列車振動荷載下錨索預應力現場監測及數值分析

賈曉云，朱永全

(1.西南交通大學土木工程學院，成都　610031；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊　050043)

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列車振動荷載下錨索預應力現場監測及數值分析

賈曉云1，2，朱永全2

(1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊050043)

振動會引起基坑加固系統中錨索預應力的損失，影響基坑穩定性，而有關列車振動荷載對錨索預應力的實際影響還未見報道。因此，分析列車振動對深大基坑圍護結構中錨索預應力的影響，具有重大理論意義和實際指導意義。以石家莊六線隧道明挖段緊鄰京廣鐵路深大基坑預應力錨索加固體系為工程背景，采用現場監測的方法，分析實際工程環境下，列車振動荷載引起的錨索預應力損失；采用Flac-3D軟件進行數值分析，進一步印證列車振動荷載對錨索預應力的影響。綜合考慮既有線路運行性質和基坑使用周期，提出限速(不超過80 km/h為宜)通過明挖基坑區段，盡早施作隧道主體結構，減小基坑暴露時間的合理化建議。以減小錨索預應力損失，提高基坑加固效果，保證基坑安全與穩定。

深大基坑；列車荷載；錨索預應力；現場監測；數值分析

預應力錨索錨固系統可根據工程的實際地層情況，有效提高地層的強度，從而提高地層承載能力，因此在相關加固工程中得到了廣泛的應用[1，2]。但在長期使用過程中，預應力錨索將受到眾多外界因素的影響，從而導致錨索預應力發生大幅度的變化[3]。一方面，由于巖土體的蠕變、錨具的回彈變形、灌漿材料的徐變以及錨索桿體材料的松弛等原因均會使錨索預應力降低[4]。另一方面，在降雨、強烈的晝夜溫度變化以及沖擊振動荷載等因素的作用下，也會導致錨索預應力呈現出波動性變化[5]，而預應力的波動變化很可能導致桿體材料產生疲勞破壞，從而造成其錨固功能的減弱或失效，進而影響錨固工程的長期穩定性[6]。

針對預應力錨索加固的相關問題，雖然海內外學者已經作了大量的研究工作。但由于預應力錨索錨固機理比較復雜，錨索預應力損失影響因素較多[7，8]，眾多學者研究時不可能將所有因素都考慮進去，研究過程中均作了一些粗糙的假定，但大量的研究成果為分析了解錨索的受力特征起到了積極的作用[9]。目前，有關列車振動荷載對超大超深基坑加固工程中錨索預應力損失影響方面的報道還未檢索到。

1　工程概況

石家莊六線隧道全長4 980 m，除下穿石太直通線段采用暗挖法，過中山路、裕華路及和平路采用蓋挖法外，其余地段均采用明挖法施工。明挖段長度約4 800 m，明挖段基坑(圖1)開挖寬度30～52 m，深度8.5～22 m，西側緊鄰既有京廣鐵路線，最近處距離只有10.2 m，基坑開挖8個月～1年左右施作隧道主體結構。隧道地層條件差，結構基本位于粉質黏土和砂層中，全部為Ⅵ級圍巖，圍巖自穩能力較差。在如此復雜的周邊環境下施工大跨度深基坑，既要保證基坑施工安全，又要保證既有鐵路線的正常運營，難度非常大。因此，現場基坑加固采用鉆孔灌注樁+預應力錨索作為圍護結構，基坑圍護結構安全等級為一級。基坑兩側從上至下分別布置3道錨索，第1、第2及第3道錨索深度分別為6、10 m和14 m。

圖1　基坑施工現場

2　錨索預應力現場測試

2.1測點布置

在DK278+380～DK278+640之間的基坑東西兩側分別選取9個位置，每個位置的第1、第2及第3道錨索處均布置錨索測力計，進行錨索預應力測試，以了解列車振動對錨索預應力的影響，測點布置平面如圖2所示。

2.2測試結果分析

(1)錨索預應力變化規律

基坑施工時，對每個位置處3道錨索預應力均進行了長期監測，并對監測數據進行詳細分析研究。文中僅列出受列車振動影響較大的第1道錨索的預應力變化規律，如圖3、圖4所示。

圖2　測點布置平面

圖3　基坑東側錨索預應力變化曲線

圖4　基坑西側錨索預應力變化曲線

由圖3和圖4可知，無論是靠近既有京廣線的基坑西側，還是遠離既有線的基坑東側，前期錨索預應力均出現增長現象，80 d左右時，預應力達到峰值，而后錨索預應力均呈下降趨勢，預應力損失較為明顯。前期增長主要是由于基坑繼續開挖、施作第2道及第3道錨索等施工因素，以及列車振動使得地層在一定程度上變得相對密實而造成的。

施工結束后，在土體蠕變、列車振動的繼續影響下，錨索預應力呈現波動性的降低趨勢，8個月時，仍沒有達到穩定狀態。這與相關文獻中提到的錨索預應力的變化經歷預應力急速下降、紊亂變化和平穩過渡3個階段[10，11]有所不同，這主要是由于列車振動對錨索預應力的影響。

(2)列車振動對錨索預應力的影響分析

深度相同的東西兩側錨索預應力隨時間變化曲線如圖5、圖6所示，錨索預應力損失值與損失率分別見圖7、表1。

圖5　同深度兩側錨索預應力隨時間變化曲線(第1道)

圖6　同深度兩側錨索預應力隨時間變化曲線(第3道)

圖7　錨索預應力平均損失率隨基坑深度變化規律

錨索位置平均損失值/kN平均損失率/%西一39.7816.82西二13.374.51西三7.622.90東一31.3915.52東二11.693.55東三7.492.99

對現場監測數據的分析可知，在列車振動荷載作用下，對于第1道和第2道錨索，靠近既有線的西側錨索預應力損失比東側同一深度錨索預應力損失大。第1、第2道錨索中，西側各錨索預應力平均損失值分別為39.78 kN、13.37 kN，平均預應力損失率分別為16.82%、4.51%；而東側各錨索預應力平均損失值分別為31.39、11.69 kN，平均預應力損失率分別為15.52%、3.55%。也就是說，第1、第2道錨索中，西側各錨索預應力平均損失比東側分別多8.39、1.68 kN，平均預應力損失率分別高1.30%、0.96%。即第1、2道錨索中，在其他情況基本一致的情況下，由于西側既有京廣線的列車振動而引起的附加預應力損失值分別為8.39 kN和1.68 kN，附加預應力損失率約分別為1.30%、0.96%。

圖7和表1顯示，由于列車振動帶來的附加預應力損失是隨著基坑深度的增加而逐漸減小的。在深度為14 m的第3道錨索位置，錨索預應力沒有受到列車振動荷載的影響。

筆者前期對列車行駛速度對地層振動的影響進行了大量測試，測試結果顯示，列車速度越大，對地層振動的影響深度越大，進而對錨索預應力的影響也會加大。因此，根據既有線路運行性質(貨車、普通列車、動車等)、基坑施工周期等綜合考慮，建議限速通過明挖基坑區段，列車行駛速度以不超過80 km/h為宜。同時，應盡早施作隧道主體結構，恢復路面，縮短基坑暴露時間。

3　錨索預應力動力響應分析

為更好地控制基坑穩定性，確保基坑順利施工和既有鐵路線的正常運營，采用FLAC-3D軟件建立三維數值模型，模擬列車振動荷載對錨索預應力動力響應。

3.1計算模型

(1)模型及參數

為減少模型的單元數量，提高計算速度，考慮到基坑的對稱性，計算模型范圍為：X=85.4 m，Y=36 m，Z=72.75 m，基坑深度H=18.19 m。假定錨索受壓或受拉，Y方向固定，邊界條件采用模型周邊側向約束，計算模型如圖8所示。

圖8　計算模型

計算時采用動力滯后阻尼模型中的四參數S型模型，該模型擬合曲線表示為[12]

(1)

它包含了a，b，x0和y04個參數，參考武漢理工大學張亮亮的試驗結果[13]，參數取值分別為a=0.922，b=-0.481，x0=-0.705，y0=0.082 3。地層及預應力錨索計算參數分別如表2、表3所示。

表2　地層計算參數

表3　預應力錨索計算參數

(2)列車荷載模擬

采用激振力函數模擬列車在不平順軌道上的行駛問題，表達式為[14，15]

(2)

式中，P0，P1，P2，P3分別對應于表4中的控制條件①～③中的某一典型值。假設列車簧下質量為M0，則相應的振動荷載幅值為

(3)

式中，ai為典型矢高；ωi為對應車速下不平順振動波長的圓頻率，其計算式為

(4)

式中，ν為列車的運行速度；Li為典型波長。

表4　軌道幾何不平順管理值

貨車軸重一般為24 t，簧下質量M0=750 kg，單邊靜輪重P0=120 kN，對應的不平順振動波長和相應的矢高為：L1=10 m，a1=3.5 mm；L2=2 m，a2=0.4 mm；L3=0.5 m，a3=0.08 mm。激振力取v=80 km/h時前5 s的情形，為一不規則波形[16]。振動荷載施加在距離開挖面20 m處，振動時程曲線如圖9所示。

圖9　振動荷載時程曲線

3.2計算結果及分析

各道錨索自由段及錨固段錨索預應力隨時間的變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10　第1道錨索自由段應力時程曲線

圖11　第1道錨索錨固段應力時程曲線

計算結果顯示，第1、第2道自由段錨索預應力均是隨時間的增加逐漸減小；第3道錨索自由段的錨索預應力隨時間的增加出現了增大的現象。

各道錨索錨固段預應力隨時間均呈現出先波浪式增加后逐漸減小的趨勢，振動初期出現短期預應力增大現象主要是由于最初地層相對較松散，后期由于振動作用使得地層變得密實而引起的。第3道錨索應力減小很短的時間后又繼續增大，說明錨索埋置深度越大，振動荷載對錨索應力的影響就越小，其應力變化主要是地層逐漸密實造成的。

將數值計算結果與現場監測結果比較發現，錨索預應力的變化規律基本上是一致的，只是施工現場受到的影響因素較多，波動性更強。說明采用滯后阻尼動力四參數模型進行數值模擬分析是可行的。進一步印證了列車振動荷載對錨索預應力的影響；施工現場采用降低行車速度，可以很好地減小錨索預應力的損失，從而有效提高基坑加固效果，確保施工安全。

4　結論

(1)揭示了實際工程環境下，列車振動荷載對錨索預應力損失的影響，尤其對第1道錨索的影響最大，在錨索預應力損失中，其中有1.30%的損失是列車振動引起的；數值計算結果與現場實測規律基本相符，進一步印證了列車振動對錨索預應力損失的影響。

(2)為了避免列車振動對錨索預應力的后期影響，根據既有線路運行性質(貨車、普通列車、動車等)、基坑施工周期等綜合考慮，建議限速通過明挖基坑區段，列車行駛速度以不超過80 km/h為宜。

(3)應盡早施作隧道主體結構，恢復路面，縮短基坑暴露時間。

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Field Monitoring and Numerical Analysis of Anchor Cable Prestress under Train Vibration Load

JIA Xiao-yun1，2，ZHU Yong-quan2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

The vibration may cause the prestress loss of anchor cables in the reinforcement system，which affects the stability of the foundation pit.The actual effect caused by the train vibration load on the prestress of the anchor cables has not been reported.Therefore，the analysis of the influence on prestressed anchor cable caused by train vibration has great theoretical and practical significance.With reference to the practical engineering of the deep foundation pit anchor reinforcement system near the existing Beijing～Guangzhou railway，the prestress loss of anchor cable caused by train vibration load is analyzed by means of field monitoring in the actual engineering environment.Numerical analysis with Flac-3D software is conducted to confirm this conclusion.It is proposed that reducing the train speed below 80 km/h and constructing the main structure of the tunnel as soon as possible can effectively reduce the prestress loss，improve the pit reinforcement effect，and ensure the safety and stability of the foundation pit.

Deep foundation; Train vibration load; Anchor prestress; Field monitoring; Numerical analysis

2016-03-22；

2016-04-08

國家自然科學基金(51478277)；河北省高等學校科學技術研究青年基金項目(QN2014137)

賈曉云(1977—)，女，副教授，博士研究生，2004年畢業于石家莊鐵道大學道路與鐵道工程專業，主要從事地下和隧道工程教學與研究工作，E-mail：15075796@qq.com。

1004-2954(2016)10-0004-05

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.002