鐵路隧道基底破壞力學形態的試驗研究

吳泊

摘要：對于鐵路隧道鋪底病害問題，目前在國外已引起足夠的重視，他們不僅局限于隧道病害的整治，更著重強化隧道底部結構的設計。目前我國工務部門在既有鐵路隧道的病害整治方面也取得了一定的成效，積累了一定的經驗。但是要從根本上解決隧道基底的病害問題，還必須從隧道基底結構形式的改進上做更深入的理論研究及試驗測試。

關鍵詞：鐵路隧道；基底破壞；力學形態；試驗

一、試驗概況及試驗測試系統

1.試驗概況。根據試驗目的，試驗模型的設計不考慮隧道襯砌，其影響通過采用具有一定剛度的約束來模擬（試驗中兩端采用鋼板、前后正面為觀察裂紋采用有機玻璃），同時只考慮主要原因列車沖擊荷載的作用。試驗中針對不同鋪底結構形式進行多次重復振動試驗，直至隧道鋪底結構產生裂紋并最終破壞為止，記錄最終的試驗次數，即可選出最優的隧道鋪底結構形式。根據試驗條件和實際需模擬的試驗范圍，取幾何比例系數為2∶1，即Cl=2。試驗模型具體設計尺寸如圖1所示。

2.由于不考慮材料自重的影響，測試結構中的應力只與外加荷載有關，模型試驗材料的選取可不受相似判據的控制，因此模型試驗采用與實體結構完全相同的材料制作。對于隧道基底圍巖，同樣采用混凝土材料進行模擬。模型試驗中考慮了六種不同隧道鋪底結構形式的工況，工況一的隧道鋪底為10cm厚C15素混凝土（模型試驗鋪底結構厚度為實際厚度的1/2，以下同），工況二的隧道鋪底為20cm厚C20素混凝土，工況三的隧道鋪底為20cm厚C25鋼筋混凝土（雙層鋼筋，細筋密布，橫向為受力筋），工況四的隧道鋪底為20cm厚C25少筋混凝土（單層配筋且只有少數構造鋼筋），工況五的隧道鋪底結構為20cm厚鋼筋混凝土（雙層鋼筋），且鋪底與基巖之間加鋪瀝青墊層，工況六的隧道鋪底結構為30cm厚素混凝土，每種工況進行三組試驗。為真實反映現場基底所處的狀態，試驗中采用水箱在鋪底底部基巖中加水進行模擬。

二、試驗測試項目、測試儀器及測點布置

試驗測試內容主要包括隧道鋪底結構在等幅應力下的裂紋出現時間及使用壽命，隧道鋪底結構頂面的壓應力，不同加載次數下鋪底結構頂底面的動、靜應變以及疲勞裂紋的分布和擴展情況等。鋪底結構頂底面的動、靜應變采用膠基絲繞式應變片進行測試，具體鋪底混凝土板底部應變測點布置位置見圖2（圖中尺寸單位為cm）。另外板上部布置一個測點（對應圖2中5號點的位置，點號為7），軌枕底部布置了兩個應變測點，測點布置成應變花的形式，以求出各測點的主應變和主應力。

隧道鋪底結構頂面的壓應力采用單膜鋼弦式壓力盒進行測試，壓力盒量程為1.0MPa。壓力盒布置在鋪底混凝土板上部，具體位置見圖3（圖中尺寸單位為cm）。測試儀器采用JMZX-300振弦檢測儀。鋪底結構的疲勞裂紋則采用放大鏡進行觀察，加載一定次數即觀察一次。試驗中，采用PMS-500型數顯式疲勞試驗機實施加載，試驗機最大加載壓力為500kN，加載頻率為2～8Hz，試驗過程中可調整加載頻率。在進行靜載試驗時為控制加載試驗力的大小，采用SCLY-2型數字測力儀對加載壓力進行精確控制。模型與原型的荷載比關系為CN=4，將作用在軌道上的機車軸重23.0t進行換算，則作用在模型軌道單軸的重量為5750kg。由于鋼軌的作用，機車單軸的重量并不完全作用于單根軌枕上，按較不利工況考慮，可得最大枕上靜壓力約為軸重的0.4倍，實際加載時取該值，即疲勞試驗時的加載壓力振幅為0～2300kg。

三、試驗結果及分析

1.鋪底裂紋擴展情況及分析

各組試驗疲勞裂紋的出現時間及描述見表1，試驗后鋪底板的典型裂紋分布，由試驗結果可知：

在機車軸重靜載的作用下，各種工況下的隧道鋪底混凝土板均未產生裂紋，而在機車振動沖擊荷載的作用下，經過一定的加載次數后，隧道鋪底混凝土板均產生了裂紋，而且隨著加載次數的增加，裂紋不斷擴展加寬，這說明隧道鋪底混凝土板是在列車振動沖擊荷載的循環反復作用下產生疲勞破壞的。

0cm厚雙層配筋鋪底混凝土板（包括鋪底與基巖間加墊層和不加墊層兩種工況）一般在加載100萬次以上才開始出現疲勞裂紋，且裂紋擴展緩慢，其疲勞壽命估計至少在300～400萬次；而20cm素混凝土鋪底結構出現裂紋的時間一般在加載2萬次左右，且裂紋擴展迅速，加載40萬次左右后鋪底即已基本斷裂，可以認為該種隧道鋪底混凝土結構的疲勞壽命為40萬次左右；30cm素混凝土鋪底結構出現裂紋的時間一般在加載10萬次左右，且裂紋擴展也較為迅速，加載80萬次左右后鋪底即已基本斷裂，由此可見鋼筋混凝土鋪底結構的疲勞性能要大大優于素混凝土鋪底結構。

2.從總體分布來說，鋪底混凝土破損及裂紋基本出現在沿線路縱向，兩根鋼軌的正下方附近。這說明隧道鋪底混凝土在機車荷載作用下以出現沿線路縱向的縱裂為主，因此對于鋪底混凝土結構應從橫向予以加強。

四、鐵路隧道病害整治措施

1.修復快速性

現階段，由于鐵路隧道的行車密度較大、天窗時間有限，白天根本無法對使用中的鐵路隧道進行檢查和維修，所以只能將日常維修安排在夜間停運階段進行。若病害整治工作時間過長，勢必會影響列車的正常運營，并且造成巨大經濟損失，因此鐵路隧道基底的病害整治作業必須快速完成，所選用的修補材料應當具有較高的成型性，以避免對列車的正常運營造成不利影響。

2.擾動最小化

鐵路隧道基底線路的幾何尺寸變化必須控制在墊板和扣件允許調整的范圍內，并且在調整時不能對道床進行擾動，當出現調整范圍超出允許值時，必須加以整治。整治方案的制定應當以調整超出的管理值大小為依據，進行分級處理，采取有效整治措施減少對基底結構和軌道結構的擾動，確保其功能正常使用。

3.提高整治的效率

對鐵路隧道排水溝的整治工作，應采取與軌道結構同步整治的方式進行，以提高病害整治效率，減少重復作業造成的資源浪費。

五、結論

總之，鐵路隧道基底病害的整治是一項較為復雜且系統的工程，由于基底病害產生的原因比較復雜，加之各方面的影響因素較多，從而給病害的整體防治工作增大了難度。同時在對病害治理的過程中，還要盡可能不影響正常的列車營運，這就需要采取行之有效地措施，對基底病害進行快速修復。隨著鐵路工程的不斷增多，隧道基底病害也必然會有所增加，為此，應不斷加大對基底病害整治的研究力度，以此來確保列車的安全、高效運營。

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