鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性實(shí)測(cè)分析

杜明慶， 張頂立， 張素磊， 房 倩， 熊磊晉

(1. 北京交通大學(xué) 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性實(shí)測(cè)分析

杜明慶1， 張頂立1， 張素磊2， 房 倩1， 熊磊晉1

(1. 北京交通大學(xué) 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

為研究隧道仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，以蘭新高鐵福川隧道為依托進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析不同運(yùn)行速度列車振動(dòng)荷載作用下，不同深度處仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度和動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)及衰減規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：列車速度一定時(shí)，列車運(yùn)行側(cè)仰拱及仰拱填充中振動(dòng)加速度響應(yīng)隨著深度的增加逐漸減小，雙線同時(shí)行車時(shí)，振動(dòng)加速度響應(yīng)相比單線行車時(shí)有所提高，且提高的幅度與行車速度有關(guān)，數(shù)值模擬得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。仰拱及仰拱填充是承載振動(dòng)加速度的主要載體，應(yīng)將其作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。研究成果對(duì)優(yōu)化隧道支護(hù)體系確保列車運(yùn)行安全具有重要意義。

鐵路隧道；仰拱及仰拱填充；振動(dòng)加速度；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

我國(guó)高速鐵路建設(shè)正邁入提速擴(kuò)容的新階段，隧道仰拱及仰拱填充作為列車荷載和軌道結(jié)構(gòu)的主要載體，是影響鐵路運(yùn)行安全的關(guān)鍵性因素。尤其是當(dāng)仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中存在裂縫時(shí)，在列車循環(huán)振動(dòng)荷載作用下，裂縫有可能迅速增大，直接威脅列車運(yùn)行安全，因此，有必要對(duì)隧道仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行深入研究。

列車動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究[1-9]，在路基振動(dòng)方面，COSTA等[10-12]分析了高速列車動(dòng)荷載下非線性土的響應(yīng)規(guī)律。聶志紅等[13-15]通過(guò)對(duì)秦沈客運(yùn)專線路基的振動(dòng)測(cè)試，分析了路基振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系。在橋梁振動(dòng)方面，鄭水明等[16]對(duì)京津城際鐵路橋墩基礎(chǔ)場(chǎng)地進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，獲得了橋墩附近場(chǎng)地的振動(dòng)加速度衰減規(guī)律及其頻率特性。律文田等[17]對(duì)橋墩基礎(chǔ)頂動(dòng)力進(jìn)行了測(cè)試，分析了不同速度列車通過(guò)時(shí)橋墩的強(qiáng)迫振動(dòng)特性，給出了橋墩動(dòng)力幅值與列車車速的關(guān)系。崔圣愛(ài)等[18]建立了車橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)分析仿真模型，并計(jì)算了系統(tǒng)的空間自振特性。在隧道振動(dòng)方面，李德武等[19]分析了隧道及周圍環(huán)境在列車振動(dòng)下的響應(yīng)，以及列車振動(dòng)在仰拱不同剛度、不同邊墻聯(lián)結(jié)方式下衰減的影響，得到了非常有意義的結(jié)論，但沒(méi)有考慮不同速度列車荷載作用下仰拱的振動(dòng)加速度響應(yīng)規(guī)律。

本文依托蘭新高鐵福川隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在仰拱及仰拱填充層中埋設(shè)高靈敏度振動(dòng)加速度及電阻應(yīng)變式壓力計(jì)，分析不同運(yùn)行速度、不同深度處列車振動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)加速度及動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

福川隧道位于蘭新高鐵蘭州至西寧段甘肅省永靖縣境內(nèi)，全長(zhǎng)10 649 m，里程為DK39+730～DK50+379， 福川隧道為雙線客運(yùn)隧道，最大高度12.23 m，寬14.70 m。最大埋深270 m。 地層以泥巖為主，局部間夾薄層砂巖，泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，砂巖為粉、細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，弱風(fēng)化，具膨脹性，屬I(mǎi)V級(jí)圍巖。

襯砌采用IVa-1型，即初期支護(hù)噴C25混凝土，拱墻25 cm，仰拱10 cm； 拱墻設(shè)φ6鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；拱墻設(shè)置系統(tǒng)錨桿，間距1.2×1.5 m，長(zhǎng)3.0 m；拱墻設(shè)置I18型鋼鋼架，縱向間距1m。 二次襯砌為C30素纖維混凝土，拱墻厚45 cm，仰拱為C40鋼筋混凝土厚55 cm。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式為CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道，無(wú)砟軌道及仰拱結(jié)構(gòu)橫斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道仰拱斷面圖(mm)

1.2 測(cè)試概況

為研究高速鐵路隧道仰拱及其填充結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)情況，本文以福川隧道為依托進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)斷面選擇在DK41+324處，在左右兩側(cè)的軌道中心下方沿豎直方向布置高靈敏度加速度計(jì)，根據(jù)振動(dòng)波的傳播特點(diǎn)[20]，從道床板豎直向下按照200～600 mm不等的間距埋設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器， 在臨近仰拱位置時(shí)將相應(yīng)測(cè)點(diǎn)移至仰拱上下表面，詳細(xì)布置位置如圖2所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DDAS動(dòng)態(tài)采集單元，并與Dewesoft軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理，傳感器的安裝及數(shù)據(jù)采集如圖3所示。

圖2 測(cè)試傳感器埋設(shè)位置(mm)

(a) 傳感器布置

(b) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(c) 采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安放

(d) 數(shù)據(jù)采集軟件

2 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)列車為CRH5型動(dòng)車組，該動(dòng)車組由八輛編組構(gòu)成，最大軸重為17 t， 頭車長(zhǎng)27.60 m， 中間車長(zhǎng)25.00 m，車輛的轉(zhuǎn)向架固定軸距為2.70 m，全長(zhǎng)211.50 m。試運(yùn)營(yíng)期間對(duì)各段及全線進(jìn)行了普速列車和動(dòng)車組的拉通試驗(yàn)，試運(yùn)營(yíng)中由于某些原因列車經(jīng)過(guò)隧道時(shí)采取了降速運(yùn)行的措施，本文選取監(jiān)測(cè)到的三個(gè)典型速度下(50 km/h、150 km/h、200 km/h)的振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行分析。由上文測(cè)點(diǎn)布置方式可知，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置分別為道床板下深度0.200，0.500，1.102，1.708，1.999 m，為方便敘述， 以下簡(jiǎn)稱為深度0.2 m，0.5 m，1.1 m，1.7 m，2.0 m。

2.1 不同深度處振動(dòng)加速度響應(yīng)

仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)在CRH5型列車振動(dòng)荷載作用下(速度200 km/h)不同深度處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖4所示，圖中①～⑧分別代表列車的八輛編組，道床板下深度0.2 m處振動(dòng)加速度約為0.70 m/s2，隨著深度的增加振動(dòng)加速度逐漸減小，道床板下深度0.5 m處振動(dòng)加速度約為0.55 m/s2，衰減幅度為21.43%。道床板下深度2.0 m處振動(dòng)加速度約為0.34 m/s2，衰減幅度已高達(dá)51.43%。深度為0.2 m，0.5 m，1.1 m，1.7 m，2.0 m處的振動(dòng)加速度分別為0.70 m/s2，0.55 m/s2，0.42 m/s2，0.36 m/s2，0.34 m/s2。

2.2 不同運(yùn)行速度下振動(dòng)加速度響應(yīng)

當(dāng)列車運(yùn)行速度為150 km/h和50 km/h時(shí)，道床板下仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度響應(yīng)規(guī)律與200 km/h時(shí)基本相同，同樣呈現(xiàn)明顯的八輛編組振動(dòng)模式，仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值隨著深度的增加逐漸減小，隨著速度的增加逐漸增大。列車運(yùn)行速度為150 km/h和50 km/h時(shí)道床板下深度0.2m處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖5所示，振動(dòng)加速度幅值約為0.61 m/s2、0.36 m/s2，相比列車運(yùn)行速度為200 km/h時(shí)深度0.2m處的振動(dòng)加速度衰減幅度分別為12.86%、48.57%。不同速度下不同深度處的振動(dòng)加速度響應(yīng)如圖6所示。由圖6可擬合出列車振動(dòng)荷載作用下，列車正下方仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度與深度(0.2～2.0 m范圍內(nèi))關(guān)系的回歸方程如表1所示。

以列車運(yùn)行速度200 km/h時(shí)道床板下深度0.2m處的振動(dòng)加速度響應(yīng)為基準(zhǔn)，取值為1，則仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中不同速度下不同深度處的振動(dòng)加速度響應(yīng)衰減幅度如表2所示。由表2可知，振動(dòng)加速度的衰減大部分在仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中完成，以列車速度50 km/h為例，深度0.2 m處的振動(dòng)加速度相較列車速度200 km/h時(shí)已衰減48.57%，深度2.0 m處的振動(dòng)加速度相較列車速度200 km/h、深度0.2 m時(shí)已衰減84.29%，說(shuō)明仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)是承載振動(dòng)加速度的主要載體，因此，應(yīng)將其作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

(a) 0.2 m

(b) 0.5 m

(c) 1.1 m

(d) 1.7 m

(e) 2.0 m

(a) 150 km/h

(b) 50 km/h

圖6 不同速度下不同深度處振動(dòng)加速度響應(yīng)

表1 振動(dòng)加速度與深度關(guān)系的擬合方程

表2 振動(dòng)加速度衰減幅度

2.3 列車振動(dòng)荷載作用下仰拱動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)在CRH5型列車振動(dòng)荷載作用下速度200 km/h時(shí)深度0.2 m處的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)如圖7所示，同樣呈現(xiàn)八輛編組的周期性峰值響應(yīng)規(guī)律。不同速度下不同深度處仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)見(jiàn)圖8，由圖8可知，隨著速度的增加動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)逐漸增大，隨著深度的增加動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)逐漸減小，列車速度為200 km/h時(shí)，深度2.0 m處的動(dòng)應(yīng)力(17 kPa)相比深度0.2 m處的動(dòng)應(yīng)力(52 kPa)已衰減67.3%，可見(jiàn)仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)承受了大部分的動(dòng)應(yīng)力，進(jìn)一步證明了仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)是承載振動(dòng)荷載的主要載體。

圖7 動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線

圖8 不同速度和深度下動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步研究列車荷載作用下仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中振動(dòng)加速度的響應(yīng)情況，以福川隧道監(jiān)測(cè)斷面為原型，建立數(shù)值分析模型，分別對(duì)列車上行、列車下行、列車同時(shí)上下行三種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并引入速度變量，對(duì)仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)在列車不同速度、不同行車方式下的振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析。

3.1 系統(tǒng)阻尼計(jì)算

數(shù)值計(jì)算之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析，確定仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，計(jì)算中采用Rayleigh阻尼，該法假定體系的阻尼矩陣為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的線性組合：

(1)

α、β為常數(shù)，可按下式求解：

(2)

(3)

式中：ξ、ω分別為振型對(duì)應(yīng)的阻尼比和自振圓頻率。

為更準(zhǔn)確的模擬振動(dòng)波的傳播特性，消除靜力邊界條件的影響，計(jì)算中采用劉晶波等[21]提出的黏彈性人工邊界，關(guān)于列車荷載的模擬方法國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，本文采用文獻(xiàn)[22-23]給出的方法模擬列車荷載，即：

(4)

式中：A0為車輪靜載；A1、A2、A3分別為振動(dòng)荷載幅值，Ai=M0aiωi，ωi=2πv/Li，M0為列車簧下質(zhì)量，a、L分別為矢高和波長(zhǎng)。

3.2 幾何模型及材料參數(shù)

以福川隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面為原型建立計(jì)算模型，幾何模型長(zhǎng)×寬×高分別為100 m×25 m×100 m，選用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，以荷載的形式補(bǔ)償隧道模型埋深的不足，根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果利用式(2)和式(3)計(jì)算Rayleigh阻尼系數(shù)，計(jì)算模型如圖9所示。隧道穿越地層主要以泥巖為主，故模型中土層只考慮了泥巖一種，各材料參數(shù)取值見(jiàn)表3，混凝土阻尼比為0.02，泥巖黏聚力110 kPa，內(nèi)摩擦角25°。

表3 材料參數(shù)

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

3.3.1 仰拱振動(dòng)加速度響應(yīng)

為更好的與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，數(shù)值計(jì)算中同樣選取了200 km/h、150 km/h、50 km/h三種速度，三種速度下仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)云圖如圖10所示。由圖10可知，列車運(yùn)行速度為200 km/h、150 km/h、50 km/h時(shí)最大豎向振動(dòng)加速度分別為0.080g(0.784 m/s2)、0.070g(0.686 m/s2)、0.041g(0.402 m/s2)，隨著列車運(yùn)行速度的提高，振動(dòng)加速度的影響范圍逐漸擴(kuò)大，最大幅值逐漸提高。列車運(yùn)行速度200 km/h時(shí)道床板下深度0.2 m處的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖11所示，同樣呈現(xiàn)明顯的八輛編組振動(dòng)模式，其它速度及深度下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算所得振動(dòng)加速度響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖12。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步證明了仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)是承載振動(dòng)加速度的主要載體，應(yīng)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

(a)200km/h(b)150km/h

(c) 50 km/h

圖11 深度0.2 m處振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

圖12 振動(dòng)加速度響應(yīng)

3.3.2 列車同時(shí)上下行時(shí)仰拱振動(dòng)加速度響應(yīng)

列車同時(shí)上下行時(shí)仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度響應(yīng)云圖見(jiàn)圖13，單雙側(cè)行駛列車仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中振動(dòng)加速度響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖14。由圖13及圖14可知，隨著速度的降低，仰拱及仰拱填充中的振動(dòng)加速度響應(yīng)范圍逐漸減小，列車速度為50 km/h時(shí)，左右兩側(cè)已幾乎不受彼此影響。與單側(cè)行駛列車相比，雙線同時(shí)行駛列車時(shí)在速度200 km/h下仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中振動(dòng)加速度響應(yīng)增加約12.50%，而列車速度在50 km/h時(shí)振動(dòng)加速度響應(yīng)僅增加約2.50%。

(a)200km/h(b)150km/h

圖14 單雙側(cè)行駛列車振動(dòng)加速度響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 列車速度一定時(shí)，仰拱及仰拱填充中振動(dòng)加速度響應(yīng)隨著深度的增加逐漸減小，列車運(yùn)行速度為200 km/h時(shí)，道床板下深度2 m處的振動(dòng)加速度比深度0.2 m處衰減約51.43%。

(2) 同一深度處，隨著列車運(yùn)行速度的降低，仰拱及仰拱填充中的振動(dòng)加速度響應(yīng)逐漸減小，道床板下深度0.2 m處，列車速度為150 km/h時(shí)的振動(dòng)加速度相比列車速度為200 km/h時(shí)衰減約12.86%。

(3) 雙線同時(shí)行車時(shí)，振動(dòng)加速度響應(yīng)相比單線行車時(shí)有所提高，且提高的幅度與行車速度有關(guān)。

(4) 列車振動(dòng)荷載引起的振動(dòng)加速度及動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)在仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)中衰減幅度較大，說(shuō)明仰拱及仰拱填充結(jié)構(gòu)是承載列車振動(dòng)荷載的主要載體，因此，應(yīng)將其作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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In-situ monitoring and analysis of invert vibration characteristics in a railway tunnel

DU Mingqing1， ZHANG Dingli1， ZHANG Sulei2， FANG Qian1, XIONG Leijin1

(1. Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. School of Civil Engineering，Qingdao Technologic University，Qingdao 266033，China)

In order to study the vibration characteristics of tunnel invert and tunnel invert filling，in-situ train induced vibration tests were performed in the second railway line of Lanzhou-Xinjiang. Attenuation and distribution laws of the vertical vibration acceleration in the tunnel invert and tunnel invert filling under different speeds and depths were Analyzed, and compared the results with numerical simulations. The analytical results indicate that with the certain speed, the vertical vibration acceleration response value decreases with the depth in a fast attenuation rate on the trains running side. The vertical vibration acceleration response value increases when the train running on double lines at the same time compare with running on a single line. Increased degree is related to the train running speeds. Numerical simulation results agree well with field tests results. Tunnel invert and its filling are the main carriers of bearing vibration acceleration, which should be the key point in design. The results have important significance for optimizing the supporting system of tunnel and ensuring train running safety.

railway tunnel; invert and its filling layer; vibration acceleration; in-situ test

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(U1234210); 北京市交通行業(yè)科技項(xiàng)目-北京軌道交通運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)與評(píng)估方法研究

2016-07-20 修改稿收到日期：2016-09-28

杜明慶 男，博士生，1987年生

張頂立 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生 E-mail：zhang-dingli@263.net

TU435

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.037