重載鐵路隧道底部圍巖損傷機理研究

李自強， 王明年， 于 麗， 許智凡

(1. 重慶科技學院 建筑工程學院， 重慶 401331； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

目前，重載鐵路運輸已成為國際公認的鐵路貨運發展方向，在世界范圍內迅速發展[1-2]。重載鐵路因具備列車軸重大、總重大、行車密度和運量特大的特點，普遍認為發展重載運輸可以有效的提高運輸效率、取得良好的經濟效益[3-5]。對于處在富水條件下的重載鐵路隧道，底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布都會受到較大的影響。此外，重載列車長期大軸重的碾壓振動下，底部圍巖較普通鐵路隧道會受到更大的動力作用并具備更劇烈的長期效應而更易出現損傷。通過對在役的重載鐵路隧道病害調研發現，目前重載鐵路隧道的病害是一般鐵路隧道的2.5倍，且主要集中在底部結構，如翻漿冒泥、基底下沉、底部圍巖脫空等[6-7]。表明重載隧道底部結構和圍巖的損傷與重載列車荷載作用密切相關，一旦底部圍巖出現損傷，隨著時間效應的累積會加速基底結構病害的發生，嚴重影響到重載鐵路的運營安全，因此有必要對重載鐵路隧道底部圍巖損傷機理進行深入研究。

目前，關于重載列車荷載作用影響已取得了一定研究成果。肖世偉等[8]研究了重載列車動力作用下路基基床的動力響應，提出了增加15 cm道床厚度可以降低約20%由重載列車產生的動應力；晏偉光[9]利用數值模擬得出重載列車作用下，隧道底部結構的動力響應較其他位置更大，疲勞壽命更短，此外隧道基底存在軟化或缺陷時會大大降低基底結構的使用壽命。冷伍明等[10]通過大型動三軸試驗發現當路基填料含水率增加，其在重載列車作用下動力強度也越低，動力作用越頻繁越容易發生破壞。綜上所述，可以得出重載鐵路隧道底部結構在存在自身缺陷、重載列車作用、地下水豐富的情況下更易破壞，但目前的研究成果大多依靠有限元模擬和室內試驗，且對于底部圍巖在三者相互影響下的損傷機理研究甚少。本文以瓦日線太行山隧道為工程依托，根據底部圍巖表面的接觸壓力和水壓力的現場實測數據，提出二者在重載列車作用下的變化及相互影響規律，結合底部圍巖出現的自身缺陷綜合分析得出重載鐵路隧道底部圍巖的損傷機理。

1 太行山隧道現場長期監測方案

1.1 工程概況

瓦日鐵路是連接我國東西部的重要煤炭資源運輸通道，是我國第一條按照30 t重載鐵路標準建設的鐵路。太行山隧道為瓦日重載鐵路通道中最長的雙洞單線重載鐵路隧道。左線隧道全長18.125 km(DK578+875～DK597+000)，右線隧道全長18.108 km(DYK578+865～DYK596+973)。隧道采用無砟道床結構型式，在進、出口段設置有曲線，其余地段均為直線。該隧道所在地段均為Ⅲ級圍巖，襯砌斷面見圖1。

太行山隧道重載列車實際軸重為30 t，設計速度為120 km/h，實際通車速度為80 km/h。自2014年12月30日通車，截止目前已通車一年以上[11]。

1.2 監測方案

(1) 測點布設

為了測試基底圍巖水壓力和接觸壓力在重載列車荷載長期作用下的分布形式和變化規律，在底部圍巖表面的拱腳、側溝底部、軌道正下方、線路中心對稱布設測點，埋設點見圖2。傳感器埋設斷面所處地質條件為Ⅲ級圍巖，埋深981 m。

在太行山隧道長期監測過程中，圍巖表面土壓計(WT-1～WT-7)量程選用2 MPa，水壓計(WS-1～WS-7)量程選用700 kPa，采集頻率為100 Hz，即采樣時間間隔為0.01 s。

(2) 測試傳感器

鑒于太行山隧道水文地質條件較為復雜，選擇測試傳感器時需要滿足抗干擾性強、長期耐久性、測試數據穩定等要求[12]；因此本次長期監測選用光纖光柵水、土壓力傳感器見圖3。

2 現場長期監測結果分析

因為太行山測點是對稱分布，且接觸壓力和水壓力的長期變化中顯現出來的規律為左側較右側變化更為明顯，因此為了使圖表述清晰，僅列舉基底圍巖單側(左側)測點的長期變化曲線見圖4。

由圖4可知，隧道基底圍巖表面的接觸壓力和水壓力隨時間不斷增加，其中拱底和左側溝底部的接觸壓力長期增長最為明顯，且由前期的平緩增長轉變為后期(180 d以后)的變化幅度較大，表明此時基底圍巖的條件發生了某些改變影響了接觸壓力的長期效應。左軌下方水壓力在重載列車荷載作用下長期增長最為明顯，表明地下水加劇了對該位置圍巖的沖刷作用，為探究這種變化對基底圍巖的影響，因此分階段對基底圍巖的接觸壓力和水壓力進行分析。

2.1 基底圍巖接觸壓力長期變化

將基底圍巖表面接觸壓力值長期變化規律分為四個特征階段(通車前、通車一個月、通車半年和通車一年)，見表1。

由表1可知，在太行山隧道投入使用以前，基底圍巖表面各測點的接觸壓力分布較為均勻，其中左軌下方接觸壓力相對最大為51.419 kPa。其次為右側溝底部為48.901 kPa。對于單線鐵路隧道，理論上基底接觸壓力的橫向分布應該是對稱的，但是由于現場施工方法的影響和地質條件的特殊性，會造成仰拱結構和底部圍巖并非完全密實貼合而使接觸壓力橫向分布有所偏重。

表1 太行山隧道基底圍巖接觸壓力 kPa

通車一個月后，底部圍巖各測點接觸壓力持續增加，左幅的接觸壓力基本大于右幅的；對于橫向分布規律，左軌位置的接觸壓力仍最大為61.445 kPa。表明在接觸壓力較大的位置即仰拱結構與底部圍巖之間可能存在損傷，同時在重載列車大軸重的影響下，這種損傷受到反復碾壓而加劇形成局部脫空。

通車半年后，圍巖表面左側溝底部位置的接觸壓力增長到最大為89.129 kPa。左軌測點相鄰位置(左側溝底部和拱底)的接觸壓力增幅分別為195.9%和100.5%。表明重載列車長時間大軸重碾壓下，底部圍巖軌道測點鄰近位置長期效應也會加劇。

通車一年后，左側溝底部測點的接觸壓力增長最大，由30.118 kPa增加到142.505 kPa；拱底測點由36.410 kPa增長到137.812 kPa。底部圍巖表面各位置的接觸壓力在通車以后長期效應均不相同，具體表現為左幅的底部圍巖表面接觸壓力一年內的增量明顯于右幅，左幅受力高于右幅而極易造成基底結構失穩。

2.2 基底圍巖水壓力長期變化

2.1節顯示了太行山隧道基底圍巖表面的接觸壓力橫向分布并不對稱，為深入研究造成左幅接觸壓力普遍大于右幅的原因，對基底圍巖的土壓力測點對應的水壓力變化進行分析，將對應四個階段(通車前、通車一個月、通車半年和通車一年)的動水壓力見表2。

表2 太行山隧道基底圍巖水壓力 kPa

由表2可知，在太行山隧道運營前，左軌下方動水壓力較大為111.765 kPa，造成該測點水壓力較大的主要原因是由于在施工過程中，基底圍巖在隧道仰拱開挖后存在虛碴，清底不徹底則會使該位置出現較大的空隙，加重了地下積水從而引起了較高的動水壓力。比較通車前底部圍巖接觸壓力發現，左軌下方接觸壓力也相對較大，表明底部圍巖的空隙形成的脫空會增加損傷位置的接觸壓力和水壓力。

通車一個月后，各測點水壓力均增加。其中左軌下方因存在局部脫空而使該位置的水壓力最大，為184.804 kPa。拱底位置水壓力增幅最大為143.2%。

通車半年后，重載列車長期作用下，軌道下方的圍巖損傷加劇，脫空發育，橫向分布上該位置的水壓力最大為239.804 kPa。

通車一年后，左軌測點水壓力由111.765 kPa增加到250.931 kPa，其相鄰測點即左側溝底部和拱底位置的動水壓力也不斷增加，增長幅度最大的為拱底測點，由38.528 kPa增加到132.294 kPa，增長243.4%。左幅圍巖表面動水壓力增量整體大于右幅，造成這種現象的原因主要是由于重載列車的長時間大軸重碾壓，左軌下方地下積水在重載列車荷載作用下對基底圍巖不斷進行沖刷，松散的巖石顆粒被地下水帶走從而使該位置的缺陷逐漸向兩側(相鄰位置)發展，時間越長，基底圍巖越易出現由缺陷引起的局部脫空。

在底部圍巖出現脫空以后，隨著脫空程度的發展，拱底測點水壓力增長幅度最大，這表明隨著基底圍巖空隙的發育和擴展，地下水積累加劇，鑒于水向地勢較低的地方流動，因此對于單線鐵路隧道，這種現象在底部圍巖拱底位置最為明顯。

2.3 基底圍巖接觸壓力與水壓力相互關系

將基底圍巖表面動水壓力和接觸壓力在四個階段(通車前、通車一個月、通車半年和通車一年)下的相互關系見圖5。

對比圖5動水壓力和接觸壓力的關系圖可知：(1) 通車前底部圍巖表面接觸壓力分布較為平均，左右幅基本對稱，左軌位置因施工存在虛碴而出現局部脫空導致該位置的接觸壓力和水壓力較其他測點更大；(2) 通車一個月后底部圍巖左軌損傷位置的動水壓力不斷增加，同時引起相鄰測點動水壓力的增加，這種現象說明：因底部圍巖的損傷而出現的局部脫空在地下水較為豐富的條件下，會加劇其沖刷作用使相鄰測點的圍巖變得不穩定，這種影響反復進行，對底部圍巖較為不利；(3) 在損傷位置高水壓力影響下，基底圍巖的接觸壓力分布變得不均勻，增長率較高水壓力測點會引起相鄰測點接觸壓力的增加，如左軌測點動水壓力長期作用下，左側溝底部和拱底位置的接觸壓力增長較快，單線鐵路隧道左幅接觸壓力整體大于右幅，底部圍巖損傷加劇引起脫空發育，不利于仰拱結構受力，極易發生病害；(4) 根據動水壓力和接觸壓力的長期效應變化規律，可將底部圍巖的損傷簡化為三個階段：貼合密實(貼合較密實)、局部脫空和脫空貫通[13]。

3 數值模擬

第2節主要針對太行山隧道底部圍巖接觸壓力和水壓力的實測數據驗證了底部圍巖脫空的客觀性，同時將單線重載鐵路隧道底部圍巖的損傷簡化為三個階段。本節利用FLAC3D中滲流模塊進行與圍巖-結構應力場的流固耦合分析。

青海省委、省政府積極貫徹落實黨的十八大精神，立足青海獨特的生態地位，適時提出生態文明先行區建設。作為生態文明建設的主力軍，青海省各級水保部門緊緊抓住水利部開展水土保持國策宣傳教育行動的大好機遇，以提高全民水土保持意識、促進生態文明建設為目標，按照水利部的統一部署和廳黨組的統一安排，及時調整宣傳思路，制定宣傳工作計劃，將其納入重要議事日程，列入年度目標管理考核體系，并落實了宣傳責任。由于組織領導到位、工作落實到位、經費保障到位，宣傳工作取得了顯著效果。

3.1 有限元參數

(1) 模型尺寸

模型左右邊界至隧道結構斷面的距離各取3倍洞徑，則模型橫向長度約為46 m；模型上邊界至隧道頂面取15 m；模型下邊界至基底取3倍洞高為24 m；模型的縱向長度取為1個重載列車車輛的定距，則取11 m[14]；由此建立的模型尺寸為46 m×48 m×11 m。隧道埋深980 m，通過等效重力場實現模擬。在仰拱結構與底部圍巖之間設置接觸單元和監測點。建立的有限元模型及監測點具體位置見圖6。

(2) 模型參數

按照TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》[15]，并根據現場原位直剪試驗確定了圍巖各項物理參數，結合太行山隧道設計資料，各結構物理參數見表3。

表3 結構的主要物理力學參數

圍巖和混凝土力學模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，隧道混凝土結構視為不透水結構[16]。兩側和上邊界視作透水邊界，底部邊界視作不透水邊界[17]，初始水頭高度按照通車前隧道底部實測水壓力111.765 kPa進行反算所得的11.18 m且在計算過程中保持水位線不變。

(3) 列車荷載

重載列車荷載按照太行山隧道通車資料按照軸重30 t進行設定，如圖7將其簡化為等效荷載按照速度為80 km/h施加沖擊荷載在道床表面軌道位置[14,18]。

(4) 計算工況

數值模擬底部圍巖損傷機理的工況主要按照上述討論的簡化后的三個階段(貼合密實、局部脫空和脫空貫通)即三種工況見表4、圖8。

表4 底部圍巖損傷計算工況

3.2 貼合密實計算結果

提取底部圍巖不同監測點對應的接觸壓力和水壓力見表5。

由表5可知，貼合密實下底部圍巖接觸壓力橫向分布較為均勻，除拱底測點外，數值模擬和實測數據分析結果較為接近。有限元計算軌道位置的接觸壓力最大為50.028 kPa。實測數據中為左軌位置的接觸壓力最大為51.419 kPa，右幅實測與有限元計算結果相差較大，這是由于在實際情況中，仰拱結構的施工與設計圖紙存在不可避免的差異，同時綜合人員安裝傳感器時存在誤差，同時地質條件絕非完全理想狀態，因此兩者會存在差異。

表5 工況一底部圍巖不同監測點實測與數值模擬計算結果對比 kPa

對于貼合密實下底部圍巖水壓力，有限元計算結果極值為100.891 kPa，實測為111.765 kPa，均出現在線路軌道位置，同時隨著底面高度的增加而逐漸減小。水壓力和接觸壓力的極值位置一致，表明重載列車的荷載作用會增加線路軌道位置水壓力和接觸壓力的量值。

3.3 局部脫空計算結果

在太行山隧道投入運營后，隨著重載列車長時間荷載作用左軌下方和右側溝底部出現相應的脫空，圍巖局部脫空下底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布云圖，見圖10。

提取局部脫空下底部圍巖不同監測點對應的接觸壓力和水壓力見表6。

表6 工況二底部圍巖不同監測點實測與數值模擬計算結果對比 kPa

由表6可知，隨著基底圍巖出現局部脫空，各測點的接觸壓力較工況一明顯增加，其中脫空位置附近接觸壓力增長程度最大。由圖10(a)可知，隨著基底圍巖脫空的產生，相鄰位置的接觸壓力開始集中，脫空一定程度上提升了附近測點的接觸壓力。

對比局部脫空狀態下接觸壓力的實測數據和數值模擬結果可以看出，接觸壓力極大值主要集中在左軌至右軌位置，實測數據中左軌測點接觸壓力最大為84.887 kPa；數值模擬中拱底測點接觸壓力最大為85.022 kPa；兩者量值較為接近，但是實測數據表明接觸壓力集中現象更為明顯，表明水壓力對于底部圍巖測點接觸壓力的影響不可忽視。結合圖10(a)接觸壓力分布云圖，可以提取相應等值線得出左軌下方接觸壓力最接近實測值的位置距離局部脫空邊緣約0.63 m，拱底距離約0.41 m，說明太行山隧道通車半年后左軌位置接觸壓力增大是由于距離左軌測點和拱底測點約0.63、0.41 m的位置出現了基底的不密實接觸。

對比局部脫空狀態下水壓力的實測數據和數值模擬結果可以看出，底部圍巖的脫空會極大的增加相應位置的水壓力，同時使得左右兩側的水壓力分布不均勻。兩者計算結果均為左軌測點水壓力最大，實測為239.804 kPa；數值模擬為187.824 kPa，表明底部圍巖的實際脫空情況比有限元模擬更明顯。

根據實測和數值模擬兩者相比可以得出：對于底部圍巖存在局部脫空情況下，重載列車的荷載作用會引起脫空相鄰位置接觸壓力和水壓力的增大，使接觸壓力和水壓力在脫空較大的位置處集中，引起基底結構左右失穩。

3.4 脫空貫通計算結果

在太行山隧道運營一年后，左軌下方的脫空在時間和重載列車共同作用下不斷發育，同時在地下水不斷的沖刷下，開始影響到其他測點從而形成脫空貫通，圍巖脫空貫通下底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布云圖，見圖11。

提取底部圍巖脫空貫通狀態下不同監測點對應的接觸壓力和水壓力見表7。

由表7可知，當底部圍巖脫空貫通時，各測點的接觸壓力大幅度增加，有限元計算結果顯示脫空部分的左幅接觸壓力整體大于右幅相應測點，最大值仍位于拱底測點為142.410 kPa，其次在左軌下方為133.024 kPa。根據圖11(a)可以看出，隨著脫空發展，其影響范圍也不斷增大，提取接觸壓力等值線后發現左軌下方接觸壓力最接近實測值的位置距離脫空邊緣約0.46 m，拱底位置距離約0.28 m相較于局部脫空時距離縮小，預測實際情況中重載鐵路隧道運營一年后底部脫空空間尺寸約擴大了0.23 m和0.13 m。

表7 工況三底部圍巖不同監測點實測與數值模擬接觸壓力對比 kPa

有限元計算結果顯示底部圍巖脫空貫通后，水壓力在重載列車作用下量值同樣急劇增加，其中左軌位置的水壓力極值最大為224.258 kPa，實測數據為250.931 kPa，兩者極值位置相同。左幅水壓力整體大于右幅。

對比脫空貫通狀態下基底圍巖接觸壓力和水壓力的實測數據和數值模擬結果說明，隨著左幅底部圍巖脫空的發展，其接觸壓力和水壓力集中現象加劇，整體大于右幅。脫空半副的實測和有限元模擬數值大體接近，表明底部圍巖脫空確實存在且會引起相應的應力集中。其中，右拱腳的實測接觸壓力遠小于有限元計算結果，表明在實際中基底結構左幅失穩的現象更加嚴重，左幅水壓力會對底部圍巖接觸壓力形成較大的影響。

4 討論

將太行山隧道底部圍巖損傷過程的有限元模擬和實測數據的比對后，發現底部圍巖表面的地下水會在時間和重載列車綜合作用下會帶走原本松散的巖石顆粒，見圖12。

隨著地下水的這種沖刷作用的進行，基底圍巖會受到影響而出現脫空引起附近位置接觸壓力的增大而導致基底結構存在失穩的可能。實測數據和有限元模擬證明了這一觀點的客觀性，同時預測的脫空發展規律也基本類似。因此可以將底部圍巖損傷機理簡化為三個階段：

第一階段(貼合密實見圖13)：在該階段為隧道修筑完畢后，正式通車以前，隧道仰拱結構和底部圍巖貼合較為密實，因施工或地質條件等因素存在部分虛碴而出現部分空隙。此時接觸壓力的分布較為均勻，水壓力在空隙位置較大。

第二階段(底部圍巖局部脫空見圖14)：在該階段，隨著時間推移，空隙位置的地下水在重載列車荷載作用下不斷沖刷底部圍巖從而形成一定程度的脫空并隨時間發育，底部圍巖條件開始改變；此外，鑒于重載列車軸重較大的特點，在軌道下方極易形成新的脫空，相鄰位置的水壓力和接觸壓力均受到脫空影響而量值變大。

第三階段(脫空貫通階段見圖15)：在該階段，仰拱結構和底部圍巖的不完全接觸持續發展，同時底部圍巖脫空出現貫通，極大的影響了底部圍巖接觸壓力的分布，使隧道基底結構接觸壓力分布不平衡而極易形成相應的病害。

5 結論

(1) 根據瓦日重載線路中太行山隧道底部圍巖長期一年多的接觸壓力和水壓力實測數據，研究發現：在重載列車長期大軸重碾壓條件下，底部圍巖表面的接觸壓力和水壓力不斷增加；同時左幅兩項物理量的增量均明顯于右幅。

(2) 根據底部圍巖表面接觸壓力和水壓力左右幅長期效應存在差異的現象，利用FLAC3D流固耦合模擬了底部圍巖接觸壓力和水壓力在重載列車作用下的相互影響，驗證了底部圍巖在施工完畢后難以避免會出現損傷的客觀性。此外，證實了底部圍巖在重載列車作用下除原有的局部還會形成新的脫空引起相應位置地下水累積，最后形成較高的動水壓力使相鄰位置的接觸壓力和水壓力長期效應加劇。

(3) 將底部圍巖損傷的發展過程簡化為三個階段：①貼合密實階段：隧道在修筑完畢后，因為施工方式局限性或地質條件的變化使得底部圍巖存在局部缺陷，對結構影響較小。②局部脫空階段：底部圍巖原有的損傷程度加劇，軌道下方極易形成新的損傷。③脫空貫通階段：底部圍巖損傷持續增加，脫空貫通影響基底結構穩定性。

(4) 揭示了重載鐵路隧道底部圍巖的損傷機理，解釋了底部圍巖在泵吸作用下圍巖漸進劣化的過程：底部圍巖在隧道施工完畢后存在缺陷-地下水累積形成高水壓力-重載列車大軸重、大運量條件下使地下水不斷沖刷脫空處圍巖-圍巖顆粒隨地下水流失-脫空發育貫通引起圍巖損傷加劇。

(5) 底部圍巖空隙水壓力的大小和沖刷作用的強弱取決于重載列車的軸重大小，在大軸重影響下泵吸作用尤為明顯，仰拱結構也極易出現細小裂縫，也為地下水滲入基底結構造成基底翻漿冒泥提供了條件。因此重載列車長時間的大軸重碾壓是底部圍巖損害的主要原因。