双线重载铁路隧道基底结构受力特性现场激振试验研究

李自强， 王明年， 于 丽， 徐湉源， 吴圣智， 赵银亭

(1. 重庆科技学院 建筑工程学院， 重庆 401331;2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

随着铁路货运需求的增大，目前重载铁路已成为各国主要发展对象[1]。鉴于重载铁路轴重大、总重大、行车密度和运量特大等特点，重载铁路隧道较普通铁路隧道会受到较大的列车荷载作用，因此基底结构有更高的承载力要求[2]。通常情况下双线重载铁路隧道一般设计为货运重载线路和客运普通线路分开使用，重载列车荷载会增加货运线路的列车荷载附加值，引起基底结构受力不平衡从而出现失稳，引发相应病害严重影响行车安全[3-5]。研究双线重载铁路隧道基底结构在不同轴重列车作用下的受力特性，对其设计参数的选取具有积极意义。

目前国内外针对重载列车荷载作用已经取得了一定研究成果。杨新文[6]利用轮对轴向切片投影法研究了重载铁路轮轨标准型面30 t列车作用下的轮轨法向接触应力并得出其与摇头角和侧滚角的关系；吕文强[7]根据不同荷载模式下重载铁路路基的荷载特征，基于地基系数K30提出了基床结构的设计方法；尹成斐[8]分析了双线重载铁路隧道中填充层结构的动力响应，证实重载列车荷载作用主要集中在基底结构，上部结构受到的影响较小。时瑾[9]以重载列车引起的加速度、位移、轮轨作用力和脱轨系数为评判标准，分析了重载铁路桥上曲线半径设置值。上述研究多通过有限元分析或室内试验对重载铁路桥梁和路基进行分析。因为隧道地质条件较为复杂，隧道内进行现场试验存在较大难度，对隧道基底结构在重载列车荷载作用下的受力特性研究存在很大的局限性。本文通过张唐线付营子隧道Ⅴ级围岩监测断面大型现场激振试验，模拟了25、27、30 t的3种轴重荷载作用，分析了双线重载铁路隧道基底结构各结构面上的静压力和列车荷载附加值。根据道床至围岩表面的动压力附加值分布及传递规律，拟合得出了列车荷载作用下动压力附加值的竖向衰减方程。

1 试验设计

1.1 工程概况

张唐铁路是目前我国已建成的第三条能源大通道，以货运为主。付营子重载铁路隧道起讫里程为DK291+037～DK301+060长10 023 m，为最长的隧道之一，最大埋深约502.6 m。隧道采用单洞双线的断面型式，左线为货运重载线路，右线为客运线路。其Ⅴ围岩设计衬砌断面见图1。

根据付营子隧道TSP地质超前预报显示：DK294+165～DK294+310段岩性为流纹质凝灰岩、正长斑岩，呈碎块结构，围岩级别推断为Ⅴ级。结合参考文献[10]，Ⅴ级围岩及结构参数见表1。

表1 付营子隧道DK294+285试验断面结构参数

结构混凝土标号弹性模量/GPa泊松比重度/(kN·m-3)围岩-2.00.2420.3初期支护C2528.00.1623.0二次衬砌C3031.00.2023.0仰拱填充C2028.50.2023.0仰拱C3031.00.2023.0道床C4033.50.2025.0

1.2 试验工况

本次现场激振试验采用DTS-1型现场动力试验系统。改试验系统的原理是通过不同配重块和频率的组合模拟输出高幅变化的激振力[11-12]。考虑到付营子隧道的通车模式，激振试验作用位置选在左线路即重载线路道床结构混凝土轨枕表面，见图2。

为模拟轴重25、27、30 t的重载列车作用，根据激振设备自身的特点选取了14、9、11 Hz激振频率，配合相应的配重块组合。主要试验参数见表2。

表2 付营子隧道Ⅴ级围岩试验断面工况

1.3 传感器布设

本次试验所采用测试元件除需要满足静态长期采集外，还需要满足实时动力监测，因此选用光纤光栅传感器在基底结构道床表面、填充层表面、仰拱表面和围岩表明各结构层分层进行测点埋设，埋设点见图3。

对于隧道结构而言，超静定结构会受到荷载长期效应更为明显，考虑到在激振试验完毕后，基底结构各测点需满足长期监测，因此道床表面土压力计(DT-1～DT-3)量程为10 MPa，仰拱填充层表面土压力计(DT-4～DT-7)量程为5 MPa，仰拱表面土压力计(GT-1～GT-7)和围岩表面土压力计(WT-1～WT-8)均为2 MPa，考虑到列车通过时的振动特性，采集频率为100 Hz即时间间隔为0.01 s。

2 静荷载压力

付营子隧道K294+285监测断面自2014年9月12日开始进行基底结构各测点的安装，于2015年4月22日结束，基底结构各结构层接触压力最终静力量值见表3。

表3 基底结构静荷载压力值 kPa

由表3可知，激振试验开始前，基底结构各结构层的静压力分布基本上呈现由上至下逐渐减小。对于道床表面而言，静压力最大值出现在左线路右轨，为400.400 kPa。静压力传递到填充表面时，左线路中心静压力最大，为270.000 kPa。

当静压力传递到仰拱结构表面时可以看出，左线路位置的静压力相对较大，其中左线路中心为181.571 kPa，随着横向距离的增加，静压力向两侧减小。仰拱表面静压力分布并不对称，这是由于隧道所处的地质环境较为复杂，受到环境的影响较大，同时仰拱施工质量存在人为差异，使其表面受力并不对称。

从围岩表面静压力横向分布规律可以看出，静压力最大值出现在围岩表面右拱脚，量值为157.702 kPa；静力荷载在左右两幅分布仍不对称，荷载值具有一定的不均匀性，这是由于Ⅴ级围岩性状较为破碎，底部土体分布并不均匀，因此会在一定程度上造成基底围岩的偏压受力，同时也会影响到仰拱表面的静压力分布。

3 激振试验结果分析

付营子隧道DK294+285试验断面自2015年6月4日开始试验，根据不同激振频率及配重组合共模拟3种工况下基底结构的动力响应。因为篇幅限制，以27 t轴重为例，仅列举部分测点列车作用下的典型动压力附加值时程曲线，具体分析如下。

3.1 道床动压力

道床左线路动压力附加值时程曲线，见图4。

激振试验动力影响下，25～30 t的重载列车作用下的道床结构动压力响应表现为类似规律性。对于道床表面的动压力附加值，轨道位置(DT-2)因直接受到激振作用而使动力响应最为剧烈；当列车荷载传递到道床底面时，动力响应逐渐衰弱，其中线路中心(DT-5)动压力变化相对较大。

时域分析可以看出，列车荷载引起动压力附加值变化的幅值和其时间历程[13～15]。对于重载列车的动力作用，荷载的频域分析能够掌握荷载的频谱幅值分布特征，以道床表面轨道测点的动压力附加值为例，将其40 s内时域信号通过快速傅里叶变换得到相应的3种轴重下的幅值频谱图，见图5。

由图5可知，25～30 t 3种模拟轴重下，动压力的频域特征基本相同。在0～50 Hz频域范围内，30 t轴重下频域幅值的峰值分别在0.9 Hz和7.4 Hz附近，27 t轴重下频域幅值的峰值分别在0.7 Hz和7.4 Hz附近，25 t轴重下频域幅值的峰值分别在1.9 Hz和7.4 Hz附近。可以看出，重载列车引起的动荷载低阶频率在0～2.5 Hz范围内比较集中，表明重载列车对道床结构的荷载作用属于低频作用。

提取各工况下道床结构各测点动压力附加值幅值，并与相应测点的静压力进行比较，见表4。

表4 各工况下道床各测点动压力附加值幅值

由表4可知，激振试验影响下道床表面动压力附加值幅值大于道床底面，此外，重载线路动力响应剧烈于客运线路。对于道床表面列车荷载附加值幅值而言，重载线路轨道位置最大，30 t轴重下降到27 t时，幅值衰减26.00%；27 t下降到25 t时，幅值衰减13.58%。道床底面重载线路中心位置的动压力附加值最大，30 t轴重下降到27 t时，幅值衰减34.54%；27 t下降到25 t时，幅值衰减19.69%。

道床表面和底面不同模拟轴重下的动静力荷载比值最大值均出现在重载线路中心位置，其次为轨道位置。30 t轴重下，道床表面线路中心动静荷载最大比值为0.591，底面为0.409；27 t轴重时表面最大值为0.391，底面为0.268，25 t轴重时表面最大值为0.270，底面为0.215。

综合道床表面和底面的动压力附加值和动静荷载比值的试验结果可以得出：重载列车轴重增加，引起的轨道位置的动压力附加值增长幅度更大，此外会加大线路中心位置的应力叠加现象。

3.2 仰拱表面动压力

仰拱表面各测点动压力附加值幅值和动静荷载比值见，表5。

由表5可知，激振力作用下仰拱表面左幅动压力附加值幅值均大于右幅。3种轴重下其横向分布规律均为重载线路轨道下方动压力附加值幅值最大并逐渐向两侧减弱。30 t轴重下降到27 t时，幅值衰减28.70%；27 t下降到25 t时，幅值衰减27.16%。

表5 各工况下仰拱表面各测点动压力附加值幅值

3种轴重作用下，仰拱结构表面各测点动静荷载比值最大值均为重载线路轨道下方。30 t轴重下，该点动静荷载最大比值为0.388；27 t轴重时最大值为0.277；25 t轴重时最大值为0.221。

综合仰拱表面的动压力附加值和动静荷载比值的试验结果可以得出：重载列车对仰拱结构的荷载作用主要集中在重载线路轨道位置。27 t轴重增加到30 t轴重时，引起的列车荷载附加值增长幅度较25 t增加到27 t时更大，表明对于双线铁路隧道，轴重增加到27 t以上后会加剧仰拱表面的偏压受力。

重载列车荷载作用下，重载线路仰拱表面轨道位置的动力响应最为剧烈，鉴于3种模拟轴重条件下其时域和频域的分布特征基本相同，仅存在幅值的差异，因此此处仅对该测点在27 t轴重下的时域和频域进行分析，见图6。

由图6可知，仰拱表面左线路轨道位置的动压力附加值时程曲线表现出较强的周期性，其动力响应程度较道床结构已由明显的衰减。

对于27 t轴重列车作用下，该位置频域幅值出现2个明显峰值分别位于1.53 Hz和3.08 Hz。重载列车引起的动荷载低阶频率主要集中在0～5 Hz范围内，说明重载列车荷载传递到仰拱表面时仍主要呈低频作用。

3.3 围岩表面动压力

围岩表面各测点动压力附加值幅值和动静荷载比值，见表6。

表6 各工况下围岩表面各测点动压力附加值幅值

由表6可知，围岩表面重载线路轨道位置测点的动压力附加值最大，30 t轴重时为20.150 kPa，轴重下降到27 t时为14.605 kPa衰减27.52%，27 t轴重下降到25 t时动压力附加值为12.684 kPa衰减13.15%。基底围岩表面动静压力比值显示：25～30 t轴重作用下，其最大值均出现在重载线路轨道测点附近。30 t轴重下，该点动静荷载最大比值为0.242，相邻测点分别为0.111和0.128；27 t轴重时最大值为0.175，相邻测点分别为0.079和0.086；25 t轴重时最大值为0.152，相邻测点分别为0.098和0.117，表明轴重下降到25 t时，列车附加荷载均布到相邻测点使围岩表面受力开始均匀。

综合围岩表面的动压力附加值和动静荷载比值的试验结果可以得出：轴重降低，围岩表面的动压力附加值分布趋向均匀；轴重提升，列车荷载对轨道测点及相邻位置的荷载作用越大，在一定程度上加大该范围内的应力集中使基底围岩稳定性受到影响。对基底围岩表面重载线路轨道测点在27 t轴重下的时域和频域进行分析，结果见图7。

由图7可见，围岩表面重载线路轨道位置的动压力附加值时程曲线显示：与基底结构上层其它测点相比，其动力附加值已经出现明显的减小，但波峰和波谷的差值达到12.205 kPa，表明动力响应剧烈程度增加，造成这种现象的原因，可能是虽然重载列车荷载传递到围岩表面时已经出现了较大程度的衰减，使得附加动荷载大大降低，但是相对于基底结构混凝土结构层之间的测点，因为仰拱与围岩结构性状、物理参数差异较大而使得围岩表面的动力变化更为明显。

对于27 t轴重列车作用下，围岩表面轨道位置频域幅值出现2个明显峰值，分别位于1.55 Hz和3.08 Hz。该测点频域幅值分布特征与仰拱表面基本一致，主要集中在0～5 Hz低阶频率范围内，说明重载列车荷载传递到围岩表面时仍表现为低频作用。

3.4 动压力竖向衰减规律

3.4.1 特征检测线动压力附加值竖向传播规律

重载线路中心、重载线路右轨道、客运线路右轨道3条竖向监测线上各结构层表面动压力附加值幅值，见图8。

由图8可知，3种轴重模拟工况下，重载列车引起的动压力荷载附加值在特征监测线上的竖向衰减规律较为接近，均表现为随着基底结构深度的增加，列车荷载作用不断减小。对于双线重载列车铁路隧道，单幅线路通过重载列车仍会引起另一幅线路的动力附加值，但其量值远小于列车荷载直接作用部位。

对于重载线路，其轨道竖向监测线上各结构表面相应测点的动力响应剧烈于其它位置，同时衰减程度也最大。说明仰拱填充结构能够很好的发挥对重载列车荷载的缓冲作用，适当加大仰拱填充厚度理论上能够衰减列车的荷载作用。

3.4.2 动压力附加值竖向传播公式推导

根据试验可知，对于直接受到重载列车荷载作用的重载线路中心、重载线路右轨道位置和间接受到影响的右线路右轨道位置的动压力竖向传播规律相似性较大，因此将不同轴重下3条特征检测线上的动压力附加值与竖向深度进行拟合，得出各工况下不同竖向深度上的动压力附加值变化规律，见表7。

表7 不同轴重下特征检测线动压力附加值衰减模型

注：h为竖向深度，m；y为动压力附加值，kPa。

由表7可以得出，不同轴重下3条特征监测线的动压力附加值竖向传递公式基本形式均为三次多项式(y=ax3+bx2+cx+d)，根据模型公式可以得出不同竖向深度位置上结构表面的动压力附加值。以重载线路中心为例，设定多项式中系数分别为a、b、c、d，与3种轴重进行拟合，见表8。

表8 重载线路中心轴重与模型公式系数关系

注：a、b、c、d分别为模型公式的各项系数；t代表轴重，t。

结合表7和表8，对3条特征监测线(重载线路中心，重载线路右轨道，客运线路右轨道)进行整合，即得出破碎围岩条件下双线铁路隧道不同轴重下列车作用力的衰减方程，见表9。

对于破碎围岩，双线铁路隧道重载列车作用的线路可以按照表9中的衰减方程求出不同竖向深度上的动压力，对重载铁路隧道结构设计和基底结构病害的预防具有一定借鉴意义。

表9 特征监测线动压力附加值衰减方程

注：h为竖向深度，m；t为轴重，t；y为动压力附加值，kPa。

4 结论

本文针对Ⅴ级围岩条件下双线重载铁路隧道基底结构在25、27、30 t轴重工况下的受力特征进行分析，选取基底结构不同结构表面上的接触压力测点，开展了静力荷载、动力附加值横向及竖向分布规律的研究，讨论了重载线路轨道竖向位置上动力附加值的时域和频域特性，获得了3条检测线上的动力衰减方程，得出如下结论：

(1) 双线铁路隧道在基底结构静压力的分布主要受到施工工艺和围岩条件的影响。Ⅴ级围岩条件较差，岩体性状破碎，岩石颗粒分布不均使其表面的静压力荷载由隧道中心向左右拱脚增大，同时影响到仰拱表面的静压力荷载分布。

(2) 双线重载铁路隧道，因左右线路分开使用，付营子隧道左线路在重载列车大轴重荷载作用下，该侧的动压力附加值和动静荷载比值均明显大于客运线路而导致偏压现象，长期作用下基底结构存在失稳破坏的可能。

(3) 25、27、30 t轴重下重载线路轨道竖向位置上的动压力附加值和动静荷载比值相对较大，表明重载列车的动力作用主要集中在该位置。时域分析显示：虽然动力附加值随深度增加而减小，但传递到围岩表面时因为结构差异性，量值变化比仰拱表面更剧烈，列车荷载长期反复作用易使围岩出现空洞。频域分析显示：列车荷载在底部各层结构表面上的频域幅值主要集中在0～5 Hz，重载列车对基底结构的动力作用属于低频作用。

(4) 重载列车荷载作用下，列车荷载的竖向衰减主要经历两个阶段，首先经过道床结构和仰拱填充的缓冲出现较大程度的衰减，然后在仰拱结构内部传递过程中经过缓慢衰减到达围岩表面。不同轴重下，线路中心，列车作用轨道和未直接受列车作用的轨道下方动压力随深度衰减方程形式一致，均为三次多项式y=ax3+bx2+cx+d。将各系数与轴重进行拟合即得出了Ⅴ级条件下，双线铁路隧道线路中心，轨道下方动压力与竖向深度和轴重的关系。