雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受力特性現(xiàn)場激振試驗(yàn)研究

李自強(qiáng)， 王明年， 于 麗， 徐湉源， 吳圣智， 趙銀亭

(1. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶 401331;2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

隨著鐵路貨運(yùn)需求的增大，目前重載鐵路已成為各國主要發(fā)展對象[1]。鑒于重載鐵路軸重大、總重大、行車密度和運(yùn)量特大等特點(diǎn)，重載鐵路隧道較普通鐵路隧道會受到較大的列車荷載作用，因此基底結(jié)構(gòu)有更高的承載力要求[2]。通常情況下雙線重載鐵路隧道一般設(shè)計(jì)為貨運(yùn)重載線路和客運(yùn)普通線路分開使用，重載列車荷載會增加貨運(yùn)線路的列車荷載附加值，引起基底結(jié)構(gòu)受力不平衡從而出現(xiàn)失穩(wěn)，引發(fā)相應(yīng)病害嚴(yán)重影響行車安全[3-5]。研究雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在不同軸重列車作用下的受力特性，對其設(shè)計(jì)參數(shù)的選取具有積極意義。

目前國內(nèi)外針對重載列車荷載作用已經(jīng)取得了一定研究成果。楊新文[6]利用輪對軸向切片投影法研究了重載鐵路輪軌標(biāo)準(zhǔn)型面30 t列車作用下的輪軌法向接觸應(yīng)力并得出其與搖頭角和側(cè)滾角的關(guān)系；呂文強(qiáng)[7]根據(jù)不同荷載模式下重載鐵路路基的荷載特征，基于地基系數(shù)K30提出了基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；尹成斐[8]分析了雙線重載鐵路隧道中填充層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，證實(shí)重載列車荷載作用主要集中在基底結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)受到的影響較小。時(shí)瑾[9]以重載列車引起的加速度、位移、輪軌作用力和脫軌系數(shù)為評判標(biāo)準(zhǔn)，分析了重載鐵路橋上曲線半徑設(shè)置值。上述研究多通過有限元分析或室內(nèi)試驗(yàn)對重載鐵路橋梁和路基進(jìn)行分析。因?yàn)樗淼赖刭|(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)存在較大難度，對隧道基底結(jié)構(gòu)在重載列車荷載作用下的受力特性研究存在很大的局限性。本文通過張?zhí)凭€付營子隧道Ⅴ級圍巖監(jiān)測斷面大型現(xiàn)場激振試驗(yàn)，模擬了25、27、30 t的3種軸重荷載作用，分析了雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)面上的靜壓力和列車荷載附加值。根據(jù)道床至圍巖表面的動(dòng)壓力附加值分布及傳遞規(guī)律，擬合得出了列車荷載作用下動(dòng)壓力附加值的豎向衰減方程。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

張?zhí)畦F路是目前我國已建成的第三條能源大通道，以貨運(yùn)為主。付營子重載鐵路隧道起訖里程為DK291+037～DK301+060長10 023 m，為最長的隧道之一，最大埋深約502.6 m。隧道采用單洞雙線的斷面型式，左線為貨運(yùn)重載線路，右線為客運(yùn)線路。其Ⅴ圍巖設(shè)計(jì)襯砌斷面見圖1。

根據(jù)付營子隧道TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)顯示：DK294+165～DK294+310段巖性為流紋質(zhì)凝灰?guī)r、正長斑巖，呈碎塊結(jié)構(gòu)，圍巖級別推斷為Ⅴ級。結(jié)合參考文獻(xiàn)[10]，Ⅴ級圍巖及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 付營子隧道DK294+285試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號彈性模量/GPa泊松比重度/(kN·m-3)圍巖-2.00.2420.3初期支護(hù)C2528.00.1623.0二次襯砌C3031.00.2023.0仰拱填充C2028.50.2023.0仰拱C3031.00.2023.0道床C4033.50.2025.0

1.2 試驗(yàn)工況

本次現(xiàn)場激振試驗(yàn)采用DTS-1型現(xiàn)場動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。改試驗(yàn)系統(tǒng)的原理是通過不同配重塊和頻率的組合模擬輸出高幅變化的激振力[11-12]?？紤]到付營子隧道的通車模式，激振試驗(yàn)作用位置選在左線路即重載線路道床結(jié)構(gòu)混凝土軌枕表面，見圖2。

為模擬軸重25、27、30 t的重載列車作用，根據(jù)激振設(shè)備自身的特點(diǎn)選取了14、9、11 Hz激振頻率，配合相應(yīng)的配重塊組合。主要試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 付營子隧道Ⅴ級圍巖試驗(yàn)斷面工況

1.3 傳感器布設(shè)

本次試驗(yàn)所采用測試元件除需要滿足靜態(tài)長期采集外，還需要滿足實(shí)時(shí)動(dòng)力監(jiān)測，因此選用光纖光柵傳感器在基底結(jié)構(gòu)道床表面、填充層表面、仰拱表面和圍巖表明各結(jié)構(gòu)層分層進(jìn)行測點(diǎn)埋設(shè)，埋設(shè)點(diǎn)見圖3。

對于隧道結(jié)構(gòu)而言，超靜定結(jié)構(gòu)會受到荷載長期效應(yīng)更為明顯，考慮到在激振試驗(yàn)完畢后，基底結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)需滿足長期監(jiān)測，因此道床表面土壓力計(jì)(DT-1～DT-3)量程為10 MPa，仰拱填充層表面土壓力計(jì)(DT-4～DT-7)量程為5 MPa，仰拱表面土壓力計(jì)(GT-1～GT-7)和圍巖表面土壓力計(jì)(WT-1～WT-8)均為2 MPa，考慮到列車通過時(shí)的振動(dòng)特性，采集頻率為100 Hz即時(shí)間間隔為0.01 s。

2 靜荷載壓力

付營子隧道K294+285監(jiān)測斷面自2014年9月12日開始進(jìn)行基底結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的安裝，于2015年4月22日結(jié)束，基底結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層接觸壓力最終靜力量值見表3。

表3 基底結(jié)構(gòu)靜荷載壓力值 kPa

由表3可知，激振試驗(yàn)開始前，基底結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的靜壓力分布基本上呈現(xiàn)由上至下逐漸減小。對于道床表面而言，靜壓力最大值出現(xiàn)在左線路右軌，為400.400 kPa。靜壓力傳遞到填充表面時(shí)，左線路中心靜壓力最大，為270.000 kPa。

當(dāng)靜壓力傳遞到仰拱結(jié)構(gòu)表面時(shí)可以看出，左線路位置的靜壓力相對較大，其中左線路中心為181.571 kPa，隨著橫向距離的增加，靜壓力向兩側(cè)減小。仰拱表面靜壓力分布并不對稱，這是由于隧道所處的地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，受到環(huán)境的影響較大，同時(shí)仰拱施工質(zhì)量存在人為差異，使其表面受力并不對稱。

從圍巖表面靜壓力橫向分布規(guī)律可以看出，靜壓力最大值出現(xiàn)在圍巖表面右拱腳，量值為157.702 kPa；靜力荷載在左右兩幅分布仍不對稱，荷載值具有一定的不均勻性，這是由于Ⅴ級圍巖性狀較為破碎，底部土體分布并不均勻，因此會在一定程度上造成基底圍巖的偏壓受力，同時(shí)也會影響到仰拱表面的靜壓力分布。

3 激振試驗(yàn)結(jié)果分析

付營子隧道DK294+285試驗(yàn)斷面自2015年6月4日開始試驗(yàn)，根據(jù)不同激振頻率及配重組合共模擬3種工況下基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。因?yàn)槠拗?，?7 t軸重為例，僅列舉部分測點(diǎn)列車作用下的典型動(dòng)壓力附加值時(shí)程曲線，具體分析如下。

3.1 道床動(dòng)壓力

道床左線路動(dòng)壓力附加值時(shí)程曲線，見圖4。

激振試驗(yàn)動(dòng)力影響下，25～30 t的重載列車作用下的道床結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力響應(yīng)表現(xiàn)為類似規(guī)律性。對于道床表面的動(dòng)壓力附加值，軌道位置(DT-2)因直接受到激振作用而使動(dòng)力響應(yīng)最為劇烈；當(dāng)列車荷載傳遞到道床底面時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)逐漸衰弱，其中線路中心(DT-5)動(dòng)壓力變化相對較大。

時(shí)域分析可以看出，列車荷載引起動(dòng)壓力附加值變化的幅值和其時(shí)間歷程[13～15]。對于重載列車的動(dòng)力作用，荷載的頻域分析能夠掌握荷載的頻譜幅值分布特征，以道床表面軌道測點(diǎn)的動(dòng)壓力附加值為例，將其40 s內(nèi)時(shí)域信號通過快速傅里葉變換得到相應(yīng)的3種軸重下的幅值頻譜圖，見圖5。

由圖5可知，25～30 t 3種模擬軸重下，動(dòng)壓力的頻域特征基本相同。在0～50 Hz頻域范圍內(nèi)，30 t軸重下頻域幅值的峰值分別在0.9 Hz和7.4 Hz附近，27 t軸重下頻域幅值的峰值分別在0.7 Hz和7.4 Hz附近，25 t軸重下頻域幅值的峰值分別在1.9 Hz和7.4 Hz附近。可以看出，重載列車引起的動(dòng)荷載低階頻率在0～2.5 Hz范圍內(nèi)比較集中，表明重載列車對道床結(jié)構(gòu)的荷載作用屬于低頻作用。

提取各工況下道床結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值，并與相應(yīng)測點(diǎn)的靜壓力進(jìn)行比較，見表4。

表4 各工況下道床各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值

由表4可知，激振試驗(yàn)影響下道床表面動(dòng)壓力附加值幅值大于道床底面，此外，重載線路動(dòng)力響應(yīng)劇烈于客運(yùn)線路。對于道床表面列車荷載附加值幅值而言，重載線路軌道位置最大，30 t軸重下降到27 t時(shí)，幅值衰減26.00%；27 t下降到25 t時(shí)，幅值衰減13.58%。道床底面重載線路中心位置的動(dòng)壓力附加值最大，30 t軸重下降到27 t時(shí)，幅值衰減34.54%；27 t下降到25 t時(shí)，幅值衰減19.69%。

道床表面和底面不同模擬軸重下的動(dòng)靜力荷載比值最大值均出現(xiàn)在重載線路中心位置，其次為軌道位置。30 t軸重下，道床表面線路中心動(dòng)靜荷載最大比值為0.591，底面為0.409；27 t軸重時(shí)表面最大值為0.391，底面為0.268，25 t軸重時(shí)表面最大值為0.270，底面為0.215。

綜合道床表面和底面的動(dòng)壓力附加值和動(dòng)靜荷載比值的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：重載列車軸重增加，引起的軌道位置的動(dòng)壓力附加值增長幅度更大，此外會加大線路中心位置的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。

3.2 仰拱表面動(dòng)壓力

仰拱表面各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值和動(dòng)靜荷載比值見，表5。

由表5可知，激振力作用下仰拱表面左幅動(dòng)壓力附加值幅值均大于右幅。3種軸重下其橫向分布規(guī)律均為重載線路軌道下方動(dòng)壓力附加值幅值最大并逐漸向兩側(cè)減弱。30 t軸重下降到27 t時(shí)，幅值衰減28.70%；27 t下降到25 t時(shí)，幅值衰減27.16%。

表5 各工況下仰拱表面各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值

3種軸重作用下，仰拱結(jié)構(gòu)表面各測點(diǎn)動(dòng)靜荷載比值最大值均為重載線路軌道下方。30 t軸重下，該點(diǎn)動(dòng)靜荷載最大比值為0.388；27 t軸重時(shí)最大值為0.277；25 t軸重時(shí)最大值為0.221。

綜合仰拱表面的動(dòng)壓力附加值和動(dòng)靜荷載比值的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：重載列車對仰拱結(jié)構(gòu)的荷載作用主要集中在重載線路軌道位置。27 t軸重增加到30 t軸重時(shí)，引起的列車荷載附加值增長幅度較25 t增加到27 t時(shí)更大，表明對于雙線鐵路隧道，軸重增加到27 t以上后會加劇仰拱表面的偏壓受力。

重載列車荷載作用下，重載線路仰拱表面軌道位置的動(dòng)力響應(yīng)最為劇烈，鑒于3種模擬軸重條件下其時(shí)域和頻域的分布特征基本相同，僅存在幅值的差異，因此此處僅對該測點(diǎn)在27 t軸重下的時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，見圖6。

由圖6可知，仰拱表面左線路軌道位置的動(dòng)壓力附加值時(shí)程曲線表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，其動(dòng)力響應(yīng)程度較道床結(jié)構(gòu)已由明顯的衰減。

對于27 t軸重列車作用下，該位置頻域幅值出現(xiàn)2個(gè)明顯峰值分別位于1.53 Hz和3.08 Hz。重載列車引起的動(dòng)荷載低階頻率主要集中在0～5 Hz范圍內(nèi)，說明重載列車荷載傳遞到仰拱表面時(shí)仍主要呈低頻作用。

3.3 圍巖表面動(dòng)壓力

圍巖表面各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值和動(dòng)靜荷載比值，見表6。

表6 各工況下圍巖表面各測點(diǎn)動(dòng)壓力附加值幅值

由表6可知，圍巖表面重載線路軌道位置測點(diǎn)的動(dòng)壓力附加值最大，30 t軸重時(shí)為20.150 kPa，軸重下降到27 t時(shí)為14.605 kPa衰減27.52%，27 t軸重下降到25 t時(shí)動(dòng)壓力附加值為12.684 kPa衰減13.15%?；讎鷰r表面動(dòng)靜壓力比值顯示：25～30 t軸重作用下，其最大值均出現(xiàn)在重載線路軌道測點(diǎn)附近。30 t軸重下，該點(diǎn)動(dòng)靜荷載最大比值為0.242，相鄰測點(diǎn)分別為0.111和0.128；27 t軸重時(shí)最大值為0.175，相鄰測點(diǎn)分別為0.079和0.086；25 t軸重時(shí)最大值為0.152，相鄰測點(diǎn)分別為0.098和0.117，表明軸重下降到25 t時(shí)，列車附加荷載均布到相鄰測點(diǎn)使圍巖表面受力開始均勻。

綜合圍巖表面的動(dòng)壓力附加值和動(dòng)靜荷載比值的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：軸重降低，圍巖表面的動(dòng)壓力附加值分布趨向均勻；軸重提升，列車荷載對軌道測點(diǎn)及相鄰位置的荷載作用越大，在一定程度上加大該范圍內(nèi)的應(yīng)力集中使基底圍巖穩(wěn)定性受到影響。對基底圍巖表面重載線路軌道測點(diǎn)在27 t軸重下的時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。

由圖7可見，圍巖表面重載線路軌道位置的動(dòng)壓力附加值時(shí)程曲線顯示：與基底結(jié)構(gòu)上層其它測點(diǎn)相比，其動(dòng)力附加值已經(jīng)出現(xiàn)明顯的減小，但波峰和波谷的差值達(dá)到12.205 kPa，表明動(dòng)力響應(yīng)劇烈程度增加，造成這種現(xiàn)象的原因，可能是雖然重載列車荷載傳遞到圍巖表面時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了較大程度的衰減，使得附加動(dòng)荷載大大降低，但是相對于基底結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)層之間的測點(diǎn)，因?yàn)檠龉芭c圍巖結(jié)構(gòu)性狀、物理參數(shù)差異較大而使得圍巖表面的動(dòng)力變化更為明顯。

對于27 t軸重列車作用下，圍巖表面軌道位置頻域幅值出現(xiàn)2個(gè)明顯峰值，分別位于1.55 Hz和3.08 Hz。該測點(diǎn)頻域幅值分布特征與仰拱表面基本一致，主要集中在0～5 Hz低階頻率范圍內(nèi)，說明重載列車荷載傳遞到圍巖表面時(shí)仍表現(xiàn)為低頻作用。

3.4 動(dòng)壓力豎向衰減規(guī)律

3.4.1 特征檢測線動(dòng)壓力附加值豎向傳播規(guī)律

重載線路中心、重載線路右軌道、客運(yùn)線路右軌道3條豎向監(jiān)測線上各結(jié)構(gòu)層表面動(dòng)壓力附加值幅值，見圖8。

由圖8可知，3種軸重模擬工況下，重載列車引起的動(dòng)壓力荷載附加值在特征監(jiān)測線上的豎向衰減規(guī)律較為接近，均表現(xiàn)為隨著基底結(jié)構(gòu)深度的增加，列車荷載作用不斷減小。對于雙線重載列車鐵路隧道，單幅線路通過重載列車仍會引起另一幅線路的動(dòng)力附加值，但其量值遠(yuǎn)小于列車荷載直接作用部位。

對于重載線路，其軌道豎向監(jiān)測線上各結(jié)構(gòu)表面相應(yīng)測點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)劇烈于其它位置，同時(shí)衰減程度也最大。說明仰拱填充結(jié)構(gòu)能夠很好的發(fā)揮對重載列車荷載的緩沖作用，適當(dāng)加大仰拱填充厚度理論上能夠衰減列車的荷載作用。

3.4.2 動(dòng)壓力附加值豎向傳播公式推導(dǎo)

根據(jù)試驗(yàn)可知，對于直接受到重載列車荷載作用的重載線路中心、重載線路右軌道位置和間接受到影響的右線路右軌道位置的動(dòng)壓力豎向傳播規(guī)律相似性較大，因此將不同軸重下3條特征檢測線上的動(dòng)壓力附加值與豎向深度進(jìn)行擬合，得出各工況下不同豎向深度上的動(dòng)壓力附加值變化規(guī)律，見表7。

表7 不同軸重下特征檢測線動(dòng)壓力附加值衰減模型

注：h為豎向深度，m；y為動(dòng)壓力附加值，kPa。

由表7可以得出，不同軸重下3條特征監(jiān)測線的動(dòng)壓力附加值豎向傳遞公式基本形式均為三次多項(xiàng)式(y=ax3+bx2+cx+d)，根據(jù)模型公式可以得出不同豎向深度位置上結(jié)構(gòu)表面的動(dòng)壓力附加值。以重載線路中心為例，設(shè)定多項(xiàng)式中系數(shù)分別為a、b、c、d，與3種軸重進(jìn)行擬合，見表8。

表8 重載線路中心軸重與模型公式系數(shù)關(guān)系

注：a、b、c、d分別為模型公式的各項(xiàng)系數(shù)；t代表軸重，t。

結(jié)合表7和表8，對3條特征監(jiān)測線(重載線路中心，重載線路右軌道，客運(yùn)線路右軌道)進(jìn)行整合，即得出破碎圍巖條件下雙線鐵路隧道不同軸重下列車作用力的衰減方程，見表9。

對于破碎圍巖，雙線鐵路隧道重載列車作用的線路可以按照表9中的衰減方程求出不同豎向深度上的動(dòng)壓力，對重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基底結(jié)構(gòu)病害的預(yù)防具有一定借鑒意義。

表9 特征監(jiān)測線動(dòng)壓力附加值衰減方程

注：h為豎向深度，m；t為軸重，t；y為動(dòng)壓力附加值，kPa。

4 結(jié)論

本文針對Ⅴ級圍巖條件下雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在25、27、30 t軸重工況下的受力特征進(jìn)行分析，選取基底結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)表面上的接觸壓力測點(diǎn)，開展了靜力荷載、動(dòng)力附加值橫向及豎向分布規(guī)律的研究，討論了重載線路軌道豎向位置上動(dòng)力附加值的時(shí)域和頻域特性，獲得了3條檢測線上的動(dòng)力衰減方程，得出如下結(jié)論：

(1) 雙線鐵路隧道在基底結(jié)構(gòu)靜壓力的分布主要受到施工工藝和圍巖條件的影響。Ⅴ級圍巖條件較差，巖體性狀破碎，巖石顆粒分布不均使其表面的靜壓力荷載由隧道中心向左右拱腳增大，同時(shí)影響到仰拱表面的靜壓力荷載分布。

(2) 雙線重載鐵路隧道，因左右線路分開使用，付營子隧道左線路在重載列車大軸重荷載作用下，該側(cè)的動(dòng)壓力附加值和動(dòng)靜荷載比值均明顯大于客運(yùn)線路而導(dǎo)致偏壓現(xiàn)象，長期作用下基底結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)破壞的可能。

(3) 25、27、30 t軸重下重載線路軌道豎向位置上的動(dòng)壓力附加值和動(dòng)靜荷載比值相對較大，表明重載列車的動(dòng)力作用主要集中在該位置。時(shí)域分析顯示：雖然動(dòng)力附加值隨深度增加而減小，但傳遞到圍巖表面時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)差異性，量值變化比仰拱表面更劇烈，列車荷載長期反復(fù)作用易使圍巖出現(xiàn)空洞。頻域分析顯示：列車荷載在底部各層結(jié)構(gòu)表面上的頻域幅值主要集中在0～5 Hz，重載列車對基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用屬于低頻作用。

(4) 重載列車荷載作用下，列車荷載的豎向衰減主要經(jīng)歷兩個(gè)階段，首先經(jīng)過道床結(jié)構(gòu)和仰拱填充的緩沖出現(xiàn)較大程度的衰減，然后在仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞過程中經(jīng)過緩慢衰減到達(dá)圍巖表面。不同軸重下，線路中心，列車作用軌道和未直接受列車作用的軌道下方動(dòng)壓力隨深度衰減方程形式一致，均為三次多項(xiàng)式y(tǒng)=ax3+bx2+cx+d。將各系數(shù)與軸重進(jìn)行擬合即得出了Ⅴ級條件下，雙線鐵路隧道線路中心，軌道下方動(dòng)壓力與豎向深度和軸重的關(guān)系。