既有線列車動載對下穿錨固工程的影響試驗研究

周文皎 蔡培堯 顏志雄 魏少偉 饒邦政

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州 510088；4.中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300；5.伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校，美國 伊利諾伊 61820）

下穿錨索工程就是錨索從鐵路、公路的河側穿越道路正下方路基，并錨固在山側穩定地層的錨固工程。目前大量鐵路既有線路堤擋護工程，特別是數量眾多的漿砌片石重力式擋墻、衡重式擋墻出現了各種病害，對其整治多以在路堤擋墻外設置抗滑樁支護為主。相比于抗滑樁，錨索用于路堤擋墻加固，具有施工周期短、擾動小、安全性高等優點［1-3］。目前工程較少采用錨索，除了抗滑樁工藝相對簡單、施工過程直觀便于質量控制外，對于列車動載對下穿錨索預應力損失影響的擔憂也是重要原因。

路基工程、支擋工程在列車動載條件下的動力學響應一直是許多學者、工程技術人員關注的重點，研究成果主要集中于現場測試試驗、室內模型試驗和數值模擬領域。文獻［4-8］針對路基動力響應進行了大量現場測試與分析；文獻［9-10］采用室內模型試驗對路基動力響應進行深入研究；文獻［11-16］相繼研究了車輛-軌道耦合、軌道-路基耦合和車輛-軌道-路基耦合等動力學領域的理論與應用，分別建立了整體系統模型。已有的研究成果主要集中于列車動載對路基的影響，部分研究涉及了列車動載對鄰近錨固結構的影響，均沒有涉及列車動載對下穿錨索錨固性能的研究。

鑒于此，本文以一鐵路衡重式擋墻加固工程為背景，開展現場實測試驗，重點研究列車動載對下穿錨索錨固性能的影響。

1 試驗概況

該路肩擋墻為衡重式漿砌片石擋墻，中間K512+679 處為一箱涵；擋墻最大外露高度（地面線至帽石頂高度，其中帽石高40 cm）為9.5 m，擋墻外側為雜填土、棄渣。擋墻河側為黃泥河，流向與線路走向一致。工點基巖為二疊系深灰色泥質灰巖、灰巖，巖質堅硬，局部泥質填充，節理發育，中風化～微風化。

根據現場調查，K512+507—K512+571 段擋墻病害主要表現為K512+527，K512+552，K512+567 處伸縮縫小里程側擋墻外傾，K512+527 處外傾最大達8 cm；墻面多處開裂，其中K512+552 附近變形開裂較嚴重，裂縫從片石中部貫穿；墻面現多處出水點。

對病害嚴重的K512+507—K512+571 右側路堤擋墻，采用4?15.2 mm 預應力錨索框架結構加固，設計預應力荷載480 kN，鉆孔傾角25°。設2～3 排預應力錨索，錨索排距（垂直線路方向）3.5 m，列距（平行線路方向）2.5 m；最上一排錨索距路肩頂面1.4 m，見圖1。圖中L為錨索設計長度。

圖1 K512+520處典型斷面設計（單位：m）

2 試驗方案

圖2 單錨試驗監測點布置（單位：m）

2）在加固工程范圍內選取一榀3 排3 列的錨索框架梁，即第4，5，6列所在一榀為研究對象，錨索設計長度從上而下分別為28，26，24 m。框架長度7.5 m，高10.0 m，分別布設錨索測力計，實現群錨試驗目的，見圖3。

圖3 群錨試驗監測點布置

考慮動態監測的需要，要求采用高頻記錄和采集設備，本次試驗采用設備為光纖光柵錨索測力計和FBG8600型光纖光柵解調儀。

3 試驗測試過程

根據預應力長期監測試驗結果，在預應力損失基本穩定前提下，組織開展單錨、群錨條件列車動載作用對下穿錨索影響深度和程度的監測試驗。軌道車、客車、貨車通過時進行測試，數據記錄以列車機車頭到達最近單錨點正上方前50 m（約2 s）開始，以車尾離開最后一個單錨點正上方50 m（約2 s）結束。

試驗測試3 輛列車經過試驗區時錨索預應力值，軌道車為上午11：07 空車通過；某快速列車每節車廂平均有旅客5 人，下午16：22 通過；滿載貨車13：21通過。

4 單錨試驗分析

4.1 列車動載下單錨預應力實測時程曲線

圖4 為同一列車通過1#—5#單錨點時錨索預應力實測曲線，圖中穩定值表示實測時錨索預應力值，初始值為安裝完錨索測力計鎖定后測得的初值。

進德修業，自覺將個人價值與社會價值相融合。曾國藩在家訓中曾提到：“吾輩讀書只為兩事，一者進德之事，以圖無忝所生；一者修業之事，以圖自衛其身。”品德修養是一個人籌謀天下，造福蒼生的立命之本。學校高度重視學生骨干自身的品德修養，開展多種形式的專題講座、學生骨干專項培訓、社會實踐活動等，讓德育進課堂、進社團、進班會、進支部、進宿舍，讓學生骨干對其入腦入心，在正確人生觀、價值觀的引領下，自覺把實現自我價值融入到實現社會價值中去，牢記圣人教誨，追隨先賢腳步，以自己的實際行動為實現偉大中國夢而奮斗。

圖4 列車通過單錨點錨索預應力實測曲線

由圖4可知：列車通過時，錨索預應力值均出現偏離穩定值的瞬時波動，波動曲線平衡點位置的預應力值大都大于穩定值，只有2#，5#錨索在客車通過時平衡點預應力值小于穩定值，減小10～15 kN，可能是由于溫度偏差造成一定的誤差。

從波動曲線平衡值偏離穩定值的量來看，并沒有出現1#錨索明顯大于其他錨索的情況，1#錨索在穿越線路中心線正下方時距軌面高差雖只有2.75 m，但受到的影響最大不超過3%。

4.2 列車軸重對下穿錨索預應力影響

圖5 列車軸重對單錨預應力幅值變化影響

通過單錨點時，列車軸重對單錨預應力幅值變化影響見圖5。可知，貨車軸重最大，錨索預應力變化幅值最大，1#—5#錨索預應力變化的幅值分別為7.81，10.19，8.24，8.51，9.79 kN；客車和軌道車軸重接近，兩者大小關系不明確，但錨索預應力變化幅值均明顯小于貨車。

4.3 列車速度對下穿錨索預應力影響

列車速度、軸重等是影響路基振動反應的主要因素，同時也是影響下穿錨索的重要因素。當列車行駛速度發生變化時，作用在路基上振動荷載的動力特性將發生變化，同時也使下穿錨索預應力發生變化。

軌道車分別以30，45，60 km∕h 三種不同的速度經過試驗路段時，錨索預應力變化幅值見圖6。

圖6 不同速度時錨索預應力變化幅值與路基深度關系

由圖6可知：

1）下穿錨索預應力變化幅值隨著列車速度的增加 而 增大，60 km∕h 下預 應力值較30 km∕h 下 增大1 kN，但影響有限。

2）沿路基深度方向，下穿錨索預應力變化幅值幾乎不受列車速度變化影響。根據相關研究，在不同列車行駛速度下路基中動應力衰減趨勢在路基頂面3 m以上趨勢基本一致，衰減值隨著深度的增加而逐漸減小，路基頂面3 m 以下不同行車速度的動應力幅值非常接近。由于1#錨索距軌面2.75 m，距路基頂面約2 m，2#—5#錨索距路基頂面均在3 m 以上，因此，下穿錨索受深度影響的規律性不強，受錨索施工工藝及現場監測設備等因素影響更大。

4.4 列車動載沿線路方向對下穿錨索影響分析

以1#單錨為例，數據記錄以列車機車到達最近單錨點正上方前50 m 開始，以車尾離開最后一個單錨點正上方50 m結束，試驗結果見圖7。

圖7 列車動載沿線路方向對下穿錨索預應力幅值變化

由圖7（a）可知，列車在距離單錨50 m 時，軌道車對單錨預應力變化幅值為0.91 kN，客車對單錨預應力變化幅值為1.16 kN，貨車對單錨預應力變化幅值為1.47 kN，隨著列車距離單錨越近，單錨預應力變化幅值越大。

由圖7（b）可知，列車在離開單錨時，隨著離單錨距離的增大，單錨預應力變化幅值不斷減小；在列車車尾距離單錨50 m 時，軌道車對單錨預應力變化幅值為1.33 kN，客車對單錨預應力變化幅值為1.60 kN，貨車對單錨預應力變化幅值為1.76 kN。

在列車行駛方向，車頭距單錨50 m 時對單錨預應力變化幅值的影響小于在列車車尾離開單錨50 m 時單錨預應力變化幅值。推測與擋墻和錨索的協調關系有關。當列車經過單錨時，列車動載首先通過鋼軌傳給路基，使路基產生附加應力，路基附加應力首先傳遞給擋墻，擋墻自身吸收部分附加應力，剩余部分通過擋墻傳遞給錨索，這個傳遞過程需要一定的時間，因此錨索受力變化可能滯后，峰值也滯后，所以表現出在列車離開時單錨預應力變化幅值較大的現象。列車軸重越大，沿路線方向對單錨預應力變化影響越大，但非常有限。

5 群錨試驗分析

5.1 列車動載下群錨預應力實測時程曲線

圖8 為3 種列車通過群錨試驗點時各錨索預應力變化情況。可知：列車通過時，群錨試驗區每排的錨索預應力值均出現偏離穩定值的瞬時波動，軌道車和貨車波動曲線平衡點位置的預應力值基本大于穩定值，增幅在3～14 kN 之間，約為鎖定值的2.5%以內，只有上排4#錨索在軌道車和貨車通過時平衡點預應力值略小于穩定值。而客車通過群錨時，每排的錨索波動曲線平衡點位置的預應力值大都小于穩定值，這可能與測量誤差有關。客車通過時間為16：22，較貨車和軌道車通過時的正午溫度降低，由于溫度偏差造成一定的誤差。

圖8 列車通過群錨點錨索預應力實測曲線

5.2 列車軸重對下穿群錨錨索預應力影響

在群錨條件下，不同軸重列車動載作用下群錨預應力變化幅值見圖9。

圖9 列車對群錨預應力變化幅值曲線

由圖9可知：①群錨條件下，錨索預應力的變化規律不如單錨明顯，預應力變化幅值基本在4～10 kN，略小于單錨幅值。②列車軸重對群錨的影響不明顯，這與群錨框架結構整體受力的特點有關。

5.3 群錨預應力變化幅值沿線路方向分布特征

在群錨條件下，列車在距離群錨段50 m 處開始監測錨索預應力的變化，統計出列車動載距群錨段50，30，10，0 m 處群錨預應力幅值變化，見圖10。可知：列車在距離群錨50 m 時，群錨上排預應力變化平均幅值為1.103 kN，中排預應力變化平均幅值為0.914 kN；距群錨0 m 時，群錨上排預應力變化平均幅值為7.472 kN，中排預應力變化平均幅值為6.654 kN。隨著列車離群錨距離越近，群錨預應力變化幅值越大。

圖10 到達群錨預應力變化幅值曲線

在群錨條件下，列車離開群錨段50 m 處結束監測錨索預應力的變化，統計出列車動載距群錨段0，10，30，50 m 處群錨預應力幅值變化，見圖11。列車在離開群錨0 m 時，對群錨上排預應力變化平均幅值為8.353 kN，中排預應力變化幅值為8.113 kN，下排錨索預應力變化平均幅值為7.124 kN；列車在離開群錨50 m時，對群錨上排預應力變化平均幅值為1.429 kN，中排預應力變化平均幅值為1.269 kN，下排除5#外其他兩個錨索預應力變化平均幅值為1.124 kN。表明列車離群錨越遠，群錨預應力變化幅值越小。

圖11 離開群錨預應力變化幅值曲線

由上述分析可知，在列車行駛方向車頭距群錨50 m 時對群錨預應力變化平均幅值的影響小于在列車車尾離開群錨50 m 時群錨預應力變化平均幅值，但差值明顯小于單錨條件。

5.4 列車速度對下穿群錨錨索預應力影響

通過實測軌道車以30，45，60 km∕h 三種不同速度經過試驗路段時，群錨預應力變化幅值見圖12。

圖12 速度對群錨預應力變化幅值曲線

由圖12可知：①同一孔錨索預應力變化幅值隨著列車速度的增加有增大的趨勢，但并不明顯，最大變化量小于2 kN。②同一列錨索，沿著路基深度方向，上下排預應力變化幅值與列車速度關系不大。

6 結論

關于單錨和群錨條件下列車動載對下穿錨索的影響深度及程度，試驗結果表明：

1）錨索在穿越線路中心線正下方時距軌面高差2.75 m，受到的影響最大不超過3%。列車軸重、速度等對錨索預應力變化均有影響，但影響很小，可忽略不計。

2）列車動載對下穿錨索影響程度和深度都較小。擋墻行錨索的錨頭與軌面豎向距離大于1.8 m，列車的影響可以忽略。設計中，錨索設置位置不僅考慮這一點，還應考慮避免破壞衡重墻的衡重臺和衡重墻上墻受力過大等情況。

3）根據動載試驗，軌面下1.8 m 深度處列車對豎向土體壓力的影響大于30%，其側向土壓力增大約10%，明顯大于對此深度下穿錨索預應力的影響，究其原因，可能是既有衡重墻起到應力調節的作用，大大減少錨索的直接受力，這也說明用錨索加固既有擋墻，可以形成“錨索+擋墻”聯合支擋效果，比兩者單獨支擋時受力更合理。

4）列車通過時，群錨試驗區錨索預應力值均出現偏離穩定值的瞬時波動，但增幅在3～14 kN 之間，約為鎖定值的2.5%以內，影響較小。

5）列車軸重、速度對群錨預應力的影響程度低于單錨條件，說明“框架+錨索+擋墻”聯合支擋模式相較于單錨條件下“錨索+擋墻”聯合支擋效果更佳。