列车振动荷载作用下隧道围护结构性能实测分析

王洪德，张立曼

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

京石铁路客运专线石家庄六线隧道全长4 980 m，工程除下穿既有石太直通线段采用暗挖法施工外，其余线段均采用明挖法施工.明挖基坑开挖宽度30～52 m，深度8.5～22 m.基坑西侧为京广线，最近处距离基坑只有10.2 m，穿越市政道路采取翻交倒幅施工，列车及市政交通车辆都会产生动荷载.由于隧道基坑宽度、深度及长度都较大，为采用大型机械施工，横撑体系采用锚索支护结构.锚索采取注浆与地层紧紧结合，通过地层锚固力对围护结构产生约束.一般情况下，在地面列车和其它车辆动荷载下，地层会产生振动，地层结构会变得松散［1-2］.尤其是软弱的土层，更容易变得松散，锚索性能将会发生变化［3-5］.因此，研究锚索性能变化必须首先了解列车振动规律以及锚索轴力、桩身水平位移等的变化规律［6-7］.本文通过对列车振动影响范围、围护桩振动速度、锚索轴力以及桩身水平位移等进行实测分析，从而为隧道工程设计和施工提供技术支撑.

1 监测项目及测点布置

1.1 列车振动影响范围测试

在义堂路与石太联通线之间DK278+200选择一个测试断面，在垂直既有铁路方向地面东侧挖一个6 m×1 m×3.3 m(长×宽×高)的基坑，基坑走向东西，距离近轨道仅4.8 m.在坑壁深度方向每0.5～1 m、长度方向每1～2 m，布置水平和垂直振动传感器一对，监测不同列车、不同距离、不同深度情况下既有线列车振动荷载对地层振动的影响，从而确定列车振动影响范围，测点布置如图1和图2所示.

图1 地层振动测试平面布置图(m)

图2 地层振动测试测点布置图(mm)

1.2 围护桩振动速度测试

为掌握围护桩在不同开挖深度下的振动特性，选择DK278+403处D15围护桩为测试对象(桩长22.2 m)，并分别于9月23日、10月25日进行了测试.两次测试基坑开挖深度分别为8.5 m和13 m.测点布置分别如图3和图4所示.

图3 9月23日测点布置(mm)

图4 10月25日测点布置(mm)

1.3 锚索轴力测试

在DK278+380～DK278+640之间在基坑东西两侧、三层锚索分别布置了9个测点进行锚索轴力的测试，以了解列车振动对锚索轴力的影响，测点布置如图5所示.

图5 第一层锚索轴力测点布置图

1.4 桩身水平位移测试

为了解桩身水平位移在施工过程中的变化规律，在基坑东西两侧分别布置测点进行桩身水平位移的测试，测点布置如图6所示.

图6 桩身水平位移测点布置图

2 测试结果分析

振动测试采用中国地震局工程力学研究所研制的891型测震仪，数据采集、分析与处理采用东方所研制的DASP2000测试系统.

2.1 列车振动影响范围测试规律

测试前对每一排数据从靠铁路一侧第一列开始单独编号，分别为1～6号测点，每个测点又分为水平方向和垂直方向.共测得数据232组.

测试结果显示:列车振动引起的垂直振动影响范围大约在第6号测点之外，距下行线外侧轨道距离为9.6 m;列车振动引起的水平振动影响范围大约在第2号测点之外，距最外侧轨道距离为3.2 m;由于货车的质量相对较大，因此货车通过引起的地表振动幅值最大，且下行货车比上行货车影响大.

货车上行时各测点水平及垂直振动速度与距地表深度的关系如表1、表2所示，下行时各测点水平及垂直振动速度与距地表深度的关系如图7、图8所示.

表1 上行货车经过时各测点的水平振速mm/s

表2 上行货车经过时各测点的垂直振速mm/s

图7 下行货车各测点水平振速随深度的变化规律

图8 下行货车各测点垂直振速随深度的变化规律

2.2 围护桩振动速度测试规律

分别对上下行动车、货车及普通列车进行了测试，并对不同列车通过时的平均振动速度进行了分析.9月23日(开挖深度8.5 m)共测得数据131组，10月25日(开挖深度13 m)共测得数据135组.

2.2.1 不同列车通过时的平均振动速度

不同列车通过时的平均振动速度如表3～表6所示.

表4 9月23日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s

表4 9月23日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s(续)

表5 10月25日列车下行时各测点水平平均速度mm/s

表6 10月25日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s

2.2.2 不同开挖深度围护桩振动速度对比

不同开挖深度时不同列车类型条件下，水平速度及垂直速度最大值变化规律如图9、图10所示.

图9 不同深度时围护桩水平振速最大值变化规律

图10 不同深度时围护桩垂直振速最大值变化规律

由测试结果可得到如下结论:①列车经过时，围护桩的水平振动速度较大，竖向振动速度相对较小，下行车引起的振动速度大于上行车;②随着基坑开挖深度的增加，围护桩受列车振动的影响变大.基坑开挖深度为8.5 m时最大水平及竖向振动速度分别为1.099mm/s和0.5mm/s;基坑开挖深度为13 m时最大水平及竖向振动速度分别为 7.394mm/s和 2.416mm/s.

2.3 锚索轴力测试结果分析

2.3.1 同一测点不同层锚索轴力

选取有代表性的14'测点不同层锚索轴力变化曲线如图11所示.

图11 测点14'三层锚索轴力变化曲线

测试结果显示，无论是靠近既有铁路的西侧，还是远离既有铁路的东侧，三层锚索中，第一层锚索轴力最小，第二层最大，符合一般的土压力传递规律;第一层锚索轴力呈现先增大后逐渐降低至基本稳定，第二层与第三层锚索轴力曲线相对比较平缓，数值变化不大.

2.3.2 东西对应测点锚索轴力

东西对应测点有代表性的锚索轴力变化曲线如图12所示.

图12 测点14'东西对应测点第二层锚索轴力变化曲线

测试结果表明，东西对应测点中，锚索轴力的变化规律基本一致，西侧锚索轴力基本都比东侧锚索轴力大，这主要是由于西侧距离既有铁路较近，受列车振动荷载影响较大而引起的.

2.4 桩身水平位移测试结果分析

取11月1、9、18、25和30日的监测数据为代表，桩身水平位移随深度的变化曲线如图13所示.

图13 桩身水平位移随深度变化曲线

测试结果显示，桩身水平位移随着深度的增加先增加后减小，深度为3 m处的桩身水平位移最大，最大值5.0mm(11月27日量测数据);随着深度的增加，水平位移急剧减小，在17 m左右的深度时，水平位移已经很小，接近于0，并且有的已经发生向坑外的变形，说明施工影响深度为17 m左右.这种位移变化规律与一般土压力规律下的变形规律一致.

3 结论

通过对京石铁路客运专线石家庄六线隧道在不同列车通过时，列车振动影响范围、围护桩振动速度、锚索轴力以及桩身水平位移现场测试数据的分析，掌握了列车的振动规律以及列车振动对锚索轴力及桩身位移的影响程度，为锚索性能参数的选取提供了有价值的技术保障.

［1］白冰，李春峰.地铁列车振动作用下近距离平行隧道的弹塑性动力响应［J］.岩土力学，2009，30(1):123-128.

［2］和振兴，翟婉明，罗震.地铁列车引起的地面振动［J］.西南交通大学学报，2008，43(2):218-221.

［3］谢伟平，孙洪刚.地铁运行时引起的土的波动分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(7):1181-1184.

［4］唐益群，栾长青，张曦.地铁振动荷载作用下隧道土体变形数值模拟［J］.地下空间与工程学报，2008，4(1):105-110.

［5］陶连金，李晓霖，陆熙.地铁诱发地面运动的衰减规律的研究分析［J］.世界地震工程，2003，19(1):4-87.

［6］娄奕红，俞三溥，王秉勇.基坑支护结构内力及变形动态分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(03):462-466.