重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

吳秋軍， 李自強(qiáng)， 于 麗， 華 陽(yáng)， 王明年

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；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，成都 610031)

重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

吳秋軍1，2， 李自強(qiáng)1，2， 于 麗1，2， 華 陽(yáng)1，2， 王明年1，2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；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，成都 610031)

針對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受列車(chē)荷載作用更大的特點(diǎn)，根據(jù)付營(yíng)子隧道現(xiàn)場(chǎng)大型激振試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了27 t軸重的重載列車(chē)動(dòng)力加載和長(zhǎng)期荷載作用，與遠(yuǎn)程實(shí)測(cè)動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證了試驗(yàn)的客觀準(zhǔn)確性。討論了雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在大軸重、高密度的運(yùn)輸環(huán)境下由上至下的道床、仰拱填充、仰拱結(jié)構(gòu)和圍巖表面的接觸壓力動(dòng)力響應(yīng)和長(zhǎng)期變化。研究表明，激振試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫哪M27 t軸重作用下雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，具體表現(xiàn)為各結(jié)構(gòu)表面重載線路軌道下方相應(yīng)位置的動(dòng)力響應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)最為明顯，且由上至下隨豎向深度逐漸減弱。各位置的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)受該位置的列車(chē)動(dòng)荷載附加值影響，動(dòng)力響應(yīng)越大，長(zhǎng)期效應(yīng)越明顯。試驗(yàn)結(jié)果可為雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。

重載鐵路隧道；基底結(jié)構(gòu)；激振試驗(yàn)；動(dòng)力響應(yīng)；長(zhǎng)期效應(yīng)

重載鐵路因其軸重大、總重大、行車(chē)密度和運(yùn)量特大的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為發(fā)展重載運(yùn)輸可以提高運(yùn)輸效率，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益[1～2]。目前，重載運(yùn)輸已成為各國(guó)主要發(fā)展方向，在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展[3～4]。隧道結(jié)構(gòu)通常視為超靜定結(jié)構(gòu)，因此在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中環(huán)境條件的改變和列車(chē)荷載的長(zhǎng)期作用均會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)累積，影響其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。鑒于重載鐵路的特點(diǎn)，重載鐵路隧道較一般鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)會(huì)受到更大的列車(chē)荷載，相應(yīng)的長(zhǎng)期動(dòng)力特性也更為明顯，因此對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載力均有更高的要求[5]。目前，我國(guó)重載鐵路隧道的相關(guān)規(guī)范尚未正式實(shí)施，其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)主要是參照普通鐵路隧道的經(jīng)驗(yàn)取值，研究重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在列車(chē)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)具有重要意義。

大軸重列車(chē)動(dòng)載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性直接影響到重載線路運(yùn)營(yíng)的耐久性和安全性，因此，在沒(méi)有先例的情況下，最直接有效的辦法就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大型激振試驗(yàn)?zāi)M重載列車(chē)荷載作用，對(duì)基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究[6]。近年來(lái)，許多學(xué)者基于激振試驗(yàn)開(kāi)展了諸多研究。薛富春等[7]在鄭西客運(yùn)專(zhuān)線黃土隧道模擬高速列車(chē)荷載作用對(duì)隧底的影響，研究了隧底加速度和動(dòng)壓力的變化規(guī)律；蘇謙等[8]對(duì)剛性地基進(jìn)行了模擬動(dòng)態(tài)測(cè)試，分析研究了其長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性；王亮亮等[9]在云桂鐵路進(jìn)行膨脹土路塹全封閉基床激振試驗(yàn)，得到基床動(dòng)應(yīng)力、加速度和速度與激振頻率的關(guān)系；楊果林等[10]利用室內(nèi)激振試驗(yàn)，研究了膨脹土路塹基床在不同服役條件下的動(dòng)力性能和防水效果。以上研究多集中于路基，對(duì)隧底結(jié)構(gòu)的研究又因測(cè)點(diǎn)較少或限于自身?xiàng)l件，研究并不全面。文章基于已取得的研究成果基礎(chǔ)上，以付營(yíng)子隧道為工程依托，在IV圍巖條件下隧道試驗(yàn)斷面的道床結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行大型激振試驗(yàn)，結(jié)合通車(chē)后的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，并對(duì)雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力性能進(jìn)行研究。研究成果可為雙線重載鐵路隧道設(shè)計(jì)和類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

張?zhí)凭€路是我國(guó)已建成的第三條能源大通道，以貨運(yùn)為主。付營(yíng)子隧道為其中最長(zhǎng)的隧道之一，起訖里程為DK291+037～DK301+060，隧道長(zhǎng)10 023 m，最大埋深約502.6 m。付營(yíng)子隧道為雙線重載鐵路隧道，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IV圍巖設(shè)計(jì)襯砌斷面圖如圖1所示。

圖1 IV級(jí)圍巖設(shè)計(jì)襯砌斷面圖Fig.1 Design lining sectional drawing of Class IV surrounding rock

付營(yíng)子隧道激振試驗(yàn)選在DK294+100IV級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)斷面，距離隧道進(jìn)口3 063 m，埋深為378 m。根據(jù)TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)[11]，IV級(jí)圍巖及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 付營(yíng)子隧道K294+100斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 激振試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

鑒于隧道具備超靜定結(jié)構(gòu)的特征，重載鐵路隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，基底結(jié)構(gòu)受到重載列車(chē)的長(zhǎng)期反復(fù)碾壓作用各結(jié)構(gòu)層表面會(huì)出現(xiàn)不同程度的動(dòng)壓力累積，因此道床、仰拱填充、仰拱結(jié)構(gòu)和底部圍巖表面的動(dòng)力荷載會(huì)隨著重載列車(chē)過(guò)車(chē)次數(shù)的增加而不斷增大。進(jìn)一步說(shuō)，基底結(jié)構(gòu)層的表面動(dòng)壓力變化規(guī)律會(huì)影響到各結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及動(dòng)力累積從而影響到底部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

基于本文針對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力特性的研究目的，通過(guò)大型現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)?zāi)M重載列車(chē)的荷載作用能夠有效的確定基底各結(jié)構(gòu)層表面的動(dòng)力荷載，激振次數(shù)等效為列車(chē)通車(chē)量能夠研究并分析基底各結(jié)構(gòu)層表面的動(dòng)壓力累積規(guī)律，為計(jì)算基底結(jié)構(gòu)內(nèi)力長(zhǎng)期效應(yīng)及基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究提供基礎(chǔ)。

2.2 傳感器布設(shè)

重載列車(chē)對(duì)隧道基底結(jié)構(gòu)的荷載作用主要表現(xiàn)為由上至下各結(jié)構(gòu)表面上的接觸壓力動(dòng)力增量和引起的長(zhǎng)期效應(yīng)，因此本試驗(yàn)主要分析接觸壓力。為滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)采集和長(zhǎng)期遠(yuǎn)程傳輸要求，傳感器選用光纖光柵土壓力計(jì)[12]。

在付營(yíng)子隧道開(kāi)挖和施工過(guò)程中，在基底結(jié)構(gòu)中軌枕下方、仰拱填充表面、仰拱結(jié)構(gòu)表面及底部圍巖表面不同位置埋設(shè)了共22個(gè)土壓力計(jì)，如圖2所示。

圖2 基底結(jié)構(gòu)傳感器布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the basal structure of the sensor layout

2.3 動(dòng)力試驗(yàn)及加載方式

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用西南交通大學(xué)DTS-1型現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)不同的偏心塊組合型式，配合相應(yīng)的頻率滿(mǎn)足荷載要求的激振力，以實(shí)現(xiàn)不同軸重的列車(chē)荷載模擬。試驗(yàn)位置選在監(jiān)測(cè)斷面左線重載線路道床結(jié)構(gòu)表面，模擬分析27 t軸重作用下基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及長(zhǎng)期效應(yīng)，試驗(yàn)過(guò)程中采用光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 重載鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)Fig.3 Field excitation test of heavy haul railway tunnel

列車(chē)荷載是單向脈沖應(yīng)力波[13]，重載列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)激振頻率與多種因素相關(guān)。其中對(duì)于隧道基底結(jié)構(gòu)主要受到車(chē)距和轉(zhuǎn)向架的影響[14]。重載列車(chē)產(chǎn)生的激振頻率由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：f為激振頻率，Hz；v為行車(chē)速度，km/h；s為列車(chē)軸距，m。

激振試驗(yàn)采用的循環(huán)加載激振力為正弦波形，其動(dòng)荷載峰值按照式(2)計(jì)算：

P1=P2×(1+0.004v)

(2)

式中：P1為試驗(yàn)要求的動(dòng)輪載峰值，t；P2為設(shè)備自重與配重塊質(zhì)量產(chǎn)生的實(shí)際軸重，t；v為行車(chē)速度，km/h。2P2-P1為保證輪軌之間在振動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生脫離所取的最小值即要求P3=2P2-P1>0。激振力為P1-P2，t。

根據(jù)付營(yíng)子隧道設(shè)計(jì)資料，實(shí)際通車(chē)為軸重27 t，時(shí)速80 km/h的重載列車(chē)，根據(jù)式(1)和(2)結(jié)合激振設(shè)備自身頻率特性，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 付營(yíng)子隧道K294+100IV級(jí)圍巖斷面試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)2005年國(guó)際重載協(xié)會(huì)理事會(huì)上對(duì)重載鐵路的定義，其中一條明確規(guī)定：?jiǎn)尉€年運(yùn)量不小于4 000萬(wàn)t[15]。激振試驗(yàn)每施加一次荷載就等于通過(guò)一對(duì)重載列車(chē)輪載，因此模擬運(yùn)量可以根據(jù)式(3)確定激振試驗(yàn)的加載次數(shù)

N=W/R

(3)

式中：N為激振累計(jì)次數(shù)，次；W為通過(guò)年運(yùn)量，t；R為設(shè)計(jì)試驗(yàn)的軸重，t。

目前我國(guó)的重載鐵路年運(yùn)量逐年增加，大秦鐵路的年運(yùn)量已大大高于4 000萬(wàn)t[16]。因此將累積加載次數(shù)定為200萬(wàn)次模擬一年運(yùn)量5 400萬(wàn)t條件下雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受到的影響。

3 基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

2015年6月20日付營(yíng)子隧道K294+100IV級(jí)圍巖斷面完成激振試驗(yàn)，歷時(shí)63個(gè)小時(shí)。提取分析基底結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)下激振作用引起的道床、仰拱填充(道床下表面)、仰拱和圍巖表面的接觸壓力瞬時(shí)動(dòng)力增量，即為激振試驗(yàn)條件下基底結(jié)構(gòu)在27 t軸重列車(chē)作用下引起的荷載附加值。

激振試驗(yàn)完畢后，付營(yíng)子隧道于2015年12月30日正式通車(chē)，實(shí)際通車(chē)參數(shù)為軸重27 t，時(shí)速80 km/h。通過(guò)遠(yuǎn)程采集軟件對(duì)付營(yíng)子隧道K294+100監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄并分析了IV圍巖條件下實(shí)際過(guò)車(chē)對(duì)雙線鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響，以其中一次過(guò)車(chē)數(shù)據(jù)為例，與同等參數(shù)下的激振試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下。

3.1 道床動(dòng)壓力

因篇幅限制，僅列出激振試驗(yàn)和實(shí)際通車(chē)條件下，左線重載線路側(cè)道床結(jié)構(gòu)上表面(軌枕下方)軌道下方測(cè)點(diǎn)DT-2的動(dòng)壓力典型時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 道床上表面左線軌道測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力典型時(shí)程對(duì)比圖Fig.4 The typical process contrast diagram of dynamic pressure in the left line of track ballast surface measuring points

由圖4中27 t重載列車(chē)作用下的基底結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力實(shí)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，激振試驗(yàn)的動(dòng)壓力平均值略高于實(shí)測(cè)平均值，但試驗(yàn)動(dòng)壓力的幅值即波峰波谷差值較實(shí)測(cè)更小說(shuō)明基底結(jié)構(gòu)在實(shí)際過(guò)車(chē)時(shí)動(dòng)力響應(yīng)更為劇烈。這是因?yàn)閮烧叩淖饔梦恢煤妥饔梅绞酱嬖诓町悾杭ふ裨囼?yàn)是直接作用在道床結(jié)構(gòu)軌枕表面，利用正弦波近似模擬列車(chē)荷載；而在實(shí)際過(guò)車(chē)中，列車(chē)直接作用在鋼軌表面，動(dòng)荷載受到軌道平順值等諸多因素的影響[17]。這使得試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)所得的列車(chē)引起的動(dòng)壓力時(shí)程曲線有所不同，但兩者在量值上較為接近，將道床結(jié)構(gòu)上、下表面各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓力列入表3。

表3 27 t軸重下道床各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力峰值對(duì)比表

Tab.3 The comparison table of dynamic pressure peak of track ballast measuring points under 27 t axle load kPa

對(duì)表3和圖5中實(shí)測(cè)值和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可得道床上表面因受到荷載直接作用動(dòng)壓力極值均大于下表面。

(a) 道床上表面

(b) 道床下表面圖5 27 t軸重下道床結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力對(duì)比圖Fig.5 The comparison diagram of dynamic pressure peak of track ballast measuring points under 27 t axle load

對(duì)于道床結(jié)構(gòu)上表面而言：客運(yùn)線軌道相應(yīng)位置的土壓力傳感器在通車(chē)后損壞，比較時(shí)不列入考慮范圍。實(shí)測(cè)和試驗(yàn)均顯示道床上表面軌道測(cè)點(diǎn)因受到重載列車(chē)荷載直接作用而動(dòng)壓力量值最大，激振試驗(yàn)為124.600 kPa，實(shí)測(cè)為125.200 kPa，相差0.600 kPa，兩者吻合度較好。

對(duì)于道床下表面即仰拱填充上表面：試驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得動(dòng)壓力橫向分布規(guī)律相同，均為重載線路中心位置受到應(yīng)力疊加作用而使得該位置明顯高于其它位置。激振試驗(yàn)結(jié)果顯示該位置動(dòng)壓力極值為62.000 kPa，與實(shí)測(cè)結(jié)果60.200 kPa相差1.800 kPa。

3.2 仰拱動(dòng)壓力

將仰拱結(jié)構(gòu)表面動(dòng)壓力激振試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列入表4，分布規(guī)律如圖6所示。

表4 27 t軸重下仰拱表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力峰值對(duì)比圖

Tab.4 The comparison table of dynamic pressure peak of invert surface points under 27 t axle load kPa

圖6 27 t軸重下仰拱表面動(dòng)壓力對(duì)比圖Fig.6 The comparison diagram of dynamic pressure peak of invert surface under 27 t axle load

由表4和圖6可知，激振試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得仰拱表面的動(dòng)壓力橫向分布規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)為仰拱表面重載線路側(cè)受到的列車(chē)荷載作用遠(yuǎn)大于客車(chē)線；其中重載線路軌道豎向位置上動(dòng)壓力極值最大，隨著與軌道位置距離的增加，相應(yīng)動(dòng)壓力極值也不斷減少，該位置動(dòng)壓力極值激振試驗(yàn)結(jié)果為30.485 kPa，實(shí)測(cè)為31.568 kPa，相差僅為1.083 kPa?？瓦\(yùn)線路軌道豎向位置動(dòng)壓力極值相對(duì)最小，均為6 kPa左右。

對(duì)比激振試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，仰拱表面重載線路各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓力極值相差不大，激振試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У哪M仰拱結(jié)構(gòu)表面所受的列車(chē)荷載作用。此外，重載列車(chē)會(huì)加劇對(duì)應(yīng)豎向位置上仰拱表面的動(dòng)力作用，使動(dòng)壓力集中在荷載位置下方而使左右分布不對(duì)稱(chēng)，長(zhǎng)期受到重載列車(chē)荷載的循環(huán)反復(fù)作用，容易造成結(jié)構(gòu)受力失穩(wěn)，影響仰拱結(jié)構(gòu)安全。

3.3 圍巖動(dòng)壓力

將圍巖表面動(dòng)壓力激振試驗(yàn)結(jié)果與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)列入表5，分布規(guī)律如圖7所示。

表5 27 t軸重下圍巖表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力峰值對(duì)比圖

Tab.5 The comparison table of dynamic pressure peak of surrounding rock surface points under 27 t axle load kPa

圖7 27 t 軸重下圍巖表面動(dòng)壓力對(duì)比圖Fig.7 The comparison diagram of dynamic pressure peak of surrounding rock surface under 27 t axle load

由表5和圖7可知，激振試驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得圍巖表面動(dòng)壓力橫向分布規(guī)律基本一致，同樣表現(xiàn)為重載線路軌道豎向位置上動(dòng)壓力極值最大并遠(yuǎn)大于其它測(cè)點(diǎn)，隨著與軌道位置橫向距離的增加，相應(yīng)動(dòng)壓力極值也不斷減少。軌道下方和拱底(隧道中心)豎向位置動(dòng)壓力極值試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)相差相對(duì)較大，差值分別為4.589 kPa和3.753 kPa，其它測(cè)點(diǎn)相差均在1 kPa以?xún)?nèi)。

對(duì)比激振試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著豎向深度的增加，激振試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度逐漸減弱。具體表現(xiàn)為列車(chē)荷載傳遞到圍巖表面時(shí)，實(shí)測(cè)的動(dòng)壓力大于試驗(yàn)?zāi)M，這種現(xiàn)象在軌道下方和拱底位置尤為明顯。

3.4 動(dòng)壓力豎向傳播規(guī)律

由試驗(yàn)和實(shí)測(cè)可知基底結(jié)構(gòu)相同豎向位置測(cè)點(diǎn)上的動(dòng)壓力均隨豎向深度增加而減少，以27 t軸重條件下雙線重載鐵路隧道重載線路軌道豎向特征監(jiān)測(cè)線上動(dòng)壓力極值的豎向傳遞規(guī)律為例，見(jiàn)圖8。

圖8 27 t 軸重特征位置動(dòng)壓力極值豎向傳播規(guī)律Fig.8 Dynamic pressure amplitude vertical propagation law of feature location under 27 t axle load

根據(jù)雙線鐵路隧道激振試驗(yàn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可見(jiàn)兩者動(dòng)壓力豎向傳遞規(guī)律基本一致。具體表現(xiàn)為列車(chē)荷載在道床結(jié)構(gòu)中衰減程度最大，由仰拱表面?zhèn)鬟f到圍巖表面時(shí)衰減程度相對(duì)最小。

綜合上述對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雙線重載鐵路隧道27 t軸重下雖然激振試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度由上至下逐漸變差，但兩者差值很小且各結(jié)構(gòu)面橫向分布和荷載豎向傳遞規(guī)律基本相同，說(shuō)明激振試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У哪M重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在列車(chē)荷載作用下的動(dòng)力特性。

4 基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期效應(yīng)

上一節(jié)分析了27 t軸重下雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性并驗(yàn)證了激振試驗(yàn)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。下面將對(duì)基底結(jié)構(gòu)在200萬(wàn)次激振作用下的長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行分析，為了更直觀，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)以每16.7萬(wàn)次對(duì)應(yīng)模擬時(shí)間“月”作為單位進(jìn)行處理。

4.1 道床表面

動(dòng)壓力直接顯示出列車(chē)荷載對(duì)基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，對(duì)不同模擬時(shí)間下基底結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析基底結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。將道床表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力在激振試驗(yàn)作用下的長(zhǎng)期變化，如圖9所示。

圖9 道床表面動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)Fig.9 The long-term effect of ballast surface

由圖9可知，隨著模擬時(shí)間(加載次數(shù))的增加，道床表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力不斷增加，在4個(gè)月后出現(xiàn)明顯增加。對(duì)比重載和客運(yùn)線路：左幅重載線路動(dòng)壓力的增長(zhǎng)幅度明顯大于右幅客運(yùn)線路；其中重載線軌道下方動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)最為明顯，在時(shí)間8～9個(gè)月時(shí)趨于穩(wěn)定，最終增量達(dá)到了49.600 kPa。客運(yùn)線路動(dòng)壓力變化較為平緩，最大增量為4.828 kPa，僅為重載線路長(zhǎng)期增量的1/10。

4.2 仰拱填充表面

將仰拱填充表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力在激振試驗(yàn)作用下的長(zhǎng)期變化，如圖10所示。

由圖10可知，仰拱填充表面各測(cè)點(diǎn)隨著模擬時(shí)間(加載次數(shù))的增加動(dòng)壓力不斷增加，同樣在4個(gè)月后出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)。相比右幅客運(yùn)線路，左幅重載線路動(dòng)壓力的增長(zhǎng)幅度更大；其中重載線路中心的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)最為明顯，在時(shí)間9～10個(gè)月時(shí)趨于穩(wěn)定，最大增量達(dá)到了22.955 kPa?？瓦\(yùn)線路的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)則相對(duì)較弱，最大增量為4.286 kPa，約為重載線路側(cè)長(zhǎng)期增量的1/5。

圖10 仰拱填充表面動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)Fig.10 The long-term effect of invert filling surface

4.3 仰拱表面

將仰拱表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力在激振試驗(yàn)作用下的長(zhǎng)期變化，如圖11所示。

圖11 仰拱填充表面動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)Fig.11 The long-term effect of invert surface

由圖11可知，仰拱表面各測(cè)點(diǎn)隨著模擬時(shí)間(加載次數(shù))的增加動(dòng)壓力不斷增加，但整體量值不大，表明深度增加會(huì)使列車(chē)荷載作用的長(zhǎng)期效應(yīng)減弱。在3個(gè)月后仰拱表面測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓力出現(xiàn)一定幅度的增長(zhǎng)。左幅重載線路側(cè)動(dòng)壓力的長(zhǎng)期效應(yīng)仍較右幅客運(yùn)明顯；其中重載線路軌道豎向位置上的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)相對(duì)明顯，在時(shí)間5～6個(gè)月時(shí)趨于穩(wěn)定，最大增量達(dá)到了3.904 kPa?？瓦\(yùn)線路的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)則相對(duì)較弱，最大增量為1.215 kPa，約為重載線路側(cè)長(zhǎng)期增量的1/3。

4.4 圍巖表面

將圍巖表面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力在激振試驗(yàn)作用下的長(zhǎng)期變化，如圖12所示。

圖12 圍巖表面動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)Fig.12 The long-term effect of surrounding rock surface

由圖12可知，圍巖表面各測(cè)點(diǎn)隨著模擬時(shí)間(加載次數(shù))的增加動(dòng)壓力不斷增加，但整體量值較小，表明當(dāng)列車(chē)荷載傳遞到圍巖表面時(shí)引起的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)已經(jīng)很弱。在6個(gè)月后圍巖表面測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓力增長(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)小幅度爬升，但量值很小。其中重載線路軌道豎向位置上的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)仍相對(duì)明顯，最大增量為2.302 kPa?？瓦\(yùn)線路的動(dòng)壓力長(zhǎng)期變化不大，最大增量?jī)H為1.375 kPa，約為重載線路側(cè)長(zhǎng)期增量的1/2。

4.5 長(zhǎng)期效應(yīng)綜合分析

將重載線路中心、重載線路軌道和客運(yùn)線路軌道三條特征監(jiān)測(cè)線上動(dòng)壓力的長(zhǎng)期效應(yīng)列入表6進(jìn)行綜合比較。

表6 各結(jié)構(gòu)面動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)

由表6可知，各結(jié)構(gòu)面的動(dòng)壓力長(zhǎng)期增量變化規(guī)律與動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律相符，列車(chē)動(dòng)荷載作用集中的位置動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)更為明顯且增量更大，具體表面為重載線路軌道位置的動(dòng)壓力增量明顯大于監(jiān)測(cè)線?？瓦\(yùn)線路因沒(méi)有直接受到重載列車(chē)荷載作用長(zhǎng)期效應(yīng)最弱，其穩(wěn)定時(shí)間不計(jì)入比較范圍。

對(duì)于同一豎向位置，不同深度的結(jié)構(gòu)表面測(cè)點(diǎn)，動(dòng)壓力長(zhǎng)期增量由上至下逐漸變小。同時(shí)穩(wěn)定時(shí)間也隨深度增加而減少表明列車(chē)荷載的累積作用主要集中在道床結(jié)構(gòu)最長(zhǎng)達(dá)到9個(gè)月，在仰拱填充的緩沖作用下，仰拱和圍巖表面的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)已經(jīng)明顯衰減。對(duì)比三條特征監(jiān)測(cè)線的長(zhǎng)期效應(yīng)可以看出，27 t 軸重列車(chē)作用的確會(huì)在很大程度上增加重載線路側(cè)的荷載累積，影響基底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在重載鐵路隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中基底結(jié)構(gòu)主要受到周?chē)h(huán)境變化和重載列車(chē)長(zhǎng)期作用的綜合影響，因此基底各結(jié)構(gòu)層表面的動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)會(huì)更加明顯；現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)的加載次數(shù)為200萬(wàn)次，將重載鐵路隧道5 400萬(wàn)t的模擬年運(yùn)量縮短到63個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，大大加快了研究進(jìn)度，同時(shí)避開(kāi)了周?chē)h(huán)境長(zhǎng)期變化對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響，因此試驗(yàn)得到的基底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受力特征弱于隧道實(shí)際服役過(guò)程，但對(duì)單獨(dú)考慮重載列車(chē)長(zhǎng)期荷載作用影響下的基底結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力分布規(guī)律研究更為準(zhǔn)確，激振試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上可為雙線重載鐵路隧道的疲勞設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié) 論

開(kāi)展針對(duì)IV級(jí)圍巖條件下雙線重載鐵路隧道的現(xiàn)場(chǎng)大型激振試驗(yàn)，模擬了27 t軸重列車(chē)作用下基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)，與實(shí)際通車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并得出如下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際通車(chē)后的隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律基本一致，表明激振試驗(yàn)可以有效的模擬重載列車(chē)作用下基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性并對(duì)其長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行仿真模擬，為雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

(2)在雙線重載鐵路隧道中，動(dòng)壓力橫向分布規(guī)律顯示重載列車(chē)作用會(huì)明顯增加基底結(jié)構(gòu)重載線路側(cè)各部位的動(dòng)力響應(yīng)。其中軌道下方的動(dòng)壓力響應(yīng)最為劇烈，相應(yīng)豎向位置上的結(jié)構(gòu)表面會(huì)受到更大的列車(chē)動(dòng)荷載附加值。

(3)基底結(jié)構(gòu)同一豎向位置上，列車(chē)荷載的動(dòng)力隨深度由上至下逐漸減弱。其中列車(chē)荷載在基底結(jié)構(gòu)中傳遞分為兩個(gè)階段：道床結(jié)構(gòu)急速衰減階段和仰拱結(jié)構(gòu)緩慢衰減階段。

(4)循環(huán)荷載作用下，基底結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓力長(zhǎng)期效應(yīng)與該位置動(dòng)壓力量值相關(guān)。道床表面重載線路軌道測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓力長(zhǎng)期增量明顯高于其它測(cè)點(diǎn)，穩(wěn)定時(shí)間也長(zhǎng)于其它位置。同時(shí)，基底結(jié)構(gòu)重載線路側(cè)在重載列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間大軸重碾壓下會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

[1] 耿志修, 李學(xué)峰, 張波. 大秦線重載列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2008, 29 (2): 88-93. GENG Zhixiu, LI Xuefeng, ZHANG Bo. Simulation study of heavy haul train operation on Datong-Qinhuangdao railway[J]. China Railway Science, 2008, 29 (2): 88-93.

[3] 馮懷平，王志鵬，常建梅，等. 重載鐵路基床動(dòng)力濕化特性試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2015，48(增刊2)：236-241. FENG Huaiping，WANG Zhipeng，CHANG Jianmei，et al. Experimental study on dynamic slaking deformation characteristics of heavy haul railway subgrade soil[J]. China Civil Engineering Journal，2015，48(Sup2)：236-241.

[4] 肖世偉，雷長(zhǎng)順. 重載鐵路路基荷載特征和路基動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，187(4)：51-56. XIAO Shiwei，LEI Changshun. Loading characteristics and dynamic response analysis of subgrade for heavy haul railway[J] Journal of Railway Engineering Society，2014，187(4)：51-56.

[5] 李自強(qiáng)，王明年，于麗，等. 重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓力響應(yīng)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2016，37(1)：71-78. LI Ziqiang，WANG Mingnian，YU Li，et al. Dynamic pressure response of foundation base structure in heavy haul railway tunnel[J]. China Railway Science，2016，37(1)：71-78.

[6] 薛富春, 馬建林, 顏利平, 等.客運(yùn)專(zhuān)線富水黃土隧道隧底振動(dòng)特性試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(2)：202-207. XUE Fuchun, MA Jianlin, YAN Liping, et al. Effect of viscous damping in a soft stiffness shock isolation system[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010，29(2)：202-207.

[7] 薛富春, 馬建林, 顏利平, 等. 高速鐵路富水黃土隧道隧底循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(9): 226-230. XUE Fuchun, MA Jianlin, YAN Liping, et al. Cyclic dynamic test of wate-rich loess tunnel subgrade for high-speed railway[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(9): 226-230.

[8] 蘇謙, 白皓, 黃俊杰, 等. 剛性地基低路堤長(zhǎng)期動(dòng)力特性原位試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2011 (增刊1): 147-151. SU Qian, BAI Hao, HUANG Junjie, et al. In-situ tests on long-term dynamic characteristics of low embankment on rigid foundation[J]. China Civil Engineering Journal, 2011 (Sup1): 147-151.

[9] 王亮亮, 楊果林, 房以河, 等. 高速鐵路膨脹土路塹全封閉基床動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(4): 640-645. WANG Liangliang, YANG Guolin, FANG Yihe, et al. In-situ tests on dynamic character of fully-enclosed cutting subgrade of high-speed railways in expansive soil areas[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(4): 640-645.

[10] 楊果林, 邱明明, 何旭, 等. 膨脹土路塹基床新型防水層振動(dòng)荷載下服役性能試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(5): 1-7. YANG Guolin, QIU Mingming, HE Xu, et al. Tests for working property of waterproof layer of cutting subgrade in expansive soil under vibrating load[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(5): 1-7.

[11] 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10003—2005[S]. 中國(guó)鐵道出版社, 2005.

[12] 田楊，蔡力鋼，劉志峰，等. 重型龍門(mén)數(shù)控機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)承載變形[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42(1): 9-17.

TIAN Yang，CAI Ligang，LIU Zhifeng，et al. Bearing deformation of heavy-duty CNC machine tools & foundation system[J]. Journal of Belting University of Technology，2016，42(1): 9-17.

[13] 許建林, 孫建成, 梅元貴, 等. 高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)壓力波基本特性數(shù)值模擬研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(3): 184-191. XU Jianlin, SUN Jiancheng, MEI Yuangui, et al. Numerical simulation on crossing pressure wave characteristics of two high-speed trains in tunnel[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(3): 184-191.

[14] 王祥秋, 楊林德, 周治國(guó). 列車(chē)振動(dòng)荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(7): 1337-1342. WANG Xiangqiu, YANG Linde, ZHOU Zhiguo. Dynamic response analysis of lining structure for tunnel under vibration loads of train[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(7): 1337-1342.

[15] 馬樂(lè), 岳祖潤(rùn), 馮懷平, 等. 重載鐵路翻漿冒泥病害調(diào)查與研究對(duì)策[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2015, 59(8): 51-54. MA Le, QIU Zurun, FENG Huaiping, et al. Investigation of mud pumping in heavy haul railway embankment and countermeasures[J]. Railway Standard Design, 2015, 59(8): 51-54.

[16] 胡亞?wèn)|. 我國(guó)鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)體系的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2015, 36(2): 1-10. HU Yadong. Current status and development trend of technology system for railway heavy haul transport in China[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 36(2): 1-10.

[17] 楊靜靜, 張楠, 戰(zhàn)家旺, 等. 重載鐵路線路加固體系車(chē)線動(dòng)力分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2015, 34(10): 147-151. YANG Jingjing, ZHANG Nan, ZHAN Jiawang, et al. Vehicle-line dynamic analysis for a heavy rail reinforcement system[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(10): 147-151.

Experimental study on the long-term dynamic characteristics of heavy haul railway tunnel basement structures

WU Qiujun1，2，LI Ziqiang1，2，YU Li1，2，HUA Yang1，2，WANG Mingnian1，2

(1 School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2 Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

For studying the effect of enomously great train load acting on the basement structure of heavy haul railway tunnel, a large-scale site vibration test was carried out on the Fuyingzi tunnel with a dynamic and long-term loading of 27t axle load of heavy haul train. Comparing with the remote measured dynamic data，the objectivity and accuracy of the test was verfied.The dynamic contact pressure responses and long-term changes of a double line heavy haul railway tunnel basement structure， including the ballast, invert filling, inverted arch structure and rock contact surface ，were instigated in the environment of heavy axle load and high density transportation.The results show that the vibration excitation test can well test the dynamic characteristics of the basement structure under 27 t axle load. The dynamic responses and long-term effects on each component structure are most obvious at the position just under the heavy load track and gradually weakened from top to bottom along the vertical depth. The long-term effect and dynamic pressure at each positon are influenced by the dynamic load of train. The greater the dynamic response, the more obvious the long-term effect. The experimental results provide a theoretical basis for the stability evaluation and parameters design of the base structure of double track heavy-haul railway tunnels.

heavy-haul railway tunnel; base structure; vibration excitation test; dynamic pressure distribution; long-term effect

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題合同(2014G005-A)；西南交通大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51578458)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2682016CX001)

2016-05-20 修改稿收到日期：2016-09-22

吳秋軍 男， 博士生， 工程師， 1980年生

李自強(qiáng) 男， 博士生， 工程師， 1987年生

U213.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.021