高鐵隧道穿越巨型溶洞超厚回填體沉降模型試驗研究

王 軍，李 鑫，郭畢鈞，丁光亞，劉同江，孫亞飛，于明洋

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；2.中鐵十四局集團有限公司 博士后工作站，山東 濟南 250101；3.山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南 250101；4.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035；5.中鐵十四局集團建筑工程有限公司 黔張常項目部，山東 濟南 250101）

隨著高鐵建設規模的不斷擴大，穿越巖溶區的高鐵隧道工程逐漸增加，越來越多的大（巨）型溶洞被揭露。隧道穿越大（巨）型溶洞時，采用回填處置方案，具有施工簡單、成本經濟的優勢；但當隧道高位穿越大（巨）型溶洞時，隧道下部空腔大，回填處置將產生超厚回填體，回填體沉降周期長，隧道運營后列車動荷載也容易造成擾動附加沉降，擾動沉降機理復雜，沉降控制困難［1-4］。

高鐵路基回填體沉降問題備受國內外學者關注。王威等［5］建立了基于Burgers 模型預測鐵路路基長期沉降變形的方程，反映出在填料堆載及列車荷載作用下，路基土沉降量隨時間的變化呈先快后慢，最終趨于穩定的增長規律。王敏等［6］將靜載作用沉降與實測運營沉降的差值作為動載作用下的沉降測試值，分析了路基由動載引起的沉降特性。CHEN 等［7］在考慮時間效應的UH 模型基礎上，利用有限元簡化模型進行計算分析，結果表明隨著時間推移，高鐵路基蠕變沉降增長率越來越慢，蠕變沉降曲線呈逐漸變平的趨勢。SHAER等［8］建立了有砟軌道模型，設計了幾何相似比1∶3 的M 波加載模型試驗，得出了軌枕振動加速度與路基沉降量的相關函數。ISHIKAWA 等［9］開展了幾何相似比為1∶5 的有砟軌道縮尺模型，發現移動加載條件下路基道床沉降量遠大于單點加載條件下的沉降量。趙瑩等［10］通過室內足尺模型試驗，分析了振動40 萬次的基床累積變形規律，表明鐵路路基的累積變形隨循環加載次數增加而變大。徐進［11］建立了1∶1 軌道-路基動力學模型試驗系統，可模擬不同車型、不同車速的列車對高鐵路基動力響應及累積變形的影響。邊學成等［12］建立了1∶1比例尺的板式無砟軌道路基試驗模型，基于該模型可研究多種條件下的路基長期變形演化規律、振動傳遞及衰減規律等。楊兵明等［13］通過土的動三軸試驗研究，發現地鐵列車循環荷載的大小及頻率對淤泥質軟黏土地區隧道下臥土層的長期沉降有較明顯的影響。宗軍良［14］等通過滬寧線提速路基的現場動態試驗發現：隨道床厚度的增加，路基豎向動應力顯著減小。以上研究為本文試驗提供了良好的指導借鑒。

目前有關高鐵路基回填體運營期長期動力沉降的研究多是針對軟土且多采用半經驗公式的算法，雖有少數人進行了模型試驗研究，但多未分析振動影響。對于涉及超厚回填體長期動力沉降的相關研究，尤其是在巨型溶洞內通過回填處置形成的接近百米厚回填體，在列車動荷載影響下的擾動沉降研究還比較少，列車動荷載作用下超厚回填體的擾動沉降能否滿足運營期要求還有待論證。

本文依托渝廈高鐵黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞處置工程，按照幾何相似比1∶5 設計了基于時序加載方式的列車動荷載作用下超厚回填體沉降相似模型試驗，分析在運營期列車動荷載作用下超厚回填體的沉降發展規律，詳細分析了不同厚度鋼筋混凝土路基板的隔振作用、回填體擾動沉降和動土壓力等，可為類似鐵路隧道高位穿越大（巨）型溶洞的回填處置提供借鑒和指導。

1 工程概況

1.1 巨型溶洞概況

高山隧道為渝廈高鐵黔常段全線6 座Ⅰ級風險隧道之一，位于湖北咸豐—來鳳區間，全長3 958.2 m，洞身穿越地層主要為寒武系和奧陶系灰巖。2016年8月13日14時，巨型溶洞在平導掌子面DIK53+678 處被揭露。巨型溶洞揭露后，施工單位先后采用了無人機探測、三維激光掃描與色譜分析、爆破振動測試、裂縫發展監控、大深度鉆探、高精度物探等綜合勘查方法，開展了溶洞穩定性評價，評價表明溶洞處于不穩定狀態。

高山隧道高位穿越巨型溶洞，直接穿越段長度71 m，溶洞影響段長度145 m；軌面以下為空腔，空腔高度36～57 m，拱頂緊貼溶洞頂板，部分侵限，軌面下施工難以開展，破頂容易誘發連續垮塌。溶洞形態復雜，由主通道、廳堂狀廊道和2 個伴生支洞共3 部分組成，如圖1所示。溶洞總體量超過200 萬m3，廳堂狀廊道體量約60 萬m3，國內外罕見。巨型溶洞側壁及頂板有危石分布，主要包括發育為疊坐式、懸掛式和貼壁式的3類危巖，其中貼壁式危巖極易掉落，有統計落石近200 次，溶洞極不穩定；溶洞底部大塊石堆積，原始堆積體厚度50～65 m，底部處置施工難度大。這些工程風險極大地增加了溶洞處置難度。

圖1 巨型溶洞平面示意圖

1.2 巨型溶洞綜合處置概況

根據巨型溶洞特征，制定了線路繞避、回填和橋跨3 類別共12 種處置方案，經過多參數層次分析法、精細化數值模擬和經濟技術對比綜合分析后，優選了“洞砟回填+上部注漿”的巨型溶洞處置方案［15］，方案設計如圖2所示。

圖2 巨型溶洞回填處置方案示意圖

詳細施工步驟為：首先設置1 條施工支洞（如圖1所示），連接平導（758 m高程）至溶洞底部最高處（730 m 高程）；回填前，破解溶洞底部大塊石并埋設排水管路；對溶腔730 m 高程以下進行洞砟回填，完成后先在填料上方施作1 層50 cm 厚水泥砂漿止漿層，再由平導口及主洞洞口向洞內拋填洞砟并分層攤平碾壓，要求每層壓實系數不低于0.97，洞砟回填至750 m 高程為止；對750 m 高程以上先回填5 m 厚摻5%水泥的級配碎石，再通過級配碎石層向下鉆孔，對上部20 m 厚回填洞砟層進行注漿加固；此后繼續在級配碎石層上部施工3 m 厚鋼筋混凝土路基板，路基板上方兩側施工素混凝土大邊墻，邊墻以內做隧道明洞結構。至此，完成巨型溶洞回填與隧道結構施工。

高山隧道巨型溶洞回填體總厚度36～57 m，屬于超厚回填體，下部尚有50～65 m 厚原始坍塌堆積體，工后沉降不易控制，特別是隧道開通后高速列車動荷載長期擾動下沉降是否增加、沉降發生機理等需要深入研究，為此設計了列車動荷載下超厚回填體沉降相似模型試驗。

2 模型試驗設計

相似模型試驗在溫州大學甌江校區的高鐵路基動力試驗臺上開展，試驗周期6個月。

2.1 試驗臺簡介

高鐵路基動力試驗臺由模型箱與模擬加載系統組成，模型箱為一半入地式箱體，加載系統主體為多通道系統操控下的5個伺服作動器，試驗過程中可通過主控計算機對作動器加載幅值、頻率以及相位進行精準控制。

加載系統的工作模式為時序加載，列車動荷載在時序加載模式下可以轉化為豎向荷載作用于路基某一固定位置處。假定列車運行線路平順，每個點的受力大小和頻率都相同，則每個作動器的加載時程頻率、振幅及曲線波形都應相同，由于相鄰2 個作動器之間的時程曲線有相位差，而作動器之間的間距固定，所以相鄰2 個作動器時程曲線相位差φ將由列車速度v確定。

2.2 試驗相似性設計

結合試驗臺條件與超厚回填體施工狀況，以幾何相似比1∶5 作為主控因素，對模型進行幾何尺寸、試驗材料、外部荷載、初始條件、邊界條件等在內的相似性設計［16］。具體設計思路如下。

（1）按照高山隧道巨型溶洞實際工況，自下而上分層填筑回填體試驗模型。

（2）試驗填筑所用材料與施工現場填筑所用材料應具有相似的物理性質，主要考慮因素包括顆粒級配、密度、彈性模量等。

（3）加載系統在模擬列車動荷載時應確保施加的荷載與現實中列車動荷載的相似性，主要體現在荷載的大小和頻率方面。

（4）實際工程中超厚回填體在施工結束后將會經歷1年左右的靜置期，其地基應力歷史條件很難進行模擬，因此采用預壓方法模擬靜置期固結沉降。

（5）溶腔回填后形成的超厚回填體與普通回填路基相比，其最大特點是回填體受到溶洞側壁的約束作用，監測顯示回填體幾乎沒有水平位移，模型箱的剛性側壁也能夠限制水平位移。

基于以上思路，利用Buckinghamπ定理計算模型試驗的相似比，得出超厚回填體模型試驗應滿足的基本相似關系為

式中：SE為彈性模量相似比；Sρ為密度相似比；Sa為加速度相似比；SL為幾何尺寸相似比。

假設模型材料為彈塑性材料，以Duncan-Chang 非線性本構模型進行計算，根據其應力應變關系結合Buckinghamπ定理，可得到如下基本關系式

式中：Sσ為應力相似比；Sε為應變相似比。

綜上所述，超厚回填體模型試驗最終所采用的各物理量相似比見表1。

表1 模型試驗所采用的各物理量相似比

2.3 試驗相似模型設計

試驗截取渝廈高鐵黔常鐵路段DIK53+680—DIK53+695 位置處的超厚回填體進行模擬，回填體線路方向長度15 m、縱向寬度30 m、豎向深度20 m，如圖3所示。根據幾何相似比1∶5，設計模型尺寸長×寬×高為6 m×3 m×4 m。

圖3 模擬范圍示意圖

回填體模型中的路基自上而下分別為：有砟軌道層、隧道仰拱層、鋼筋混凝土路基板、級配碎石層和回填洞砟注漿層。受模型箱尺寸限制，級配碎石層以下的回填洞砟層僅能模擬12 m 厚度，考慮到實際施工過程中對回填洞砟上部20 m 厚度進行了注漿加固處理，回填洞砟注漿層對列車動荷載隔離效果好，動荷載對深部回填體影響有限，且本文重點考慮動荷載傳遞機理，回填洞砟層模擬12 m厚度是可行的。

軌道采用縮尺工字鋼模擬，軌枕采用縮尺條形鋼筋混凝土模擬，道砟與級配碎石層采用縮尺碎石模擬，隧道仰拱層和路基板采用縮尺鋼筋混凝土板模擬，回填洞砟注漿層采用密實中砂進行模擬，中砂填筑后進行動載預壓使其達到洞砟注漿層相近狀態，以壓實度作為參考指標。砂層填筑厚度為2.4 m，級配碎石層和鋼筋混凝土路基板厚度共0.9 m，根據路基板厚度調整級配碎石層厚度，試驗模型回填如圖4所示。填筑好的模型箱如圖5所示。

圖4 試驗模型回填示意圖

圖5 回填體模型箱

模型回填材料按照物理性質相似原則進行參數分析和設計，具體如下。

（1）隧道仰拱結構和鋼筋混凝土路基板均采用與實際工程中相同配合比的C30混凝土進行澆筑。

（2）選取實際工程中的級配碎石層，通過篩分試驗獲得粒徑級配見表2，且不均勻系數Cu不小于15，粒徑0.02 mm 以下碎石質量百分率不大于3%。模型中的級配碎石層以粗骨料（粒徑≥30 mm）、細骨料（10 mm≤粒徑＜30 mm）和碎石屑（粒徑＜10 mm）為填料，填料物理參數見表3，符合相似要求，表中D10，D30和D60分別為級配碎石有效粒徑、中值粒徑和限制粒徑。

表2 實際工程中級配碎石層的粒徑級配

表3 模型中級配碎石層填料基本物理參數

（3）實際工程中回填洞砟注漿層采用加工洞砟回填，洞砟中碎石粒徑分布見表4，中值粒徑碎石的物理參數見表5。洞砟回填后進行注漿加固，注漿所采用材料為水泥漿-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6，對回填洞砟注漿層進行鉆孔取芯并測試其單軸抗壓強度，注漿層結石率較高，巖芯試件單軸抗壓強度均不低于25 MPa。根據文獻［17-18］，碎石松散體注漿加固后的材料物理力學性質和堆載密實的中砂相似。故試驗模型中采用中砂模擬回填洞砟注漿層，為增加其密實度，在模型試驗的路基板和級配碎石層布置前，先對回填中砂進行了動載預壓處理，使其物理性質更加接近施工工程中的洞砟回填注漿層，中砂物理參數見表6。

表4 洞砟中碎石粒徑分布

表5 中值粒徑洞砟碎石物理參數

表6 砂層填料物理參數

實際工程中采用的鋼筋混凝土路基板厚度為3 m，為驗證其隔振性能，按照幾何相似比1∶5 縮尺設計了0.6 m 厚路基板模型試驗，試驗發現路基荷載基本被隔離，路基沉降微小，滿足實際工程需要；為驗證0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板是否過于保守，同時闡明列車動荷載向下傳遞的規律，又做了0.4 m（對應實際工程的2 m）和0.2 m（對應實際工程的1 m）厚路基板的對比模型試驗，試驗發現在這2 種路基板厚度下列車動荷載效應向下傳遞明顯，路基沉降較大，由此說明了路基板3 m 厚基本達到了隔振效果和經濟成本的最佳組合，驗證了設計方案的合理性。

2.4 試驗監測系統設計

建立全方位動態監測系統，對回填模型的動力響應及沉降進行實時監控。監測系統主要分為2 大部分，即傳感器系統和數據采集系統。傳感器系統主要包括加速度計、沉降計、土壓力盒、應變計、位移計以及試驗臺自帶的作動器載荷和位移傳感器，數據采集系統為各類測試傳感器對應的數據采集系統。在隧道仰拱層模擬板邊緣設置位移計，用來監測回填模型仰拱表層的動態響應，在路基板下回填層埋設土壓力盒、三向加速度計和單點位移計，用來監測回填體模型內部的動態響應。試驗臺共有5個作動器分配梁，試驗所用傳感器主要布置在中間作動器分配梁的下方。以0.6 m 厚路基板試驗為例，各類測試傳感器分布如圖6所示。傳感器的具體數量、位置分布和作用如下。

圖6 以0.6 m厚路基板為例的傳感器布設示意圖（單位：m）

（1）布設位移計5 個，編號為W1，W2，…，W5，以0.5 m 的間距均勻布置在隧道仰拱層模擬板表面，用于測量回填模型仰拱表層的沉降。

（2）布設土壓力盒7個，編號為T1，T2，…，T7。沿分配梁方向在路基板底部埋設3 個，從左到右分別為T7、T5 和T6，其中T5 位于模型箱中線位置處；T3 和T4 分別位于T5 和T6 下方40 cm處；T1 和T2 分別位于T5 和T6 下方40 cm 處。用于測量回填模型內部土壓力。

（3）布設三向加速度計5個，編號為N1，N2，…，N5。沿分配梁方向在路基板底層布置4 個，從左到右分別為N3，N4 和N5，其中N3 位于模型箱中線位置處；N2 和N1 位于N3 下方，上下間隔20 cm。用于測量回填模型內部振動加速度（對板厚0.2 m和0.4 m路基板增加加速計N6）。

（4）布設單點沉降計2個，分別編號F1和F2，采用階梯狀埋設的方式埋設在路基板中心兩側，傳感器測桿長度分別為F1長50 cm，F2長70 cm。用于測量回填模型內部沉降。

（5）對于0.4 m 厚路基板試驗，增加土壓力盒2 個，編號為T8 和T9，分別位于T5 和T6 上方20 cm 位置處；增加單點沉降計1 個，編號F3，位于F1 上方40 cm 位置處。對于0.2 m 厚路基板試驗，增加土壓力盒2 個，編號為T8 和T9，分別位于T5和T6上方40 cm 位置處；增加單點沉降計2個，編號為F3 和F4，分別位于F1 和F2 上方40 cm 位置處。

2.5 模型加載設計

渝廈高鐵黔常段為雙線鐵路，設計運營時速為200 km，本試驗僅模擬1 側線路；以和諧號CRH380AL 型高速列車為模擬對象，8輛編組，列車軸重不超過15 t，每節車廂長約25 m。采用5套最大荷載200 kN的動態作動器模擬高速列車荷載，作動器的行程為0～200 mm，工作頻率不大于20 Hz，試驗中列車的運行速度、運行時間及列車軸重分別用作動器的頻率、振動次數及輸出荷載模擬。

本試驗僅考慮路基上部豎向荷載，不考慮水平荷載。根據現有研究，當列車以固定的速度行駛時，軌道上某1 個點處的變化可近似看作1 個先增大后減小的重復受力過程，這種受力形式與半正弦波曲線特征相符合，而半正弦波作用下土體試樣的累積變形和模擬列車動荷載的不規則波作用下土體試樣的累積變形相似，所以本試驗中可采用半正弦波荷載模擬列車動荷載［19］，其加載曲線為

式中：F為激振力，kN；q為荷載振幅，kN；f為輸出頻率，Hz；t為加載時間（以t=0 為加載瞬時），s；φ為相位差，（°）；T為荷載作用時長，s。

由式（3）可以看出，采用半正弦荷載模擬列車動荷載時，應考慮的物理量包括作動器的荷載振幅、輸出頻率以及輸出相位差。

經相似計算可得：對應200 km·h-1的列車速度，半正弦波加載頻率約為2.22 Hz；荷載振幅取30 kN；相鄰2個作動器加載相位差φ=36°。綜上考慮，模擬試驗中5個作動器的加載曲線如圖7所示。

圖7 加載曲線

2.6 試驗過程

試驗過程主要為：模型填筑→儀器安裝→預壓調整→正式加載→數據采集→試驗完成。

儀器安裝完成后靜置1 d，使模型達到基本穩定狀態，然后進行預壓調整，各通道作動器分別施加50 kN 靜力荷載，一方面模擬實際工程中回填體靜態沉降，另一方面預壓模型使其初步穩定。

正式加載中，先對0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板開展試驗，采用2.22 Hz半正弦波加載頻率、30 kN荷載振幅模擬列車通過；加載次數設定為30 000次，因列車為8 輛編組，1 趟列車通過模擬區段時會產生8 次振動，30 000 次加載相當于列車3 750趟通過模擬區段；假設每天通過列車8趟，則相當于隧道運營16 個月。試驗加載中的模型如圖8所示。

圖8 列車動荷載下回填體相似模型加載

當0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板試驗加載完畢后，經數據分析，該厚度下列車動荷載被有效隔離，可以推斷路基板更厚，其隔振作用更好；且此時路基板下動力響應不明顯，不利于研究板下沉降機理，故無須進行更厚的鋼筋混凝土路基板試驗。將模型箱內0.6 m 厚路基板取出，重鋪下部回填體，保持軌道高程不變，增筑20 cm 厚級配碎石，隨后放入0.4 m 厚路基板，采用相同的加載方式進行試驗；此后按照相同操作步驟再進行0.2 m 厚路基板試驗。

3 模型試驗結果

3.1 回填體沉降

3.1.1 仰拱表層沉降

依據隧道仰拱表層布設的位移傳感器（W1—W5）測試數據進行仰拱表層沉降分析，將仰拱表層沉降實時監測數據繪制成s-t曲線，采用指數模型［20］擬合s-t曲線特征并求出模型參數，位移響應時程曲線的收斂值可通過擬合式求出，該值即為通過指數模型預測得到的超厚回填體仰拱表層最終沉降量。其中，指數模型的表達式為

式中：St為t時的沉降量，mm；S∞為最終沉降量，mm；α和β分別為待定模型參數。

以0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板試驗組（每個試驗組都包含位移監測、沉降監測、振動加速度監測以及土壓力監測等內容：加載時長為13 600 s，加載約2.992 萬次）的截面中間位置傳感器W3 為分析對象，其實測數據所示曲線與擬合曲線如圖9所示。擬合曲線與實測數據相關系數R2為0.8，擬合優度較好。所得擬合式為

圖9 仰拱表層沉降實測及擬合曲線

由圖9可知：試驗開始后隧道仰拱表層沉降快速增至0.3 mm，隨著列車動荷載作用次數的增加，模型試驗中的仰拱表層沉降量隨之增大，但其沉降增加速率逐漸減緩，加載時長為13 600 s 時沉降量增長已趨于穩定，列車動荷載長期作用下仰拱表層最終沉降約為0.485 mm，根據相似比，實際工程的最終沉降為2.425 mm。初始沉降0.3 mm形成過快，初步分析其為系統誤差。扣除這個誤差，則仰拱表層最終沉降為0.485-0.300=0.185 mm（實際工程為0.925 mm），可見因列車動荷載引起的沉降量較小。

采用相同方法進行計算，路基板厚度分別為0.4 和0.2 m 時，仰拱表層最終沉降收斂值分別為0.785 和1.385 mm（實際工程為3.925 和6.925 mm）。可見，0.6 m（實際工程為3 m）厚路基板在減少路基動力沉降方面作用顯著，隔振效果良好。

3.1.2 回填體內部沉降

回填體內部沉降分析依據單點沉降計（F1—F4）測試數據，其中F1—F4 測桿長度分別為50，70，90 和110 cm。根據單點沉降計階梯狀布設的特點，計算2 個沉降計數據的差值，就是2 個沉降計頂部法蘭盤之間回填體的分層沉降量，分別對應回填體厚度50 cm（F1），20 cm（F2 與F1 間），20 cm（F3 與F2 間），20 cm（F4 與F3 間），各分層沉降量變化如圖10所示。

圖10 回填體內部分層沉降曲線

由圖10可知：回填體各分層的沉降速率均呈下降趨勢，隨著回填深度增大，分層沉降量逐漸減小；沉降主要發生在級配碎石層，砂層沉降較小；對于鋼筋混凝土路基板厚0.6 m 試驗組，板下70 cm 回填層最終沉降約0.24 mm，其中20 cm 厚級配碎石層的沉降量約占最終沉降量的90%以上，為0.22 mm，砂層沉降0.02 mm；對于路基板厚0.4 m 試驗組，板下90 cm 回填層最終沉降約0.41 mm，其中40 cm 厚級配碎石層沉降量約占各層最終沉降量的74%，為0.30 mm，砂層沉降0.11 mm；對于路基板厚0.2 m 試驗組，板下110 cm 回填層最終沉降約0.80 mm，其中60 cm 厚級配碎石層沉降量約占各層最終沉降量的62%，為0.50 mm，砂層沉降0.30 mm。

由此可見，隨著路基板厚度減小，砂層沉降逐漸增大，說明砂層內因列車動荷載引起的土動力效應增加。路基板厚0.6 m 試驗組F1 監測數據表明，砂層表層50 cm 范圍內沉降量非常小，僅相當于實際工程0.1 mm，說明土動力作用微弱，可見實際施工中，回填洞砟層上部注漿加固后抗擾動性能良好，3 m厚鋼筋混凝土路基板隔振效果顯著。

3.2 回填體內部振動加速度

分析數據來自回填體內部加速度傳感器（N1—N6）。每隔100 s記錄1次振動加速度響應時程曲線峰值（取期間振動加速度的最大值），分析其在列車動荷載長期作用下的變化狀況。回填體內部振動加速度峰值變化曲線如圖11所示。

由圖11可知：振動加速度峰值整體上表現為從回填體表層到深層逐漸遞減的趨勢；從曲線變化趨勢來看，表層監測點振動加速度峰值逐漸穩定在某一恒定值附近，而底部監測點N1 在3 萬次加載過程中輕微波動，這說明在動荷載的作用下，回填體逐漸被壓實，其振動加速度峰值也逐漸趨于穩定；隨著路基板厚度的增加，測點的振動加速度峰值逐漸減小，這表明隨著路基板厚度增加，其隔振效果顯著增大，列車動荷載對下部回填體的動力影響逐漸減小。

圖11 回填體內部振動加速度峰值變化曲線

3.3 回填體內部動土壓力

分析數據來自回填體內部土壓力盒（T1—T9），每90 s采集1次。分析工況取列車時速200 km（設計時速）、加載3萬次。在數據采集密度小的情況下，地基土內部土壓力變化峰值很難被捕捉到，數據的離散性也較大，為了降低數據離散性，取相鄰6 組監測數據的平均值計數1 次（即9 min 內動土壓力平均值）進行分析。回填體內部動土壓力變化曲線如圖12所示。由圖12可得如下結論。

圖12 回填體內部動土壓力變化曲線

（1）在列車動荷載的長期作用下，回填體內部有較為明顯的土壓力顯現，相同埋深的土壓力基本一致，隨著回填體深度增加，動土壓力明顯降低。以0.6 m 厚路基板為例，路基板底層、進入砂層0.1 m、進入砂層0.5 m 處的土壓力平均值分別為5.0，3.0，1.5 kPa，且級配碎石層、砂層的土壓力折減速率分別為5.00 和3.75 kPa·m-1，實際工程中回填體上部20 m 范圍內注漿，按照1∶5 相似比，相當于試驗4 m 厚砂層，列車動荷載引起的動土壓力很難傳至砂層底面，有效驗證了實際工程中回填體上部20 m注漿的合理性。

（2）隨著路基板厚度降低，回填體內動土壓力逐漸增加，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板底處的土壓力平均值分別為5，6，8 kPa；同時進入砂層的動土壓力也呈增長趨勢，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板砂層0.5 m 處的土壓力平均值分別為1.5，2.5，4.5 kPa。說明路基板越厚，阻斷列車動荷載效應的作用越顯著，實際工程中采用3 m 厚鋼筋混凝土路基板是合理可靠的。

4 運營期隧道結構沉降監測

渝廈高鐵黔常段高山隧道施工完成后，隨著時間的推移和高速列車的動載擾動，其下部的超厚回填體將會發生沉降，超厚回填體在運營期產生沉降會造成上方隧道整體結構的沉降。如圖13所示，高山隧道施工中會在級配碎石層上方隧道中心線兩側12 m 范圍內施工3 m 厚C30 鋼筋混凝土路基板，鋼筋混凝土路基板施工完成后在路基板的兩側施工素混凝土大邊墻，邊墻橫截面為直角梯形，在素混凝土大邊墻內側施工明洞結構，隧道明洞結構、素混凝土大邊墻和鋼筋混凝土路基板形成1個整體結構，所以隧道結構沉降是整體發展的。因運營期內隧道仰拱層上表面受條件限制不能安裝監測儀器，為了監測隧道沉降發展，于隧道通車前在溶洞段隧道邊墻上安裝了靜力水準儀7 個，編號S1—S7，用來監測運營期隧道結構沉降。因隧道結構為整體式，溶洞段隧道邊墻沉降可以代替隧道仰拱表層沉降。

圖13 溶洞內隧道斷面（單位：cm）

渝廈高鐵黔常段于2019年12月26日正式開通運營，以溶洞中部對應點S4 測點數據為參考，提取2019-12-26—2020-12-31 共約1年的運營期監測數據，整理各測點沉降曲線如圖14所示（以2019-12-26為首日，即第0天）。

圖14 運營期隧道仰拱表層沉降曲線

由圖14可知：隧道開通后的1年內，隧道仰拱層受高速列車動荷載的影響，沉降在緩慢增加，但是沉降速率在逐步下降，在2020年7月31日后，隧道仰拱表層沉降逐漸趨于穩定；自溶洞開通運營后至2020年7月，隧道仰拱表層平均沉降量為0.78 mm；2020年8月—12月，隧道仰拱表層平均沉降量為0.16 mm；隧道運營1年內，隧道仰拱表層沉降最大值為0.956 mm，不足1.0 mm，與超厚回填體沉降模型試驗結果較為符合。目前隧道已運營1年多，隧道結構安全，運營良好。

5 結 論

（1）依托渝廈高鐵黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞回填處置工程，按照幾何相似比1∶5 設計基于時序加載方式的列車動荷載作用下超厚回填體沉降相似模型試驗。以幾何相似比為主控因素推導模型試驗的相似常數；建立了包括有砟軌道層、隧道仰拱層、鋼筋混凝土路基板層、級配碎石層和回填洞砟注漿層的回填體相似模型，可實現列車動荷載作用下不同厚度路基板時回填體分層沉降、回填體內部振動加速度及土壓力的動態監測；分別以作動器的頻率、振動次數和輸出荷載模擬試驗中列車的運行速度、運行時間和軸重，基于和諧號CRH380 AL型列車參數，采用了縮尺半正弦波加載方法。

（2）列車動荷載作用會增加回填體沉降，回填體沉降速率隨深度增加逐漸變緩，最終沉降量較小，主要來源于級配碎石層沉降，砂層（代表實際工程中回填洞砟注漿層）沉降微小；隨著鋼筋混凝土路基板厚度增大，回填體沉降顯著降低，砂層產生的沉降可降至忽略不計，路基板隔振效果良好。振動加速度及土壓力沿回填體深度方向均有明顯的衰減趨勢，路基板厚度越大越能有效減少振動加速度及土壓力對回填體的動力影響，對減小回填體內部沉降作用顯著。0.6 m（實際工程中為3 m）厚鋼筋混凝土路基板能有效阻斷列車動荷載引起的加速度與土動力傳遞，證明了工程中采用3 m 厚鋼筋混凝土路基板是合理的。

（3）高山隧道施工完成后，在溶洞段隧道邊墻安裝靜力水準儀來監測運營期隧道仰拱表層沉降。監測數據表明：隧道通車1年內隧道仰拱表層沉降不足1 mm，與試驗所得結果較為符合，滿足工程要求。證明巨型溶洞采用“洞砟回填+上部注漿”處置、并輔以3 m 厚鋼筋混凝土路基板隔振的設計方案是合理的可靠的，目前隧道運營良好。