列車振動荷載作用下隧道圍護結構性能實測分析

王洪德，張立曼

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

京石鐵路客運專線石家莊六線隧道全長4 980 m，工程除下穿既有石太直通線段采用暗挖法施工外，其余線段均采用明挖法施工.明挖基坑開挖寬度30～52 m，深度8.5～22 m.基坑西側為京廣線，最近處距離基坑只有10.2 m，穿越市政道路采取翻交倒幅施工，列車及市政交通車輛都會產生動荷載.由于隧道基坑寬度、深度及長度都較大，為采用大型機械施工，橫撐體系采用錨索支護結構.錨索采取注漿與地層緊緊結合，通過地層錨固力對圍護結構產生約束.一般情況下，在地面列車和其它車輛動荷載下，地層會產生振動，地層結構會變得松散［1-2］.尤其是軟弱的土層，更容易變得松散，錨索性能將會發生變化［3-5］.因此，研究錨索性能變化必須首先了解列車振動規律以及錨索軸力、樁身水平位移等的變化規律［6-7］.本文通過對列車振動影響范圍、圍護樁振動速度、錨索軸力以及樁身水平位移等進行實測分析，從而為隧道工程設計和施工提供技術支撐.

1 監測項目及測點布置

1.1 列車振動影響范圍測試

在義堂路與石太聯通線之間DK278+200選擇一個測試斷面，在垂直既有鐵路方向地面東側挖一個6 m×1 m×3.3 m(長×寬×高)的基坑，基坑走向東西，距離近軌道僅4.8 m.在坑壁深度方向每0.5～1 m、長度方向每1～2 m，布置水平和垂直振動傳感器一對，監測不同列車、不同距離、不同深度情況下既有線列車振動荷載對地層振動的影響，從而確定列車振動影響范圍，測點布置如圖1和圖2所示.

圖1 地層振動測試平面布置圖(m)

圖2 地層振動測試測點布置圖(mm)

1.2 圍護樁振動速度測試

為掌握圍護樁在不同開挖深度下的振動特性，選擇DK278+403處D15圍護樁為測試對象(樁長22.2 m)，并分別于9月23日、10月25日進行了測試.兩次測試基坑開挖深度分別為8.5 m和13 m.測點布置分別如圖3和圖4所示.

圖3 9月23日測點布置(mm)

圖4 10月25日測點布置(mm)

1.3 錨索軸力測試

在DK278+380～DK278+640之間在基坑東西兩側、三層錨索分別布置了9個測點進行錨索軸力的測試，以了解列車振動對錨索軸力的影響，測點布置如圖5所示.

圖5 第一層錨索軸力測點布置圖

1.4 樁身水平位移測試

為了解樁身水平位移在施工過程中的變化規律，在基坑東西兩側分別布置測點進行樁身水平位移的測試，測點布置如圖6所示.

圖6 樁身水平位移測點布置圖

2 測試結果分析

振動測試采用中國地震局工程力學研究所研制的891型測震儀，數據采集、分析與處理采用東方所研制的DASP2000測試系統.

2.1 列車振動影響范圍測試規律

測試前對每一排數據從靠鐵路一側第一列開始單獨編號，分別為1～6號測點，每個測點又分為水平方向和垂直方向.共測得數據232組.

測試結果顯示:列車振動引起的垂直振動影響范圍大約在第6號測點之外，距下行線外側軌道距離為9.6 m;列車振動引起的水平振動影響范圍大約在第2號測點之外，距最外側軌道距離為3.2 m;由于貨車的質量相對較大，因此貨車通過引起的地表振動幅值最大，且下行貨車比上行貨車影響大.

貨車上行時各測點水平及垂直振動速度與距地表深度的關系如表1、表2所示，下行時各測點水平及垂直振動速度與距地表深度的關系如圖7、圖8所示.

表1 上行貨車經過時各測點的水平振速mm/s

表2 上行貨車經過時各測點的垂直振速mm/s

圖7 下行貨車各測點水平振速隨深度的變化規律

圖8 下行貨車各測點垂直振速隨深度的變化規律

2.2 圍護樁振動速度測試規律

分別對上下行動車、貨車及普通列車進行了測試，并對不同列車通過時的平均振動速度進行了分析.9月23日(開挖深度8.5 m)共測得數據131組，10月25日(開挖深度13 m)共測得數據135組.

2.2.1 不同列車通過時的平均振動速度

不同列車通過時的平均振動速度如表3～表6所示.

表4 9月23日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s

表4 9月23日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s(續)

表5 10月25日列車下行時各測點水平平均速度mm/s

表6 10月25日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s

2.2.2 不同開挖深度圍護樁振動速度對比

不同開挖深度時不同列車類型條件下，水平速度及垂直速度最大值變化規律如圖9、圖10所示.

圖9 不同深度時圍護樁水平振速最大值變化規律

圖10 不同深度時圍護樁垂直振速最大值變化規律

由測試結果可得到如下結論:①列車經過時，圍護樁的水平振動速度較大，豎向振動速度相對較小，下行車引起的振動速度大于上行車;②隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁受列車振動的影響變大.基坑開挖深度為8.5 m時最大水平及豎向振動速度分別為1.099mm/s和0.5mm/s;基坑開挖深度為13 m時最大水平及豎向振動速度分別為 7.394mm/s和 2.416mm/s.

2.3 錨索軸力測試結果分析

2.3.1 同一測點不同層錨索軸力

選取有代表性的14'測點不同層錨索軸力變化曲線如圖11所示.

圖11 測點14'三層錨索軸力變化曲線

測試結果顯示，無論是靠近既有鐵路的西側，還是遠離既有鐵路的東側，三層錨索中，第一層錨索軸力最小，第二層最大，符合一般的土壓力傳遞規律;第一層錨索軸力呈現先增大后逐漸降低至基本穩定，第二層與第三層錨索軸力曲線相對比較平緩，數值變化不大.

2.3.2 東西對應測點錨索軸力

東西對應測點有代表性的錨索軸力變化曲線如圖12所示.

圖12 測點14'東西對應測點第二層錨索軸力變化曲線

測試結果表明，東西對應測點中，錨索軸力的變化規律基本一致，西側錨索軸力基本都比東側錨索軸力大，這主要是由于西側距離既有鐵路較近，受列車振動荷載影響較大而引起的.

2.4 樁身水平位移測試結果分析

取11月1、9、18、25和30日的監測數據為代表，樁身水平位移隨深度的變化曲線如圖13所示.

圖13 樁身水平位移隨深度變化曲線

測試結果顯示，樁身水平位移隨著深度的增加先增加后減小，深度為3 m處的樁身水平位移最大，最大值5.0mm(11月27日量測數據);隨著深度的增加，水平位移急劇減小，在17 m左右的深度時，水平位移已經很小，接近于0，并且有的已經發生向坑外的變形，說明施工影響深度為17 m左右.這種位移變化規律與一般土壓力規律下的變形規律一致.

3 結論

通過對京石鐵路客運專線石家莊六線隧道在不同列車通過時，列車振動影響范圍、圍護樁振動速度、錨索軸力以及樁身水平位移現場測試數據的分析，掌握了列車的振動規律以及列車振動對錨索軸力及樁身位移的影響程度，為錨索性能參數的選取提供了有價值的技術保障.

［1］白冰，李春峰.地鐵列車振動作用下近距離平行隧道的彈塑性動力響應［J］.巖土力學，2009，30(1):123-128.

［2］和振興，翟婉明，羅震.地鐵列車引起的地面振動［J］.西南交通大學學報，2008，43(2):218-221.

［3］謝偉平，孫洪剛.地鐵運行時引起的土的波動分析［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(7):1181-1184.

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［5］陶連金，李曉霖，陸熙.地鐵誘發地面運動的衰減規律的研究分析［J］.世界地震工程，2003，19(1):4-87.

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