某隧道洞口仰坡动力响应现场测试研究★

毕全超 付之信 王学蕾 张铭修

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



·桥梁·隧道·

某隧道洞口仰坡动力响应现场测试研究★

毕全超 付之信 王学蕾 张铭修

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

通过现场试验，测试了不同车辆轴重与车速对隧道仰坡动力响应的影响，分析了不同车速和车辆轴重的列车通过时，引起隧道仰坡的动力响应特性，指出仰坡的动力响应与列车的速度有关，在列车的速度不断增大时，隧道仰坡的振动加速度峰值也相对增大，且仰坡中部的加速度峰值比仰坡底部要略大一些；从对仰坡实测数据的频谱分析和1/3倍频程分析中可知，仰坡的动力响应特性与列车的轴重有关。

隧道，仰坡，动力响应，现场实测

近年来，随着我国经济的飞速发展，山区城镇化进程和基础设施建设速度加快，形成了大量的高陡边坡，引发了频繁的崩塌落石地质灾害，尤其是在铁路、公路建设等方面更为突出[1,2]。目前国内外众多学者开始对边坡及隧道仰坡的动力响应问题和稳定性进行分析，1994年我国学者郑黎明运用数值模拟和现场试验相结合的方法针对铁路边坡岩体受到列车振动激发的特性，提出了“裂隙岩体结构振动效应”这一概念[3]。张友葩、刘增进、高永涛等通过对双动源荷载作用下的边坡的动力响应进行分析，结果表明，作用于边坡顶部的公路荷载对边坡的动力响应的影响远大于作用在边坡底部的铁路荷载的影响[4]。李华东、姜永玲、邓辉运用FLAC3D软件以某高速铁路隧道进出口边坡为研究对象，分析在列车荷载作用下该边坡的应力，变形及稳定性等问题，结果表明在隧道底部及两侧出现应力集中现象，且列车荷载将在边坡内地层分界面附近、软弱夹层内、构造结构面附近、开挖面附近形成剪应变增量带，极大的影响边坡的稳定性[5]。杨喆、王家鼎、林杜军利用FLAC3D建立数值模型对不同列车运行速度下的黄土边坡的扰动程度和边坡的稳定性进行了分析，得出边坡的扰动性和稳定性随列车运行速度的变化规律[6]。韩坤立、刘军通过现场调查和数值模拟分析了列车振动荷载作用下软硬互层边坡的应力、应变和加速度的变化规律[7]。吴冬、高波、申玉生等利用模型试验的方法建立隧道洞口段大型振动台模型试验，用以研究地震作用下隧道仰坡的动力特性及仰坡和衬砌结构的相互作用[8]。本文通过现场试验更进一步的对隧道仰坡的动力响应进行了研究。

1 现场实测工程概况

1.1 测量仪器的选择

本次试验采用的测试仪器是北京必创科技有限公司生产的A301/A302型无线加速度节点，此节点内置三相加速度传感器，支持10 G加速度测量，节点的空中传输速率可以达到250 kBPS，有效室外通讯距离可达到300 m。

1.2 工程概况

丰沙线58号隧道位于丰沙线快速铁路上，在丰沙线63号隧道上方，与49号桥梁相接，隧道与桥梁连接方式为桥隧并接。地理位置在张家口市怀来县官厅镇豆营村与旧庄窝火车站之间，并在永定河旁。山体最大高度约为262 m，隧道的高度和宽度分别为5.62 m和7.013 m，隧道总长度为875 m。隧道的洞门是端墙式洞门。平纵均位于直线段，本隧道设计速度为100 km/h，隧道所处山体地层为强风化灰岩。山坡较陡，自然坡度30°～35°，部分地区达到40°以上，植被较发育，多为杂草。隧道所属地区属于温带大陆性季风气候。其气候特点是：一年四季分明，冬季寒冷而漫长；春季干燥多风沙；夏季炎热短促降水集中；秋季晴朗冷暖适中。洞口位置的确定遵循“早进洞，晚出洞”的原则，洞口边仰坡开挖高度较高，洞口地形地质条件较好，下方是丰沙线63号隧道，为交叉型隧道。隧道为地形偏压隧道，岩层产状为反倾。隧道洞口仰坡顶部防护为SNS主动+被动。仰坡高度约为15 m，仰坡倾角为75°，仰坡地层为强风化灰岩，仰坡岩层产状为偏压反倾。

1.3 测点布置

此次试验在隧道仰坡的坡底(即洞口上方)，和仰坡的中间位置布置测点(测点4434布置在仰坡中部、测点4435布置在仰坡底部)，并保证测点所在平面与隧道纵断面垂直，测点布置如图1所示。

2 测试结果分析

现场测试了北京—张家口方向运行的列车运行引起隧道仰坡的垂直振动响应。测区通过的车辆类型、隧道属性及运行速度等如表1所示。

表1 测试列车类型、隧道属性及运行速度

2.1 振动峰值加速度分析

现场分别测试了由北京开往张家口方向的5辆列车，分别是以66.4 km/h通过的货车和65.8 km/h，62.28 km/h，61.3 km/h，69.02 km/h通过的客运车引起测点垂直方向的振动情况，根据现场的测试结果按照下式统计得到各测点的最大峰值振动加速度如表2所示。

amax=max|a(t)|。

根据表2可以看出：同一列火车通过时，仰坡中部的加速度峰值要比仰坡底部的振动加速度峰值相对大一些；不同列车通过时，仰坡的振动加速度峰值随着列车速度的增大而增大。

2.2 振动频域响应测试结果及分析

振动频谱反映了振动频率成分以及振动能量的分布情况。按照下式对时域数据序列进行傅立叶变换[9]，得到不同列车运行引起的地面各测点的频谱如图2～图6所示。

FA(ω)=∫-∞+∞A(t)·e-iωtdt。

其中，A(t)为时域数据序列；FA(ω)为频域的谱函数序列；ω=2πf。

从图2～图6仰坡在不同列车通过时测点的垂直方向振动加速度频谱曲线可以看出：隧道仰坡的频谱曲线的变化与列车的种类有关，在货车通过时，仰坡中部的频谱曲线比在客运车通过时的频谱曲线的幅值略大一些，且出现多个单峰值的现象。仰坡底部的频谱曲线在列车作用下的总体变化趋势相差不多，但是在货车通过时频谱图的振动幅值比客车通过时的幅值相对较小。仰坡底部的频谱曲线主要振动频率分布在0 Hz～35 Hz，相对于仰坡中部而言，振动能量分散的较快。

2.3 振动的1/3倍频程分析

1)1/3倍频程的概念。

为方便起见，在对振动做频谱分析时，将振动的频谱范围分成若干个相连的频率段，称每一个小的频率段为频程或频带。频带的高截止频率和低截止频率分别记为f2和f1，对n倍频程的定义为[10]：

当n=1时，频程称为倍频程；当n=1/3时，频程称为1/3倍频程。各频程通常用其中心频率f0来表示，f0是f2，f1的几何平均值，其关系为：

通过对隧道洞口仰坡的振动进行1/3倍频程分析，可以更加清楚的看到各频带内的振动的变化情况。

2)列车通过隧道洞口时引起测点振动的1/3倍频程分析。

从图7～图11中振动的1/3倍频程分析可知：总体而言，货车通过时的1/3倍频程在仰坡中部的加速度级比客运车通过时此测点的振动加速度级要略大一些，与测点的振动频谱曲线分析的结果基本一致；从货车通过时各测点的1/3倍频程曲线图中可知，仰坡中部的1/3倍频程曲线在中心频率为63Hz和80Hz时相对持平，仰坡底部1/3倍频程曲线变化比较大，在中心频率为20Hz时开始下降。从客运车通过时各测点的1/3倍频程曲线图中分析可知，在不同速度的客运车通过时，仰坡各测点的1/3倍频程曲线的变化趋势相差不多，在仰坡中部，都是从中心频率在80Hz时开始下降，而边坡底部测点的加速度级是在中心频率在25Hz时开始下降，说明振动能量在边坡底部发散的较快，与频域分析基本一致。

3 结语

通过对隧道仰坡的现场测试并对其进行分析，可初步得到以下观点：1)在列车荷载作用下，仰坡各个测点在同一列火车通过时，仰坡中部测点的加速度峰值比仰坡底部测点的振动加速度峰值相对大一些；不同列车通过时，仰坡各测点的振动加速度峰值随着列车速度的增大而增大；2)仰坡在各个测点的振动频域曲线在货车通过时的振动趋势与客运车通过时的振动趋势不同，说明隧道仰坡的动力响应与列车的轴重有关，列车轴重较大的列车引起的振动频率的幅值相对较大；3)对实测仰坡各个测点的数据进行1/3倍频程分析可知货车通过时的1/3倍频程在仰坡中部的加速度级比客运车通过时此测点的振动加速度级要略大一些，与测点的振动频谱曲线分析的结果基本一致，进一步说明隧道仰坡的动力响应与列车的轴重有关。

[1] 胡厚田.崩塌落石研究[J].铁道工程学报,2005(z1):387-391.

[2] 于国新.张集铁路玄武岩崩塌落石特征研究[J].铁道工程学报,2008,25(12):9-13.

[3] 郑黎明.铁路边坡岩体的振动特性和机理[J].岩石力学与工程学报,1994,13(1):69-78.

[4] 张友葩,刘增进,高永涛,等.双动载源下土质边坡的失稳机理[J].岩石力学与工程学报,2003,22(9):36-38.

[5] 李华东,姜永玲,邓 辉.列车振动荷载作用下某岩质边坡应力应变动力响应分析[J].水文地质工程地质，2011,38(3):42-48.

[6] 杨 喆,王家鼎,林杜军.高速铁路黄土路堑边坡变形的动力数值模拟[J].自然灾害学报,2011,20(4):137-141.

[7] 韩坤立,刘 军.高速列车振动荷载下软硬互层边坡动力响应规律[J].地质灾害与环境保护,2013,24(1):109-112.

[8] 吴 冬,高 波,申玉生,等.隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究[J].岩土力学，2014,35(7):1921-1928.

[9] 张光明.高速铁路路基段地面振动响应研究[D].成都：西南交通大学,2014.

[10] 毛东洋,洪宗辉.环境噪声控制工程[M].第2版.北京:高等教育出版社,2010:16-18.

Experimental study on the dynamic response of tunnel entrance slope★

Bi Quanchao Fu Zhixin Wang Xuelei Zhang Mingxiu

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering,Zhangjiakou075000,China)

In this article through the field test, the primary test for different vehicle axle load, the influence of different speed up slope dynamic response of the tunnel, in order to understand different speed and vehicle axle load by the train, cause tunnel dynamic response characteristics of upward slope. Point out the dynamic response of upward slope is related to the speed of the train, the train speed increasing, the tunnel vibration acceleration peak value of upward slope has increased relatively, and the peak acceleration of upward slope in the middle is slightly larger than the back bottom. From the back slope and 1/3 octave spectrum analysis of the measured data analysis, the dynamic response characteristics of upward slope is associated with the axle load of the train.

tunnel, upward slope, dynamic response, field measurement

1009-6825(2017)14-0154-03

2017-02-22

毕全超(1981- )，男，硕士，副教授

U453.1

A

★:河北建筑工程学院研究生创新基金,桥隧过渡段仰坡动力响应及落石灾害防治研究(项目编号：XB 201710)