重載鐵路隧道基底結構長期動力特性試驗研究

吳秋軍， 李自強， 于 麗， 華 陽， 王明年

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

重載鐵路隧道基底結構長期動力特性試驗研究

吳秋軍1，2， 李自強1，2， 于 麗1，2， 華 陽1，2， 王明年1，2

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

針對重載鐵路隧道基底結構受列車荷載作用更大的特點，根據付營子隧道現場大型激振試驗實現了27 t軸重的重載列車動力加載和長期荷載作用，與遠程實測動力數據進行比對驗證了試驗的客觀準確性。討論了雙線重載鐵路隧道基底結構在大軸重、高密度的運輸環境下由上至下的道床、仰拱填充、仰拱結構和圍巖表面的接觸壓力動力響應和長期變化。研究表明，激振試驗能夠很好的模擬27 t軸重作用下雙線重載鐵路隧道基底結構的動力特性，具體表現為各結構表面重載線路軌道下方相應位置的動力響應和長期效應最為明顯，且由上至下隨豎向深度逐漸減弱。各位置的動壓力長期效應受該位置的列車動荷載附加值影響，動力響應越大，長期效應越明顯。試驗結果可為雙線重載鐵路隧道基底結構的穩定性評價和設計參數提供理論基礎。

重載鐵路隧道；基底結構；激振試驗；動力響應；長期效應

重載鐵路因其軸重大、總重大、行車密度和運量特大的特點，國內外普遍認為發展重載運輸可以提高運輸效率，帶來良好的經濟效益[1～2]。目前，重載運輸已成為各國主要發展方向，在世界范圍內迅速發展[3～4]。隧道結構通常視為超靜定結構，因此在運營過程中環境條件的改變和列車荷載的長期作用均會使隧道結構內力出現累積，影響其長期穩定性。鑒于重載鐵路的特點，重載鐵路隧道較一般鐵路隧道基底結構會受到更大的列車荷載，相應的長期動力特性也更為明顯，因此對重載鐵路隧道基底結構強度和承載力均有更高的要求[5]。目前，我國重載鐵路隧道的相關規范尚未正式實施，其相關設計參數主要是參照普通鐵路隧道的經驗取值，研究重載鐵路隧道基底結構在列車荷載作用下的動力響應和長期效應具有重要意義。

大軸重列車動載作用下隧道基底結構的長期穩定性直接影響到重載線路運營的耐久性和安全性，因此，在沒有先例的情況下，最直接有效的辦法就是進行現場大型激振試驗模擬重載列車荷載作用，對基底結構的動力響應和長期效應進行預測和研究[6]。近年來，許多學者基于激振試驗開展了諸多研究。薛富春等[7]在鄭西客運專線黃土隧道模擬高速列車荷載作用對隧底的影響，研究了隧底加速度和動壓力的變化規律；蘇謙等[8]對剛性地基進行了模擬動態測試，分析研究了其長期動力穩定性；王亮亮等[9]在云桂鐵路進行膨脹土路塹全封閉基床激振試驗，得到基床動應力、加速度和速度與激振頻率的關系；楊果林等[10]利用室內激振試驗，研究了膨脹土路塹基床在不同服役條件下的動力性能和防水效果。以上研究多集中于路基，對隧底結構的研究又因測點較少或限于自身條件，研究并不全面。文章基于已取得的研究成果基礎上，以付營子隧道為工程依托，在IV圍巖條件下隧道試驗斷面的道床結構表面進行大型激振試驗，結合通車后的實際數據進行驗證分析，并對雙線重載鐵路隧道基底結構長期動力性能進行研究。研究成果可為雙線重載鐵路隧道設計和類似工程提供參考。

1 工程概況

張唐線路是我國已建成的第三條能源大通道，以貨運為主。付營子隧道為其中最長的隧道之一，起訖里程為DK291+037～DK301+060，隧道長10 023 m，最大埋深約502.6 m。付營子隧道為雙線重載鐵路隧道，采用單洞雙線的斷面型式，左線為貨運重載線路，右線為客運線路。其IV圍巖設計襯砌斷面圖如圖1所示。

圖1 IV級圍巖設計襯砌斷面圖Fig.1 Design lining sectional drawing of Class IV surrounding rock

付營子隧道激振試驗選在DK294+100IV級圍巖監測斷面，距離隧道進口3 063 m，埋深為378 m。根據TSP地質超前預報結合《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)[11]，IV級圍巖及相關結構參數如表1所示。

表1 付營子隧道K294+100斷面結構參數

2 激振試驗設計

2.1 試驗目的

鑒于隧道具備超靜定結構的特征，重載鐵路隧道運營過程中，基底結構受到重載列車的長期反復碾壓作用各結構層表面會出現不同程度的動壓力累積，因此道床、仰拱填充、仰拱結構和底部圍巖表面的動力荷載會隨著重載列車過車次數的增加而不斷增大。進一步說，基底結構層的表面動壓力變化規律會影響到各結構的內力分布及動力累積從而影響到底部結構的長期穩定性。

基于本文針對重載鐵路隧道基底結構長期動力特性的研究目的，通過大型現場激振試驗模擬重載列車的荷載作用能夠有效的確定基底各結構層表面的動力荷載，激振次數等效為列車通車量能夠研究并分析基底各結構層表面的動壓力累積規律，為計算基底結構內力長期效應及基底結構長期穩定性的研究提供基礎。

2.2 傳感器布設

重載列車對隧道基底結構的荷載作用主要表現為由上至下各結構表面上的接觸壓力動力增量和引起的長期效應，因此本試驗主要分析接觸壓力。為滿足動態采集和長期遠程傳輸要求，傳感器選用光纖光柵土壓力計[12]。

在付營子隧道開挖和施工過程中，在基底結構中軌枕下方、仰拱填充表面、仰拱結構表面及底部圍巖表面不同位置埋設了共22個土壓力計，如圖2所示。

圖2 基底結構傳感器布設示意圖Fig.2 Schematic diagram of the basal structure of the sensor layout

2.3 動力試驗及加載方式

現場試驗選用西南交通大學DTS-1型現場動力試驗系統。通過不同的偏心塊組合型式，配合相應的頻率滿足荷載要求的激振力，以實現不同軸重的列車荷載模擬。試驗位置選在監測斷面左線重載線路道床結構表面，模擬分析27 t軸重作用下基底結構的動力響應及長期效應，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 重載鐵路隧道現場激振試驗Fig.3 Field excitation test of heavy haul railway tunnel

列車荷載是單向脈沖應力波[13]，重載列車運營時激振頻率與多種因素相關。其中對于隧道基底結構主要受到車距和轉向架的影響[14]。重載列車產生的激振頻率由式(1)計算：

(1)

式中：f為激振頻率，Hz；v為行車速度，km/h；s為列車軸距，m。

激振試驗采用的循環加載激振力為正弦波形，其動荷載峰值按照式(2)計算：

P1=P2×(1+0.004v)

(2)

式中：P1為試驗要求的動輪載峰值，t；P2為設備自重與配重塊質量產生的實際軸重，t；v為行車速度，km/h。2P2-P1為保證輪軌之間在振動過程中不發生脫離所取的最小值即要求P3=2P2-P1>0。激振力為P1-P2，t。

根據付營子隧道設計資料，實際通車為軸重27 t，時速80 km/h的重載列車，根據式(1)和(2)結合激振設備自身頻率特性，試驗參數如表2所示。

表2 付營子隧道K294+100IV級圍巖斷面試驗參數

根據2005年國際重載協會理事會上對重載鐵路的定義，其中一條明確規定：單線年運量不小于4 000萬t[15]。激振試驗每施加一次荷載就等于通過一對重載列車輪載，因此模擬運量可以根據式(3)確定激振試驗的加載次數

N=W/R

(3)

式中：N為激振累計次數，次；W為通過年運量，t；R為設計試驗的軸重，t。

目前我國的重載鐵路年運量逐年增加，大秦鐵路的年運量已大大高于4 000萬t[16]。因此將累積加載次數定為200萬次模擬一年運量5 400萬t條件下雙線重載鐵路隧道基底結構受到的影響。

3 基底結構動力響應

2015年6月20日付營子隧道K294+100IV級圍巖斷面完成激振試驗，歷時63個小時。提取分析基底結構初始狀態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動力增量，即為激振試驗條件下基底結構在27 t軸重列車作用下引起的荷載附加值。

激振試驗完畢后，付營子隧道于2015年12月30日正式通車，實際通車參數為軸重27 t，時速80 km/h。通過遠程采集軟件對付營子隧道K294+100監測斷面進行實時監控，記錄并分析了IV圍巖條件下實際過車對雙線鐵路隧道基底結構的動力影響，以其中一次過車數據為例，與同等參數下的激振試驗結果進行對比分析，具體如下。

3.1 道床動壓力

因篇幅限制，僅列出激振試驗和實際通車條件下，左線重載線路側道床結構上表面(軌枕下方)軌道下方測點DT-2的動壓力典型時程曲線如圖4所示。

圖4 道床上表面左線軌道測點動壓力典型時程對比圖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重載列車作用下的基底結構動壓力實測值與試驗值對比后發現，激振試驗的動壓力平均值略高于實測平均值，但試驗動壓力的幅值即波峰波谷差值較實測更小說明基底結構在實際過車時動力響應更為劇烈。這是因為兩者的作用位置和作用方式存在差異：激振試驗是直接作用在道床結構軌枕表面，利用正弦波近似模擬列車荷載；而在實際過車中，列車直接作用在鋼軌表面，動荷載受到軌道平順值等諸多因素的影響[17]。這使得試驗結果和實測所得的列車引起的動壓力時程曲線有所不同，但兩者在量值上較為接近，將道床結構上、下表面各測點的動壓力列入表3。

表3 27 t軸重下道床各測點動壓力峰值對比表

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

對表3和圖5中實測值和試驗結果對比分析可得道床上表面因受到荷載直接作用動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軸重下道床結構動壓力對比圖Fig.5 The comparison diagram of dynamic pressure peak of track ballast measuring points under 27 t axle load

對于道床結構上表面而言：客運線軌道相應位置的土壓力傳感器在通車后損壞，比較時不列入考慮范圍。實測和試驗均顯示道床上表面軌道測點因受到重載列車荷載直接作用而動壓力量值最大，激振試驗為124.600 kPa，實測為125.200 kPa，相差0.600 kPa，兩者吻合度較好。

對于道床下表面即仰拱填充上表面：試驗和實測所得動壓力橫向分布規律相同，均為重載線路中心位置受到應力疊加作用而使得該位置明顯高于其它位置。激振試驗結果顯示該位置動壓力極值為62.000 kPa，與實測結果60.200 kPa相差1.800 kPa。

3.2 仰拱動壓力

將仰拱結構表面動壓力激振試驗結果與實測數據列入表4，分布規律如圖6所示。

表4 27 t軸重下仰拱表面各測點動壓力峰值對比圖

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

圖6 27 t軸重下仰拱表面動壓力對比圖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，激振試驗和實測數據所得仰拱表面的動壓力橫向分布規律基本相同，均表現為仰拱表面重載線路側受到的列車荷載作用遠大于客車線；其中重載線路軌道豎向位置上動壓力極值最大，隨著與軌道位置距離的增加，相應動壓力極值也不斷減少，該位置動壓力極值激振試驗結果為30.485 kPa，實測為31.568 kPa，相差僅為1.083 kPa。客運線路軌道豎向位置動壓力極值相對最小，均為6 kPa左右。

對比激振試驗和實測數據可知，仰拱表面重載線路各測點的動壓力極值相差不大，激振試驗能夠有效的模擬仰拱結構表面所受的列車荷載作用。此外，重載列車會加劇對應豎向位置上仰拱表面的動力作用，使動壓力集中在荷載位置下方而使左右分布不對稱，長期受到重載列車荷載的循環反復作用，容易造成結構受力失穩，影響仰拱結構安全。

3.3 圍巖動壓力

將圍巖表面動壓力激振試驗結果與遠程數據列入表5，分布規律如圖7所示。

表5 27 t軸重下圍巖表面各測點動壓力峰值對比圖

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

圖7 27 t 軸重下圍巖表面動壓力對比圖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，激振試驗和實測所得圍巖表面動壓力橫向分布規律基本一致，同樣表現為重載線路軌道豎向位置上動壓力極值最大并遠大于其它測點，隨著與軌道位置橫向距離的增加，相應動壓力極值也不斷減少。軌道下方和拱底(隧道中心)豎向位置動壓力極值試驗和實測結構相差相對較大，差值分別為4.589 kPa和3.753 kPa，其它測點相差均在1 kPa以內。

對比激振試驗和實測數據可知，隨著豎向深度的增加，激振試驗結果與實測數據吻合度逐漸減弱。具體表現為列車荷載傳遞到圍巖表面時，實測的動壓力大于試驗模擬，這種現象在軌道下方和拱底位置尤為明顯。

3.4 動壓力豎向傳播規律

由試驗和實測可知基底結構相同豎向位置測點上的動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測線上動壓力極值的豎向傳遞規律為例，見圖8。

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

根據雙線鐵路隧道激振試驗與實測數據結果可見兩者動壓力豎向傳遞規律基本一致。具體表現為列車荷載在道床結構中衰減程度最大，由仰拱表面傳遞到圍巖表面時衰減程度相對最小。

綜合上述對比分析發現，雙線重載鐵路隧道27 t軸重下雖然激振試驗結果和實測數據吻合度由上至下逐漸變差，但兩者差值很小且各結構面橫向分布和荷載豎向傳遞規律基本相同，說明激振試驗能夠有效的模擬重載鐵路隧道基底結構在列車荷載作用下的動力特性。

4 基底結構長期效應

上一節分析了27 t軸重下雙線重載鐵路隧道基底結構的動力特性并驗證了激振試驗結果的客觀準確性。下面將對基底結構在200萬次激振作用下的長期效應進行分析，為了更直觀，將試驗數據以每16.7萬次對應模擬時間“月”作為單位進行處理。

4.1 道床表面

動壓力直接顯示出列車荷載對基底結構的動力作用，對不同模擬時間下基底結構動壓力的變化進行統計分析，分析基底結構的長期穩定性。將道床表面各測點動壓力在激振試驗作用下的長期變化，如圖9所示。

圖9 道床表面動壓力長期效應Fig.9 The long-term effect of ballast surface

由圖9可知，隨著模擬時間(加載次數)的增加，道床表面各測點動壓力不斷增加，在4個月后出現明顯增加。對比重載和客運線路：左幅重載線路動壓力的增長幅度明顯大于右幅客運線路；其中重載線軌道下方動壓力長期效應最為明顯，在時間8～9個月時趨于穩定，最終增量達到了49.600 kPa。客運線路動壓力變化較為平緩，最大增量為4.828 kPa，僅為重載線路長期增量的1/10。

4.2 仰拱填充表面

將仰拱填充表面各測點動壓力在激振試驗作用下的長期變化，如圖10所示。

由圖10可知，仰拱填充表面各測點隨著模擬時間(加載次數)的增加動壓力不斷增加，同樣在4個月后出現較大幅度的增長。相比右幅客運線路，左幅重載線路動壓力的增長幅度更大；其中重載線路中心的動壓力長期效應最為明顯，在時間9～10個月時趨于穩定，最大增量達到了22.955 kPa。客運線路的動壓力長期效應則相對較弱，最大增量為4.286 kPa，約為重載線路側長期增量的1/5。

圖10 仰拱填充表面動壓力長期效應Fig.10 The long-term effect of invert filling surface

4.3 仰拱表面

將仰拱表面各測點動壓力在激振試驗作用下的長期變化，如圖11所示。

圖11 仰拱填充表面動壓力長期效應Fig.11 The long-term effect of invert surface

由圖11可知，仰拱表面各測點隨著模擬時間(加載次數)的增加動壓力不斷增加，但整體量值不大，表明深度增加會使列車荷載作用的長期效應減弱。在3個月后仰拱表面測點的動壓力出現一定幅度的增長。左幅重載線路側動壓力的長期效應仍較右幅客運明顯；其中重載線路軌道豎向位置上的動壓力長期效應相對明顯，在時間5～6個月時趨于穩定，最大增量達到了3.904 kPa。客運線路的動壓力長期效應則相對較弱，最大增量為1.215 kPa，約為重載線路側長期增量的1/3。

4.4 圍巖表面

將圍巖表面各測點動壓力在激振試驗作用下的長期變化，如圖12所示。

圖12 圍巖表面動壓力長期效應Fig.12 The long-term effect of surrounding rock surface

由圖12可知，圍巖表面各測點隨著模擬時間(加載次數)的增加動壓力不斷增加，但整體量值較小，表明當列車荷載傳遞到圍巖表面時引起的動壓力長期效應已經很弱。在6個月后圍巖表面測點的動壓力增長趨勢出現小幅度爬升，但量值很小。其中重載線路軌道豎向位置上的動壓力長期效應仍相對明顯，最大增量為2.302 kPa。客運線路的動壓力長期變化不大，最大增量僅為1.375 kPa，約為重載線路側長期增量的1/2。

4.5 長期效應綜合分析

將重載線路中心、重載線路軌道和客運線路軌道三條特征監測線上動壓力的長期效應列入表6進行綜合比較。

表6 各結構面動壓力長期效應

由表6可知，各結構面的動壓力長期增量變化規律與動力響應規律相符，列車動荷載作用集中的位置動壓力長期效應更為明顯且增量更大，具體表面為重載線路軌道位置的動壓力增量明顯大于監測線。客運線路因沒有直接受到重載列車荷載作用長期效應最弱，其穩定時間不計入比較范圍。

對于同一豎向位置，不同深度的結構表面測點，動壓力長期增量由上至下逐漸變小。同時穩定時間也隨深度增加而減少表明列車荷載的累積作用主要集中在道床結構最長達到9個月，在仰拱填充的緩沖作用下，仰拱和圍巖表面的動壓力長期效應已經明顯衰減。對比三條特征監測線的長期效應可以看出，27 t 軸重列車作用的確會在很大程度上增加重載線路側的荷載累積，影響基底結構穩定性。在重載鐵路隧道實際運營過程中基底結構主要受到周圍環境變化和重載列車長期作用的綜合影響，因此基底各結構層表面的動壓力長期效應會更加明顯；現場激振試驗的加載次數為200萬次，將重載鐵路隧道5 400萬t的模擬年運量縮短到63個小時內完成，大大加快了研究進度，同時避開了周圍環境長期變化對基底結構受力的影響，因此試驗得到的基底結構長期受力特征弱于隧道實際服役過程，但對單獨考慮重載列車長期荷載作用影響下的基底結構動壓力分布規律研究更為準確，激振試驗結果在一定程度上可為雙線重載鐵路隧道的疲勞設計提供參考。

5 結 論

開展針對IV級圍巖條件下雙線重載鐵路隧道的現場大型激振試驗，模擬了27 t軸重列車作用下基底結構的動力響應和長期效應，與實際通車數據進行比對，并得出如下結論：

(1)試驗結果與實際通車后的隧道基底結構動力響應規律基本一致，表明激振試驗可以有效的模擬重載列車作用下基底結構的動力特性并對其長期效應進行仿真模擬，為雙線重載鐵路隧道基底結構設計提供參考和依據。

(2)在雙線重載鐵路隧道中，動壓力橫向分布規律顯示重載列車作用會明顯增加基底結構重載線路側各部位的動力響應。其中軌道下方的動壓力響應最為劇烈，相應豎向位置上的結構表面會受到更大的列車動荷載附加值。

(3)基底結構同一豎向位置上，列車荷載的動力隨深度由上至下逐漸減弱。其中列車荷載在基底結構中傳遞分為兩個階段：道床結構急速衰減階段和仰拱結構緩慢衰減階段。

(4)循環荷載作用下，基底結構各測點動壓力長期效應與該位置動壓力量值相關。道床表面重載線路軌道測點的動壓力長期增量明顯高于其它測點，穩定時間也長于其它位置。同時，基底結構重載線路側在重載列車長時間大軸重碾壓下會對其穩定性產生影響。

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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

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題合同(2014G005-A)；西南交通大學博士研究生創新基金；國家自然科學基金面上項目(51578458)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(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 男， 博士生， 工程師， 1987年生

U213.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.021