列車振動對差異地層盾構隧道縱向不均勻沉降影響試驗研究

魏章超，趙玉成，侯宏韜，楊 何，田紅碩，張振波

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

隨著地鐵運營時間的增長，盾構隧道的長期縱向沉降問題逐漸顯現(xiàn)，城市隧道埋深淺、地質條件復雜、地上建筑物及地下管線密集等特點決定了在長期運營中隧道將可能產生較大的縱向變形[1-6]。

引起隧道縱向變形的因素眾多，對于已建成并投入運營的盾構隧道來說，除了施工對于土體的擾動而產生的主固結變形和次固結變形外，尚有很多因素會影響盾構隧道的不均勻沉降。地鐵列車每天運行時產生的振動對隧道也會產生不利影響，尤其是長期的振動效應。張冬梅等[7]以上海地鐵一號線工程為背景，通過采用FLAC3D有限元軟件建立了土層-隧道-道床的三維模型，利用FISH語言對隧道施加動荷載。寧茂全等[8]結合工程實例，利用有限元軟件模擬分析厚軟土地層盾構隧道在運營期列車荷載作用下沉降響應。朱建峰等[9]通過離心模型試驗，分析研究了軟土地層中長期沉降的發(fā)展規(guī)律以及隧道周邊地基土加固對長期沉降的影響。楊江等[10]通過振動干擾導入，利用環(huán)境模擬方法對系統(tǒng)進行了響應測試，試驗結果表明列車運行時產生的振動干擾在系統(tǒng)監(jiān)測允許誤差范圍內。

本文針對差異土層盾構隧道長期沉降問題，通過上硬下軟地層地鐵列車振動的影響試驗，模擬地鐵列車在行車過程中對盾構管片、周邊土體產生的影響，以得到不均勻地層盾構隧道縱向長期變形的時空效應和破壞機理、準確掌握和評價隧道結構的健康狀態(tài)，具有理論意義和實踐價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

該試驗涉及硬土和軟土、盾構管片襯砌結構，鋼軌以及扣件。本次模型試驗的相似比為1∶25，參考文獻[11,12]，確定試驗相似材料配比情況。管片襯砌結構包括C50混凝土、鋼筋、縱向和環(huán)向接頭。其中，C50混凝土采用石膏混合材料，具體包括水、石膏和硅藻土，其配比為水∶石膏∶硅藻土=1∶1.5∶0.1。硬土采用中粗砂(含土)，軟土選用不同含水率的黏土，如表1所示；鋼軌以及扣件采用拱形鐵塊。

表1 中粗砂(含水率5%)物理力學參數(shù)

1.2 盾構管片制作

相似試驗相似比為1∶25，試驗中管片模型隧道外徑250 mm，管片厚度15 mm，環(huán)寬50 mm。管片模型在內外兩側各布置12根0.4 mm的鐵質材料來模擬實際管片主筋。采用開槽的方式模擬環(huán)向接頭，模型管片中各個環(huán)向接頭位置對應的開槽深度如表2所示。采用J50焊絲模擬管片縱向接頭，該焊絲直徑為3.2 mm，長度為40 mm。管片具體制作過程為稱量材料、立內模+鋼筋網(wǎng)片、立外模、澆筑、拆模、烘干、刷漆防潮保養(yǎng)、鉆縱向螺栓孔、割環(huán)縫、貼應變片、焊接導線、縱向拼裝。

表2 環(huán)向接頭對應槽縫深度

1.3 管片布置

管片模型布置如圖1所示。

圖1 管片布置(單位：mm)

1.4 加載設計

本試驗通過設置激振器，在相應位置激振從而模擬地鐵列車行進過程中由于振動對結構和土體產生的影響。本試驗的相似比為1∶25，根據(jù)相似原理，模型試驗施加的激振力Fs=F(t)/253，F(xiàn)(t)為地鐵列車激振力，其計算方法[13]為；

F(t)=P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+P3sin(ω3t)

(1)

(2)

ωi=2πv/Li

(3)

式中：P0為車輪靜載，取單邊靜輪重為80 kN；P1、P2、P3為典型振動荷載值(kN)；ωi為地鐵列車振動的圓頻率；M0為彈簧下地鐵列車質量，取750 kg；αi和Li分別為典型波長和典型矢高；v為地鐵行駛速度?？紤]到我國目前實際情況，對應3種控制條件下的不平順振動波長和矢高分別?。篴1=3.5 mm，a2=0.4 mm，a3=0.08 mm，L1=10 m，L2=2 m，L3=0.5 m。

地鐵列車長度為132.6 m，按照列車速度，計算得到激振力曲線。按照相似理論計算得到地鐵列車在v=80 km/h速度下試驗最大的激振力為10.99 N，在v=60 km/h速度下試驗最大的激振力為10.66 N，在v=40 km/h速度下試驗最大的激振力為10.35 N。

列車振動荷載采用激振器，共設置1個激振器，振動器安裝在第15環(huán)管片中間位置。激振器下安裝鐵塊，將激振力分散到兩邊，用于模擬地鐵列車行進過程中通過鐵軌以及扣件施加到底板的力，在鐵塊上布置2個動態(tài)力傳感器，用以監(jiān)測激振力，具體見圖2。

圖2 激振器下動態(tài)力傳感器(單位：mm)

1.5 試驗工況

本次試驗模擬采用單點施加的固定頻率的正弦振動荷載，荷載施加在隧道結構底部中央處，待各點處振動幅值穩(wěn)定后，提取各監(jiān)測點的最大值。根據(jù)不同土層情況、隧道埋深以及激振力頻率，本次試驗共設置10組工況，具體見表3。

表3 試驗模擬工況

通過調整圖1中的差異土層區(qū)域的土質，進而模擬盾構管片在縱向不均勻地層的變形情況。

2 試驗過程

(1)制作長度為2 500 mm、寬度為100 mm、厚度為10 mm的鋼板，在板正中位置焊接激振器如圖3所示，激振器下方安裝鐵塊與動態(tài)力傳感器。

圖3 激振器及動態(tài)傳感器 圖4 模型箱

(2)制作模型箱如圖4所示，內表面粘結一層20 mm厚的Duxseal吸振材料，吸振材料表面刷油。

(3)根據(jù)盾構管片拼裝方式確定3個監(jiān)測斷面應變花位置，標記土壓力盒位置，貼應變花，檢查，引線。

(4)拼裝30環(huán)管片如圖5所示，每環(huán)之間安裝J50鐵焊絲。

圖5 30環(huán)錯縫拼裝模型 圖6 應變式土壓力盒

(5)在模型箱內進行填土工作。填土過程按填土的高度大致分為三個階段：將模型土體材料填至隧道模型底部，隧道底部的土層按照軟硬不同分批填筑；模型土填至隧道模型頂部；模型土體填至最終設計高度。每一次填土過程中又要細分為多層填筑，每一層填筑時均需達到預定的壓實度。其具體操作過程為：先將特定質量(由預計達到的填土體積除以密度計算得到)的土體進行松鋪，然后用工字鋼整體夯實，最后用石錘敲擊木板對模型箱邊角處進行壓實，壓實度通過控制夯擊和敲擊次數(shù)保證，以最終達到預計的土層高度為準。

(6)管片放置模型箱，安裝管片上土壓力盒如圖6所示，檢測土壓力盒連接狀態(tài)，引線；此階段與上一階段交叉進行。

(7)安裝激振器，將焊接好的激振器與動態(tài)力監(jiān)測器從管片內部插入，確定好位置后在板端部焊接工字型鋼，固定板端部如圖7所示。

圖7 激振器布置

(8)頂部安裝位移計，檢測儀器連接狀態(tài)，引線；傳感器引線與電腦連接，檢測傳感器是否連接好；預加載，檢查設備以及傳感器是否正常工作。

(9)根據(jù)試驗設置工況情況，施加激振力荷載；每循環(huán)結束后，待隧道結構穩(wěn)定后再進行下次試驗。試驗完畢，保存數(shù)據(jù)，拆除儀器，恢復。

3 試驗結果及分析

3.1 下臥土壓縮模量對拱頂土體沉降的影響

圖8為隧道埋深0.75 m，激振力為10.99 N，振動頻率為60 Hz，差異土層壓縮模量分別取7.42 MPa、3.77 MPa、3.45 MPa和2.77 MPa時監(jiān)測斷面處拱頂沉降數(shù)據(jù)。

圖8 不同壓縮模量隧道拱頂土體沉降

在盾構隧道的埋深、所受到的力不變時，隧道結構拱頂沉降的大小隨著穿越土層的壓縮模量的減小而增大。下臥土為軟硬夾層時隧道拱頂土體沉降為下臥土均為硬土材料時隧道拱頂土體沉降的1.3～1.4倍，因此在隧道穿越軟硬土體夾層時應充分考慮隧道不均勻沉降對管片受力以及行車安全的影響。

3.2 隧道埋深對拱頂土體沉降的影響

試驗差異土層采用含水率50%的軟土，如圖9所示，分別為埋深為0.25 m、0.50 m、0.75 m時監(jiān)測斷面處拱頂沉降數(shù)據(jù)。

圖9 不同埋深隧道拱頂土體沉降

在隧道穿越軟土層的長度、軟弱土層壓縮模量、列車行駛速度、激振力、振動頻率不變的條件下可看出隧道結構拱頂沉降的大小隨著隧道埋深的增大不斷減小。0.50 m埋深隧道拱頂土體沉降相較0.25 m埋深拱頂土體沉降減少6.9%，而0.75 m埋深隧道拱頂土體沉降相較0.50 m埋深拱頂土體沉降減少16.1%。以上測試結果表明，隨著埋深的增加，列車振動對既有隧道的影響越來越小。

3.3 列車運行速度對拱頂土體沉降的影響

圖10為隧道在列車行駛速度為40 km/h、60 km/h以及80 km/h，當下臥土差異土層區(qū)域為含水率50%的軟弱土時，3個監(jiān)測斷面不同位置處的拱頂沉降曲線。

圖10 不同列車速度隧道拱頂土體沉降

在盾構隧道的埋深、下臥土層不變，行車速度不同時隧道結構拱頂沉降的大小隨著列車行駛速度的增加而增大。10環(huán)與15環(huán)周圍土體不均勻沉降現(xiàn)象明顯，需對隧道列車運行的安全性進行檢算，盡量避免土體差異沉降對行車安全性的影響。

3.4 振動頻率對拱頂土體沉降的影響

圖11為隧道在列車行駛速度為80 km/h，當下臥土差異土層區(qū)域為含水率50%的軟弱土時，振動頻率分別為60 Hz、120 Hz、180 Hz，3個監(jiān)測斷面不同位置處的拱頂沉降曲線。

圖11 不同振動頻率隧道拱頂土體沉降

在盾構隧道的埋深、下臥土層不變，行車速度不變，振動頻率不同時，隧道結構拱頂沉降的大小隨著振動頻率的增加而增大。通過表中數(shù)據(jù)可得出，振動頻率越大對激振點周圍土體影響范圍越廣泛。

4 結論

(1)列車行駛速度的增加以及振動頻率的增加均會使得盾構管片縱向不均勻沉降值增大。并且，隨著管片位置距離振源越遠，振動力引起的管片的沉降越小。

(2)當隧道穿越差異地層時，盾構隧道的縱向不均勻沉降明顯增加。穿越軟土層的壓縮模量越小，隧道結構的沉降越大。因此不均勻地層下土體差異沉降明顯，故需進行差異地層邊界處理。

(3)隧道結構拱頂沉降的大小隨著隧道埋深的增大不斷減小，在外部條件不變的情況下，對于地下結構，埋深越大，土體自身抗變形的能力越大，激振力對隧道結構的影響就越小，這是因為土拱效應的影響，其他條件不變，盾構隧道的埋深越大，土拱效應越大，且最大沉降位于軟土地層中間位置。