不同軸重下雙線重載鐵路隧道基底結構動壓力分布研究

于 麗，趙 勇，王明年，李自強，3

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.中國鐵路經濟規(guī)劃研究院，北京 100038；3.重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331)

重載運輸是一種能夠保證運輸效率，提高經濟效益的有效途徑[1-2]。目前，世界各國大力發(fā)展重載運輸使重載鐵路發(fā)展迅速[3-4]。相較于普通鐵路而言，重載鐵路具有大軸重、大運量和高行車密度的特點，故重載鐵路隧道隧底承受的列車動荷載幅值和作用次數均顯著提高。因此，重載鐵路隧道對基底結構的承載力要求也明顯高于普通鐵路隧道。如設計施工考慮不周，重載鐵路隧道基底結構更易出現(xiàn)病害影響隧道結構的安全穩(wěn)定，且其維修養(yǎng)護更為困難[5]。因此，研究分析不同軸重動力影響下重載鐵路隧道基底結構力學行為對其設計方法和病害的防治具有指導借鑒意義。

目前，重載鐵路隧道底部結構設計主要是基于普通鐵路隧道的經驗取值。重載鐵路隧道相關規(guī)范雖尚未正式實施，但國內關于重載鐵路線路底部結構的研究也已取得了一定成果。劉文劼等[6]根據動三軸試驗研究了路基在重載列車動載往復作用下的動力響應，得到了路基動應變-動應力的曲線模型；狄宏規(guī)等[7]基于輕型動力觸探N10試驗對不同軸重、不同速度重載列車行車條件下朔黃鐵路路基的強度進行評估，發(fā)現(xiàn)重載擴能仍難滿足30 t軸重行車要求；薛繼連[8]研究了30 t軸重列車動力作用下，重載鐵路隧道隧底密實度對基底結構動力性能的影響；尹成斐等[9]通過現(xiàn)場實測，得到重載列車動力作用下，仰拱填充表面的應力分布特征。上述關于重載鐵路隧道基底結構動力響應的研究多通過有限元分析，而試驗多集中在路基結構。鑒于路基與隧道基底結構存在較大差異性，因此現(xiàn)有的重載鐵路路基結構動力特性不適用于重載鐵路隧道基底結構，同時以往的試驗研究由于隧道自身條件的限制而存在較大局限性，難以達到預期效果，故不同軸重條件下重載鐵路隧道基底結構的動壓力傳遞規(guī)律并不明確。

針對雙線重載鐵路隧道基底結構在不同軸重重載列車下的動力響應，分析25、27、30 t軸重條件下，基底結構由上至下各結構層表面的動壓力分布情況，明確在不同軸重下重載鐵路隧道基底結構受到的列車荷載影響。利用現(xiàn)場原位激振試驗模擬不同軸重的重載列車動力作用，在底部結構各結構層表面埋設光纖光柵土壓力計獲得不同位置的接觸壓力，定量分析軸重增加對隧道基底結構產生的影響。據此為重載鐵路隧道設計參數的選取提供理論依據。

1 現(xiàn)場試驗及遠程監(jiān)測方案

1.1 實際工程依托

試驗斷面位于付營子隧道，其為張?zhí)畦F路中最長的隧道之一，隧道斷面形式為單洞雙線，長度約為10 km，采用無砟道床結構，下行方向為重載列車，上行方向為普通列車，即左線為重載線路，右線為普通線路，左右線路中心相距3.44 m。Ⅳ級圍巖條件下設計襯砌斷面如圖1所示。

1.2 斷面的選取

本文主要研究Ⅳ級圍巖條件下雙線重載鐵路隧道基底結構的動壓力分布規(guī)律，因此付營子隧道現(xiàn)場試驗和遠程監(jiān)測斷面均選在Ⅳ級圍巖標準斷面，監(jiān)測斷面處于隧道直線段，距離隧道進口約3 km。通過付營子隧道的TSP地質超前預報并結合相關規(guī)范[10]，確定試驗斷面的物理參數，見表1。

表1 付營子隧道Ⅳ級圍巖試驗斷面物理參數

1.3 傳感器布設

(1)測試傳感器

在本次試驗和遠程監(jiān)測方案中選擇光纖光柵土壓力傳感器，該測試原件抗干擾性強，長期穩(wěn)定性好，能夠實現(xiàn)接觸壓力的動態(tài)采集和長期遠程傳輸[11]。

(2)測點布設

為研究不同軸重下基底結構不同結構面表面的動壓力分布規(guī)律，并考慮隧道底部結構分層澆筑的特點，將光纖光柵土壓力計由上至下在各結構層表面進行布設，具體位置見圖2。

圖2 基底結構土壓力計測點布設示意圖

付營子隧道現(xiàn)場試驗和遠程監(jiān)測過程中，為各結構面?zhèn)鞲衅鬟M行編號并選取合理量程：道床表面DT-1—DT-3，量程選取10 MPa；填充層表面DT-4—DT-7，量程選取5 MPa；仰拱表面GT-1—GT-7與圍巖表面WT-1—WT-8，量程均選取2 MPa。試驗和遠程監(jiān)測中對列車動力作用的采樣時間間隔為0.01 s。

1.4 試驗設計

現(xiàn)場試驗采取激振試驗模擬25、27、30 t三種重載列車軸重。試驗設備選用的激振動力系統(tǒng)能夠通過調整偏心塊改變設備配重，結合設備輸出頻率實現(xiàn)不同激振力，以達到多種列車動荷載作用的模擬[12]。試驗位置選在貨運線路道床表面，模擬研究實際通車情況下基底結構的動力響應，試驗過程中采用光纖光柵解調儀進行數據采集，如圖3所示。

圖3 重載鐵路隧道現(xiàn)場激振試驗設備

不同軸重的重載列車作用荷載由不同配重塊和輸出頻率模擬，主要試驗參數如表2所示。

表2 付營子隧道Ⅳ級圍巖斷面試驗工況

對光纖光柵解調儀采集的各結構層表面土壓力傳感器動態(tài)波長進行處理分析，即可得到三種不同軸重的動力影響下相應位置上的動壓力分布。

1.5 遠程數據采集

在付營子隧道測點安裝完畢和激振試驗結束后，根據各測點光纖光柵波長對傳感器進行組網后，通過主光纜接入隧道進口的通信機房，利用光纖光柵解調儀和工控機實現(xiàn)遠程數據采集。

2 激振試驗結果

付營子隧道K294+100 Ⅳ級圍巖斷面試驗時間共計202.4 h，記錄并分析了25、27、30 t三種軸重情況下雙線鐵路隧道基底結構各結構層的動壓力規(guī)律。

2.1 道床動壓力

因篇幅限制，僅列出貨運側即重載線路道床結構表面(軌枕底面)在列車行進過程中的典型動壓力時程曲線，如圖4所示。

圖4 軸重30 t時道床表面左線路動壓力典型時程曲線

對比道床各測點動壓力時程曲線可以看出，道床上層的接觸壓力動力響應較下層更加明顯，表明重載列車作用會極大增加軌枕下方的動壓力幅值，同時隨深度增加而減少。提取道床結構上下表面的動壓力幅值列于表3。

表3 各工況下道床各測點動壓力幅值

由表3可得，對于雙線重載鐵路隧道而言，重載列車荷載的作用會極大增加重載線路道床結構上下表面的動壓力，同時會在一定程度上增加普通線路側道床結構的動壓力，但量值較小，影響較弱。

對于道床結構上表面而言，三種軸重條件下，線路軌道下方的動壓力均最大，表明該位置受到列車荷載影響最大。其中，軸重30 t列車荷載作用時，重載線路右軌的動壓力幅值為168.40 kPa，軸重由30 t減少到27 t時，該位置動壓力衰減約26.01%；軸重由27 t減少到25 t時，該位置動壓力衰減約19.41%，表明軸重超過25 t時，雙線鐵路隧道軌枕下方的動壓力呈非線性增長，道床結構受到列車荷載作用會越來越大。

對于道床結構下表面而言，三種軸重條件下，重載線路中心的動壓力最大，表明重載列車作用會引起應力疊加而使得重載線路中心動壓力幅值達到最高。其中，軸重30 t列車荷載作用時，重載線路中心的動壓力幅值為80.80 kPa，軸重由30 t減少到27 t時，該位置動壓力衰減約23.26%；軸重由27 t減少到25 t時，動壓力衰減約16.95%，表明軸重超過25 t時，道床下表面的動壓力仍會隨軸重增加而越來越大。對比軌枕下方的動壓力衰減程度可知，距離列車作用位置越近，動力響應越為明顯。

2.2 仰拱動壓力

三種軸重條件下仰拱表面各測點動壓力值見表4。

由表4可得，三種軸重下仰拱表面動壓力幅值最大位置在重載線路軌道下方。軸重30 t時，重載線路軌道下方仰拱表面動壓力幅值達到35.56 kPa；軸重由30 t減少到27 t時，動壓力幅值達到30.49 kPa(衰減14.28%)；軸重由27 t減少到25 t時，動壓力幅值達到了26.23 kPa(衰減13.98%)。左幅即重載線路位置軌道豎向位置的動壓力幅值衰減程度最小，表明重載列車作用的動力影響主要集中在重載線路軌道豎向位置。與列車荷載作用位置距離越大，動壓力逐漸減弱導致橫向分布上左幅動壓力明顯大于右幅，在重載列車長期大軸重碾壓下，基底結構易出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生病害。

2.3 圍巖動壓力

三種軸重條件下圍巖表面各測點動壓力值見表5。

表4 各工況下仰拱表面各測點動壓力幅值

表5 各工況下圍巖各測點動壓力變化幅值

由表5可得，圍巖表面動壓力橫向分布規(guī)律表現(xiàn)為重載線路軌道下方動壓力幅值相對最大。隨著與該位置距離的增加，動壓力也逐漸減小。當軸重為30 t時，重載線路軌道豎向位置上圍巖表面動壓力幅值為18.48 kPa；軸重由30 t減少到27 t時，該位置動壓力幅值衰減約26.67%達到13.55 kPa；軸重由27 t減少到25 t時，動壓力幅值衰減約24.19%達到10.27 kPa。其中，當軸重由27 t增加到30 t時，右側即普通線路圍巖表面的動壓力幅值反而減少，表明在Ⅳ級圍巖條件下，重載列車軸重超過27 t時其對重載線路的荷載作用加劇，動壓力分布更為集中，對底部圍巖受力更為不利。

2.4 動壓力豎向傳播規(guī)律

Ⅳ級圍巖三種軸重條件下，雙線重載鐵路隧道僅重載線路受到列車荷載作用時，重載線路即貨運線路中心、重載線路右軌和普通線路即客運線路右軌三條豎向特征監(jiān)測線上動壓力幅值的豎向傳遞規(guī)律見圖5。

圖5 三種軸重下特征位置動壓力幅值沿深度衰減規(guī)律

由圖5可得，在軸重25、27、30 t重載列車作用下，雙線鐵路隧道動壓力豎向傳遞規(guī)律基本一致，主要分為兩個階段：第一階段為列車荷載受到道床結構和仰拱填充結構的緩沖影響而出現(xiàn)較大程度的衰減，軸重越大，衰減程度越明顯；第二階段為列車荷載在仰拱結構中的傳遞，此時三種軸重的動壓力幅值已較為接近，由仰拱表面?zhèn)鬟f到圍巖表面的動壓力衰減較小。

三條特征監(jiān)測線上，重載線路軌道對應豎向位置上的動壓力幅值均最大，同時衰減程度最大。表明提升軸重會加速相應軌道位置的列車荷載作用力，使得橫向分布左幅大于右幅，基底結構受力不均勻。

3 遠程實測結果

付營子隧道實際通車參數為軸重27 t。對付營子隧道Ⅳ級圍巖監(jiān)測斷面進行實時監(jiān)控，記錄重載列車對雙線鐵路隧道激振試驗斷面基底結構的動力影響，取一趟過車數據為比較依據，與同為27 t軸重的激振試驗結果進行對比分析。

3.1 道床動壓力

提取遠程監(jiān)控所得道床結構上、下表面的動壓力幅值，并與現(xiàn)場原位試驗數據進行比較，見表6，分布規(guī)律見圖6。

由表6和圖6可知，普通線路軌道下方土壓力傳感器通車后損壞，不予考慮。道床結構實測數據與激振試驗結果動壓力幅值吻合度較好。對于道床結構上表面而言，最大差值出現(xiàn)在重載線路中心，實測動壓力幅值為98.40 kPa，相對差值僅為6.30%；對于道床結構下表面而言，最大差值出現(xiàn)在普通線路軌道下方，表明對于重載線路列車荷載實際作用與試驗結果基本一致。

表6 27 t軸重下道床各測點動壓力幅值對比

圖6 27 t軸重下道床結構動壓力幅值對比

3.2 仰拱動壓力

激振試驗所得仰拱表面動壓力結果與遠程獲取的數據見表7，分布規(guī)律如圖7所示。

表7 27 t軸重下仰拱表面各測點動壓力幅值對比

圖7 27 t軸重下仰拱表面動壓力幅值對比

由表7和圖7可知，激振試驗和遠程監(jiān)控所得仰拱表面動壓力橫向分布形式同為“偏三角形”，具體表現(xiàn)為最大動壓力幅值出現(xiàn)在重載線路軌道位置，隨著橫向距離的增加，動壓力幅值向兩側減少。其中重載線路軌道位置兩者的動壓力幅值最為接近，激振試驗結果為30.49 kPa，實測為31.57 kPa，相對差值僅為3.54%。普通線路軌道豎向位置動壓力幅值相對差值較大，為19.02%，但量值較為接近，均為6 kPa左右。結合遠程實測可知，激振試驗所得仰拱表面動壓力幅值的量值接近，原位激振試驗能夠有效模擬重載列車對仰拱結構的動力作用。

3.3 圍巖動壓力

將激振試驗所得圍巖表面動壓力與遠程監(jiān)控所得動壓力幅值進行對比，見表8，分布規(guī)律如圖8所示。

表8 27 t軸重下圍巖表面各測點動壓力幅值對比

圖8 27 t軸重下圍巖表面動壓力幅值對比

由表8和圖8可知，激振試驗和遠程監(jiān)控所得動壓力幅值仍表現(xiàn)為“偏三角形”，具體表現(xiàn)為重載線路軌道位置幅值最大，隨著與軌道的水平距離增加，動壓力幅值也逐漸降低。其中，重載線路中心豎向位置上兩者的動壓力幅值最為接近，激振試驗結果為6.59 kPa，實測為6.78 kPa，相差僅為2.88%。拱底(隧道中心)豎向位置動壓力幅值相差較大，達到了42.74%，但量值較為接近，相差3.77 kPa。通過比較試驗和實測所得動力數據發(fā)現(xiàn)，基底結構豎向深度增加，兩者吻合度下降，具體表現(xiàn)為重載列車在重載線路軌道豎向位置上的荷載作用大于試驗模擬，但動壓力橫向分布規(guī)律和量值較為接近。

通過兩者對比可知，27 t軸重動力作用下雙線重載鐵路隧道激振試驗和實測數據吻合度由上至下減小，但量值接近且各結構表面橫向分布規(guī)律基本一致，說明激振試驗能夠很好的模擬不同軸重條件下列車動荷載的影響。

4 結論

本文針對Ⅳ級圍巖條件下雙線重載鐵路隧道基底結構各結構面包括道床上、下表面，仰拱表面和圍巖表面的動壓力在不同軸重列車荷載作用下的動力響應，得出了不同軸重條件下列車荷載的橫向分布及豎向傳遞規(guī)律，討論了基底結構動壓力對列車軸重的敏感性，最后通過現(xiàn)場實測與試驗結果對比分析，得出了如下結論：

(1)通過25、27、30 t軸重的大型現(xiàn)場激振試驗可以得出，對于雙線重載鐵路隧道而言，受到重載列車直接作用的線路側動壓力會明顯升高。其中軌道位置動壓力幅值最大，對于付營子隧道這種上下行荷載明顯不同的雙線鐵路隧道而言，重載列車的長期大軸重碾壓會使基底結構出現(xiàn)失穩(wěn)的可能。

(2)重載線路豎向位置動壓力幅值與列車軸重關系表現(xiàn)為：軸重由30 t降低到27 t時，道床上表面動壓力幅值衰減程度為26%～29%，道床下表面衰減程度為23%～31%，仰拱表面為14%～20%，圍巖表面為18%～29%；軸重由27 t降低到25 t時，道床上表面動壓力幅值衰減程度為19%～22%，道床下表面衰減程度為17%～22%，仰拱表面為14%～23%，圍巖表面為12%～24%。激振試驗表明，軸重超過25 t后，基底結構各層動壓力增長速度較軸重增長速度更快，說明軸重增加，對基底結構荷載作用會越來越大。此外，隨著豎向深度的增加，各結構層表面對軸重的敏感性也逐漸降低。

(3)在付營子隧道正式通車后，根據實際通車參數(軸重27 t，速度80 km/h)將所得的基底結構實際動壓力變化與激振試驗相同工況對比分析后發(fā)現(xiàn)兩者動壓力幅值的吻合度由上至下逐漸變差。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于，激振試驗的加載方式和重載列車實際作用的差異性，同時兩者荷載作用位置也有所不同，激振設備是直接作用在軌枕上，而列車荷載則是在鋪軌完畢后作用在鋼軌上。因此重載列車實際動力作用傳遞到基底圍巖時明顯于激振試驗。綜合分析，實測與激振試驗結果雖吻合度存在差異但整體量值十分接近，可認為激振試驗結果客觀合理，25 t和30 t模擬軸重均可作為雙線重載鐵路隧道的設計理論依據。

(4)本文結論僅針對Ⅳ級圍巖條件下的雙線重載鐵路隧道，對其他圍巖條件下重載鐵路隧道的適用性還有待研究。