過時(shí)各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程曲線圖中分析可知，在不同速度的客運(yùn)車通過時(shí)，仰坡各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程曲線的變化趨勢(shì)相差不多，在仰坡中部，都是從中心頻率在80Hz時(shí)開始下降，而邊坡底部測(cè)點(diǎn)的加速度級(jí)是在中心頻率在25Hz時(shí)開始下降，說明振動(dòng)能量在邊坡底部發(fā)散的較快，與頻域分析基本一致。

3 結(jié)語

通過對(duì)隧道仰坡的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并對(duì)其進(jìn)行分析，可初步得到以下觀點(diǎn)：1)在列車荷載作用下，仰坡各個(gè)測(cè)點(diǎn)在同一列火車通過時(shí)，仰坡中部測(cè)點(diǎn)的加速度峰值比仰坡底部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值相對(duì)大一些；不同列車通過時(shí)，仰坡各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值隨著列車速度的增大而增大；2)仰坡在各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻域曲線在貨車通過時(shí)的振動(dòng)趨勢(shì)與客運(yùn)車通過時(shí)的振動(dòng)趨勢(shì)不同，說明隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)與列車的軸重有關(guān)，列車軸重較大的列車引起的振動(dòng)頻率的幅值相對(duì)較大；3)對(duì)實(shí)測(cè)仰坡各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析可知貨車通過時(shí)的1/3倍頻程在仰坡中部的加速度級(jí)比客運(yùn)車通過時(shí)此測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)要略大一些，與測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜曲線分析的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步說明隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)與列車的軸重有關(guān)。

[1] 胡厚田.崩塌落石研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2005(z1):387-391.

[2] 于國(guó)新.張集鐵路玄武巖崩塌落石特征研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008,25(12):9-13.

[3] 鄭黎明.鐵路邊坡巖體的振動(dòng)特性和機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1994,13(1):69-78.

[4] 張友葩,劉增進(jìn),高永濤,等.雙動(dòng)載源下土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(9):36-38.

[5] 李華東,姜永玲,鄧 輝.列車振動(dòng)荷載作用下某巖質(zhì)邊坡應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)力響應(yīng)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011,38(3):42-48.

[6] 楊 喆,王家鼎,林杜軍.高速鐵路黃土路塹邊坡變形的動(dòng)力數(shù)值模擬[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(4):137-141.

[7] 韓坤立,劉 軍.高速列車振動(dòng)荷載下軟硬互層邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2013,24(1):109-112.

[8] 吳 冬,高 波,申玉生,等.隧道仰坡地震動(dòng)力響應(yīng)特性振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014,35(7):1921-1928.

[9] 張光明.高速鐵路路基段地面振動(dòng)響應(yīng)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2014.

[10] 毛東洋,洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程[M].第2版.北京:高等教育出版社,2010:16-18.

Experimental study on the dynamic response of tunnel entrance slope★

Bi Quanchao Fu Zhixin Wang Xuelei Zhang Mingxiu

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering,Zhangjiakou075000,China)

In this article through the field test, the primary test for different vehicle axle load, the influence of different speed up slope dynamic response of the tunnel, in order to understand different speed and vehicle axle load by the train, cause tunnel dynamic response characteristics of upward slope. Point out the dynamic response of upward slope is related to the speed of the train, the train speed increasing, the tunnel vibration acceleration peak value of upward slope has increased relatively, and the peak acceleration of upward slope in the middle is slightly larger than the back bottom. From the back slope and 1/3 octave spectrum analysis of the measured data analysis, the dynamic response characteristics of upward slope is associated with the axle load of the train.

tunnel, upward slope, dynamic response, field measurement

1009-6825(2017)14-0154-03

2017-02-22

畢全超(1981- )，男，碩士，副教授

U453.1

A

★:河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金,橋隧過渡段仰坡動(dòng)力響應(yīng)及落石災(zāi)害防治研究(項(xiàng)目編號(hào)：XB 201710)