列車振動(dòng)對(duì)差異地層盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降影響試驗(yàn)研究

魏章超，趙玉成，侯宏韜，楊 何，田紅碩，張振波

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)期縱向沉降問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，城市隧道埋深淺、地質(zhì)條件復(fù)雜、地上建筑物及地下管線密集等特點(diǎn)決定了在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中隧道將可能產(chǎn)生較大的縱向變形[1-6]。

引起隧道縱向變形的因素眾多，對(duì)于已建成并投入運(yùn)營(yíng)的盾構(gòu)隧道來(lái)說(shuō)，除了施工對(duì)于土體的擾動(dòng)而產(chǎn)生的主固結(jié)變形和次固結(jié)變形外，尚有很多因素會(huì)影響盾構(gòu)隧道的不均勻沉降。地鐵列車每天運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)隧道也會(huì)產(chǎn)生不利影響，尤其是長(zhǎng)期的振動(dòng)效應(yīng)。張冬梅等[7]以上海地鐵一號(hào)線工程為背景，通過(guò)采用FLAC3D有限元軟件建立了土層-隧道-道床的三維模型，利用FISH語(yǔ)言對(duì)隧道施加動(dòng)荷載。寧茂全等[8]結(jié)合工程實(shí)例，利用有限元軟件模擬分析厚軟土地層盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期列車荷載作用下沉降響應(yīng)。朱建峰等[9]通過(guò)離心模型試驗(yàn)，分析研究了軟土地層中長(zhǎng)期沉降的發(fā)展規(guī)律以及隧道周邊地基土加固對(duì)長(zhǎng)期沉降的影響。楊江等[10]通過(guò)振動(dòng)干擾導(dǎo)入，利用環(huán)境模擬方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了響應(yīng)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)干擾在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)允許誤差范圍內(nèi)。

本文針對(duì)差異土層盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期沉降問(wèn)題，通過(guò)上硬下軟地層地鐵列車振動(dòng)的影響試驗(yàn)，模擬地鐵列車在行車過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)管片、周邊土體產(chǎn)生的影響，以得到不均勻地層盾構(gòu)隧道縱向長(zhǎng)期變形的時(shí)空效應(yīng)和破壞機(jī)理、準(zhǔn)確掌握和評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，具有理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)涉及硬土和軟土、盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)，鋼軌以及扣件。本次模型試驗(yàn)的相似比為1∶25，參考文獻(xiàn)[11,12]，確定試驗(yàn)相似材料配比情況。管片襯砌結(jié)構(gòu)包括C50混凝土、鋼筋、縱向和環(huán)向接頭。其中，C50混凝土采用石膏混合材料，具體包括水、石膏和硅藻土，其配比為水∶石膏∶硅藻土=1∶1.5∶0.1。硬土采用中粗砂(含土)，軟土選用不同含水率的黏土，如表1所示；鋼軌以及扣件采用拱形鐵塊。

表1 中粗砂(含水率5%)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 盾構(gòu)管片制作

相似試驗(yàn)相似比為1∶25，試驗(yàn)中管片模型隧道外徑250 mm，管片厚度15 mm，環(huán)寬50 mm。管片模型在內(nèi)外兩側(cè)各布置12根0.4 mm的鐵質(zhì)材料來(lái)模擬實(shí)際管片主筋。采用開槽的方式模擬環(huán)向接頭，模型管片中各個(gè)環(huán)向接頭位置對(duì)應(yīng)的開槽深度如表2所示。采用J50焊絲模擬管片縱向接頭，該焊絲直徑為3.2 mm，長(zhǎng)度為40 mm。管片具體制作過(guò)程為稱量材料、立內(nèi)模+鋼筋網(wǎng)片、立外模、澆筑、拆模、烘干、刷漆防潮保養(yǎng)、鉆縱向螺栓孔、割環(huán)縫、貼應(yīng)變片、焊接導(dǎo)線、縱向拼裝。

表2 環(huán)向接頭對(duì)應(yīng)槽縫深度

1.3 管片布置

管片模型布置如圖1所示。

圖1 管片布置(單位：mm)

1.4 加載設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置激振器，在相應(yīng)位置激振從而模擬地鐵列車行進(jìn)過(guò)程中由于振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)和土體產(chǎn)生的影響。本試驗(yàn)的相似比為1∶25，根據(jù)相似原理，模型試驗(yàn)施加的激振力Fs=F(t)/253，F(xiàn)(t)為地鐵列車激振力，其計(jì)算方法[13]為；

F(t)=P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+P3sin(ω3t)

(1)

(2)

ωi=2πv/Li

(3)

式中：P0為車輪靜載，取單邊靜輪重為80 kN；P1、P2、P3為典型振動(dòng)荷載值(kN)；ωi為地鐵列車振動(dòng)的圓頻率；M0為彈簧下地鐵列車質(zhì)量，取750 kg；αi和Li分別為典型波長(zhǎng)和典型矢高；v為地鐵行駛速度?？紤]到我國(guó)目前實(shí)際情況，對(duì)應(yīng)3種控制條件下的不平順振動(dòng)波長(zhǎng)和矢高分別?。篴1=3.5 mm，a2=0.4 mm，a3=0.08 mm，L1=10 m，L2=2 m，L3=0.5 m。

地鐵列車長(zhǎng)度為132.6 m，按照列車速度，計(jì)算得到激振力曲線。按照相似理論計(jì)算得到地鐵列車在v=80 km/h速度下試驗(yàn)最大的激振力為10.99 N，在v=60 km/h速度下試驗(yàn)最大的激振力為10.66 N，在v=40 km/h速度下試驗(yàn)最大的激振力為10.35 N。

列車振動(dòng)荷載采用激振器，共設(shè)置1個(gè)激振器，振動(dòng)器安裝在第15環(huán)管片中間位置。激振器下安裝鐵塊，將激振力分散到兩邊，用于模擬地鐵列車行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)鐵軌以及扣件施加到底板的力，在鐵塊上布置2個(gè)動(dòng)態(tài)力傳感器，用以監(jiān)測(cè)激振力，具體見(jiàn)圖2。

圖2 激振器下動(dòng)態(tài)力傳感器(單位：mm)

1.5 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)?zāi)M采用單點(diǎn)施加的固定頻率的正弦振動(dòng)荷載，荷載施加在隧道結(jié)構(gòu)底部中央處，待各點(diǎn)處振動(dòng)幅值穩(wěn)定后，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值。根據(jù)不同土層情況、隧道埋深以及激振力頻率，本次試驗(yàn)共設(shè)置10組工況，具體見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)?zāi)M工況

通過(guò)調(diào)整圖1中的差異土層區(qū)域的土質(zhì)，進(jìn)而模擬盾構(gòu)管片在縱向不均勻地層的變形情況。

2 試驗(yàn)過(guò)程

(1)制作長(zhǎng)度為2 500 mm、寬度為100 mm、厚度為10 mm的鋼板，在板正中位置焊接激振器如圖3所示，激振器下方安裝鐵塊與動(dòng)態(tài)力傳感器。

圖3 激振器及動(dòng)態(tài)傳感器 圖4 模型箱

(2)制作模型箱如圖4所示，內(nèi)表面粘結(jié)一層20 mm厚的Duxseal吸振材料，吸振材料表面刷油。

(3)根據(jù)盾構(gòu)管片拼裝方式確定3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)變花位置，標(biāo)記土壓力盒位置，貼應(yīng)變花，檢查，引線。

(4)拼裝30環(huán)管片如圖5所示，每環(huán)之間安裝J50鐵焊絲。

圖5 30環(huán)錯(cuò)縫拼裝模型 圖6 應(yīng)變式土壓力盒

(5)在模型箱內(nèi)進(jìn)行填土工作。填土過(guò)程按填土的高度大致分為三個(gè)階段：將模型土體材料填至隧道模型底部，隧道底部的土層按照軟硬不同分批填筑；模型土填至隧道模型頂部；模型土體填至最終設(shè)計(jì)高度。每一次填土過(guò)程中又要細(xì)分為多層填筑，每一層填筑時(shí)均需達(dá)到預(yù)定的壓實(shí)度。其具體操作過(guò)程為：先將特定質(zhì)量(由預(yù)計(jì)達(dá)到的填土體積除以密度計(jì)算得到)的土體進(jìn)行松鋪，然后用工字鋼整體夯實(shí)，最后用石錘敲擊木板對(duì)模型箱邊角處進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度通過(guò)控制夯擊和敲擊次數(shù)保證，以最終達(dá)到預(yù)計(jì)的土層高度為準(zhǔn)。

(6)管片放置模型箱，安裝管片上土壓力盒如圖6所示，檢測(cè)土壓力盒連接狀態(tài)，引線；此階段與上一階段交叉進(jìn)行。

(7)安裝激振器，將焊接好的激振器與動(dòng)態(tài)力監(jiān)測(cè)器從管片內(nèi)部插入，確定好位置后在板端部焊接工字型鋼，固定板端部如圖7所示。

圖7 激振器布置

(8)頂部安裝位移計(jì)，檢測(cè)儀器連接狀態(tài)，引線；傳感器引線與電腦連接，檢測(cè)傳感器是否連接好；預(yù)加載，檢查設(shè)備以及傳感器是否正常工作。

(9)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置工況情況，施加激振力荷載；每循環(huán)結(jié)束后，待隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再進(jìn)行下次試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢，保存數(shù)據(jù)，拆除儀器，恢復(fù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 下臥土壓縮模量對(duì)拱頂土體沉降的影響

圖8為隧道埋深0.75 m，激振力為10.99 N，振動(dòng)頻率為60 Hz，差異土層壓縮模量分別取7.42 MPa、3.77 MPa、3.45 MPa和2.77 MPa時(shí)監(jiān)測(cè)斷面處拱頂沉降數(shù)據(jù)。

圖8 不同壓縮模量隧道拱頂土體沉降

在盾構(gòu)隧道的埋深、所受到的力不變時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降的大小隨著穿越土層的壓縮模量的減小而增大。下臥土為軟硬夾層時(shí)隧道拱頂土體沉降為下臥土均為硬土材料時(shí)隧道拱頂土體沉降的1.3～1.4倍，因此在隧道穿越軟硬土體夾層時(shí)應(yīng)充分考慮隧道不均勻沉降對(duì)管片受力以及行車安全的影響。

3.2 隧道埋深對(duì)拱頂土體沉降的影響

試驗(yàn)差異土層采用含水率50%的軟土，如圖9所示，分別為埋深為0.25 m、0.50 m、0.75 m時(shí)監(jiān)測(cè)斷面處拱頂沉降數(shù)據(jù)。

圖9 不同埋深隧道拱頂土體沉降

在隧道穿越軟土層的長(zhǎng)度、軟弱土層壓縮模量、列車行駛速度、激振力、振動(dòng)頻率不變的條件下可看出隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降的大小隨著隧道埋深的增大不斷減小。0.50 m埋深隧道拱頂土體沉降相較0.25 m埋深拱頂土體沉降減少6.9%，而0.75 m埋深隧道拱頂土體沉降相較0.50 m埋深拱頂土體沉降減少16.1%。以上測(cè)試結(jié)果表明，隨著埋深的增加，列車振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響越來(lái)越小。

3.3 列車運(yùn)行速度對(duì)拱頂土體沉降的影響

圖10為隧道在列車行駛速度為40 km/h、60 km/h以及80 km/h，當(dāng)下臥土差異土層區(qū)域?yàn)楹?0%的軟弱土?xí)r，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同位置處的拱頂沉降曲線。

圖10 不同列車速度隧道拱頂土體沉降

在盾構(gòu)隧道的埋深、下臥土層不變，行車速度不同時(shí)隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降的大小隨著列車行駛速度的增加而增大。10環(huán)與15環(huán)周圍土體不均勻沉降現(xiàn)象明顯，需對(duì)隧道列車運(yùn)行的安全性進(jìn)行檢算，盡量避免土體差異沉降對(duì)行車安全性的影響。

3.4 振動(dòng)頻率對(duì)拱頂土體沉降的影響

圖11為隧道在列車行駛速度為80 km/h，當(dāng)下臥土差異土層區(qū)域?yàn)楹?0%的軟弱土?xí)r，振動(dòng)頻率分別為60 Hz、120 Hz、180 Hz，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同位置處的拱頂沉降曲線。

圖11 不同振動(dòng)頻率隧道拱頂土體沉降

在盾構(gòu)隧道的埋深、下臥土層不變，行車速度不變，振動(dòng)頻率不同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降的大小隨著振動(dòng)頻率的增加而增大。通過(guò)表中數(shù)據(jù)可得出，振動(dòng)頻率越大對(duì)激振點(diǎn)周圍土體影響范圍越廣泛。

4 結(jié)論

(1)列車行駛速度的增加以及振動(dòng)頻率的增加均會(huì)使得盾構(gòu)管片縱向不均勻沉降值增大。并且，隨著管片位置距離振源越遠(yuǎn)，振動(dòng)力引起的管片的沉降越小。

(2)當(dāng)隧道穿越差異地層時(shí)，盾構(gòu)隧道的縱向不均勻沉降明顯增加。穿越軟土層的壓縮模量越小，隧道結(jié)構(gòu)的沉降越大。因此不均勻地層下土體差異沉降明顯，故需進(jìn)行差異地層邊界處理。

(3)隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降的大小隨著隧道埋深的增大不斷減小，在外部條件不變的情況下，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，埋深越大，土體自身抗變形的能力越大，激振力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響就越小，這是因?yàn)橥凉靶?yīng)的影響，其他條件不變，盾構(gòu)隧道的埋深越大，土拱效應(yīng)越大，且最大沉降位于軟土地層中間位置。