列车振动荷载下锚索预应力现场监测及数值分析

贾晓云，朱永全

(1.西南交通大学土木工程学院，成都　610031；2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄　050043)



列车振动荷载下锚索预应力现场监测及数值分析

贾晓云1，2，朱永全2

(1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043)

振动会引起基坑加固系统中锚索预应力的损失，影响基坑稳定性，而有关列车振动荷载对锚索预应力的实际影响还未见报道。因此，分析列车振动对深大基坑围护结构中锚索预应力的影响，具有重大理论意义和实际指导意义。以石家庄六线隧道明挖段紧邻京广铁路深大基坑预应力锚索加固体系为工程背景，采用现场监测的方法，分析实际工程环境下，列车振动荷载引起的锚索预应力损失；采用Flac-3D软件进行数值分析，进一步印证列车振动荷载对锚索预应力的影响。综合考虑既有线路运行性质和基坑使用周期，提出限速(不超过80 km/h为宜)通过明挖基坑区段，尽早施作隧道主体结构，减小基坑暴露时间的合理化建议。以减小锚索预应力损失，提高基坑加固效果，保证基坑安全与稳定。

深大基坑；列车荷载；锚索预应力；现场监测；数值分析

预应力锚索锚固系统可根据工程的实际地层情况，有效提高地层的强度，从而提高地层承载能力，因此在相关加固工程中得到了广泛的应用[1，2]。但在长期使用过程中，预应力锚索将受到众多外界因素的影响，从而导致锚索预应力发生大幅度的变化[3]。一方面，由于岩土体的蠕变、锚具的回弹变形、灌浆材料的徐变以及锚索杆体材料的松弛等原因均会使锚索预应力降低[4]。另一方面，在降雨、强烈的昼夜温度变化以及冲击振动荷载等因素的作用下，也会导致锚索预应力呈现出波动性变化[5]，而预应力的波动变化很可能导致杆体材料产生疲劳破坏，从而造成其锚固功能的减弱或失效，进而影响锚固工程的长期稳定性[6]。

针对预应力锚索加固的相关问题，虽然海内外学者已经作了大量的研究工作。但由于预应力锚索锚固机理比较复杂，锚索预应力损失影响因素较多[7，8]，众多学者研究时不可能将所有因素都考虑进去，研究过程中均作了一些粗糙的假定，但大量的研究成果为分析了解锚索的受力特征起到了积极的作用[9]。目前，有关列车振动荷载对超大超深基坑加固工程中锚索预应力损失影响方面的报道还未检索到。

1　工程概况

石家庄六线隧道全长4 980 m，除下穿石太直通线段采用暗挖法，过中山路、裕华路及和平路采用盖挖法外，其余地段均采用明挖法施工。明挖段长度约4 800 m，明挖段基坑(图1)开挖宽度30～52 m，深度8.5～22 m，西侧紧邻既有京广铁路线，最近处距离只有10.2 m，基坑开挖8个月～1年左右施作隧道主体结构。隧道地层条件差，结构基本位于粉质黏土和砂层中，全部为Ⅵ级围岩，围岩自稳能力较差。在如此复杂的周边环境下施工大跨度深基坑，既要保证基坑施工安全，又要保证既有铁路线的正常运营，难度非常大。因此，现场基坑加固采用钻孔灌注桩+预应力锚索作为围护结构，基坑围护结构安全等级为一级。基坑两侧从上至下分别布置3道锚索，第1、第2及第3道锚索深度分别为6、10 m和14 m。

图1　基坑施工现场

2　锚索预应力现场测试

2.1测点布置

在DK278+380～DK278+640之间的基坑东西两侧分别选取9个位置，每个位置的第1、第2及第3道锚索处均布置锚索测力计，进行锚索预应力测试，以了解列车振动对锚索预应力的影响，测点布置平面如图2所示。

2.2测试结果分析

(1)锚索预应力变化规律

基坑施工时，对每个位置处3道锚索预应力均进行了长期监测，并对监测数据进行详细分析研究。文中仅列出受列车振动影响较大的第1道锚索的预应力变化规律，如图3、图4所示。

图2　测点布置平面

图3　基坑东侧锚索预应力变化曲线

图4　基坑西侧锚索预应力变化曲线

由图3和图4可知，无论是靠近既有京广线的基坑西侧，还是远离既有线的基坑东侧，前期锚索预应力均出现增长现象，80 d左右时，预应力达到峰值，而后锚索预应力均呈下降趋势，预应力损失较为明显。前期增长主要是由于基坑继续开挖、施作第2道及第3道锚索等施工因素，以及列车振动使得地层在一定程度上变得相对密实而造成的。

施工结束后，在土体蠕变、列车振动的继续影响下，锚索预应力呈现波动性的降低趋势，8个月时，仍没有达到稳定状态。这与相关文献中提到的锚索预应力的变化经历预应力急速下降、紊乱变化和平稳过渡3个阶段[10，11]有所不同，这主要是由于列车振动对锚索预应力的影响。

(2)列车振动对锚索预应力的影响分析

深度相同的东西两侧锚索预应力随时间变化曲线如图5、图6所示，锚索预应力损失值与损失率分别见图7、表1。

图5　同深度两侧锚索预应力随时间变化曲线(第1道)

图6　同深度两侧锚索预应力随时间变化曲线(第3道)

图7　锚索预应力平均损失率随基坑深度变化规律

锚索位置平均损失值/kN平均损失率/%西一39.7816.82西二13.374.51西三7.622.90东一31.3915.52东二11.693.55东三7.492.99

对现场监测数据的分析可知，在列车振动荷载作用下，对于第1道和第2道锚索，靠近既有线的西侧锚索预应力损失比东侧同一深度锚索预应力损失大。第1、第2道锚索中，西侧各锚索预应力平均损失值分别为39.78 kN、13.37 kN，平均预应力损失率分别为16.82%、4.51%；而东侧各锚索预应力平均损失值分别为31.39、11.69 kN，平均预应力损失率分别为15.52%、3.55%。也就是说，第1、第2道锚索中，西侧各锚索预应力平均损失比东侧分别多8.39、1.68 kN，平均预应力损失率分别高1.30%、0.96%。即第1、2道锚索中，在其他情况基本一致的情况下，由于西侧既有京广线的列车振动而引起的附加预应力损失值分别为8.39 kN和1.68 kN，附加预应力损失率约分别为1.30%、0.96%。

图7和表1显示，由于列车振动带来的附加预应力损失是随着基坑深度的增加而逐渐减小的。在深度为14 m的第3道锚索位置，锚索预应力没有受到列车振动荷载的影响。

笔者前期对列车行驶速度对地层振动的影响进行了大量测试，测试结果显示，列车速度越大，对地层振动的影响深度越大，进而对锚索预应力的影响也会加大。因此，根据既有线路运行性质(货车、普通列车、动车等)、基坑施工周期等综合考虑，建议限速通过明挖基坑区段，列车行驶速度以不超过80 km/h为宜。同时，应尽早施作隧道主体结构，恢复路面，缩短基坑暴露时间。

3　锚索预应力动力响应分析

为更好地控制基坑稳定性，确保基坑顺利施工和既有铁路线的正常运营，采用FLAC-3D软件建立三维数值模型，模拟列车振动荷载对锚索预应力动力响应。

3.1计算模型

(1)模型及参数

为减少模型的单元数量，提高计算速度，考虑到基坑的对称性，计算模型范围为：X=85.4 m，Y=36 m，Z=72.75 m，基坑深度H=18.19 m。假定锚索受压或受拉，Y方向固定，边界条件采用模型周边侧向约束，计算模型如图8所示。

图8　计算模型

计算时采用动力滞后阻尼模型中的四参数S型模型，该模型拟合曲线表示为[12]

(1)

它包含了a，b，x0和y04个参数，参考武汉理工大学张亮亮的试验结果[13]，参数取值分别为a=0.922，b=-0.481，x0=-0.705，y0=0.082 3。地层及预应力锚索计算参数分别如表2、表3所示。

表2　地层计算参数

表3　预应力锚索计算参数

(2)列车荷载模拟

采用激振力函数模拟列车在不平顺轨道上的行驶问题，表达式为[14，15]

(2)

式中，P0，P1，P2，P3分别对应于表4中的控制条件①～③中的某一典型值。假设列车簧下质量为M0，则相应的振动荷载幅值为

(3)

式中，ai为典型矢高；ωi为对应车速下不平顺振动波长的圆频率，其计算式为

(4)

式中，ν为列车的运行速度；Li为典型波长。

表4　轨道几何不平顺管理值

货车轴重一般为24 t，簧下质量M0=750 kg，单边静轮重P0=120 kN，对应的不平顺振动波长和相应的矢高为：L1=10 m，a1=3.5 mm；L2=2 m，a2=0.4 mm；L3=0.5 m，a3=0.08 mm。激振力取v=80 km/h时前5 s的情形，为一不规则波形[16]。振动荷载施加在距离开挖面20 m处，振动时程曲线如图9所示。

图9　振动荷载时程曲线

3.2计算结果及分析

各道锚索自由段及锚固段锚索预应力随时间的变化曲线如图10、图11所示。

图10　第1道锚索自由段应力时程曲线

图11　第1道锚索锚固段应力时程曲线

计算结果显示，第1、第2道自由段锚索预应力均是随时间的增加逐渐减小；第3道锚索自由段的锚索预应力随时间的增加出现了增大的现象。

各道锚索锚固段预应力随时间均呈现出先波浪式增加后逐渐减小的趋势，振动初期出现短期预应力增大现象主要是由于最初地层相对较松散，后期由于振动作用使得地层变得密实而引起的。第3道锚索应力减小很短的时间后又继续增大，说明锚索埋置深度越大，振动荷载对锚索应力的影响就越小，其应力变化主要是地层逐渐密实造成的。

将数值计算结果与现场监测结果比较发现，锚索预应力的变化规律基本上是一致的，只是施工现场受到的影响因素较多，波动性更强。说明采用滞后阻尼动力四参数模型进行数值模拟分析是可行的。进一步印证了列车振动荷载对锚索预应力的影响；施工现场采用降低行车速度，可以很好地减小锚索预应力的损失，从而有效提高基坑加固效果，确保施工安全。

4　结论

(1)揭示了实际工程环境下，列车振动荷载对锚索预应力损失的影响，尤其对第1道锚索的影响最大，在锚索预应力损失中，其中有1.30%的损失是列车振动引起的；数值计算结果与现场实测规律基本相符，进一步印证了列车振动对锚索预应力损失的影响。

(2)为了避免列车振动对锚索预应力的后期影响，根据既有线路运行性质(货车、普通列车、动车等)、基坑施工周期等综合考虑，建议限速通过明挖基坑区段，列车行驶速度以不超过80 km/h为宜。

(3)应尽早施作隧道主体结构，恢复路面，缩短基坑暴露时间。

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Field Monitoring and Numerical Analysis of Anchor Cable Prestress under Train Vibration Load

JIA Xiao-yun1，2，ZHU Yong-quan2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

The vibration may cause the prestress loss of anchor cables in the reinforcement system，which affects the stability of the foundation pit.The actual effect caused by the train vibration load on the prestress of the anchor cables has not been reported.Therefore，the analysis of the influence on prestressed anchor cable caused by train vibration has great theoretical and practical significance.With reference to the practical engineering of the deep foundation pit anchor reinforcement system near the existing Beijing～Guangzhou railway，the prestress loss of anchor cable caused by train vibration load is analyzed by means of field monitoring in the actual engineering environment.Numerical analysis with Flac-3D software is conducted to confirm this conclusion.It is proposed that reducing the train speed below 80 km/h and constructing the main structure of the tunnel as soon as possible can effectively reduce the prestress loss，improve the pit reinforcement effect，and ensure the safety and stability of the foundation pit.

Deep foundation; Train vibration load; Anchor prestress; Field monitoring; Numerical analysis

2016-03-22；

2016-04-08

国家自然科学基金(51478277)；河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN2014137)

贾晓云(1977—)，女，副教授，博士研究生，2004年毕业于石家庄铁道大学道路与铁道工程专业，主要从事地下和隧道工程教学与研究工作，E-mail：15075796@qq.com。

1004-2954(2016)10-0004-05

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.002