重载铁路隧道底部围岩损伤机理研究

李自强， 王明年， 于 丽， 许智凡

(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)

目前，重载铁路运输已成为国际公认的铁路货运发展方向，在世界范围内迅速发展[1-2]。重载铁路因具备列车轴重大、总重大、行车密度和运量特大的特点，普遍认为发展重载运输可以有效的提高运输效率、取得良好的经济效益[3-5]。对于处在富水条件下的重载铁路隧道，底部围岩的接触压力和水压力分布都会受到较大的影响。此外，重载列车长期大轴重的碾压振动下，底部围岩较普通铁路隧道会受到更大的动力作用并具备更剧烈的长期效应而更易出现损伤。通过对在役的重载铁路隧道病害调研发现，目前重载铁路隧道的病害是一般铁路隧道的2.5倍，且主要集中在底部结构，如翻浆冒泥、基底下沉、底部围岩脱空等[6-7]。表明重载隧道底部结构和围岩的损伤与重载列车荷载作用密切相关，一旦底部围岩出现损伤，随着时间效应的累积会加速基底结构病害的发生，严重影响到重载铁路的运营安全，因此有必要对重载铁路隧道底部围岩损伤机理进行深入研究。

目前，关于重载列车荷载作用影响已取得了一定研究成果。肖世伟等[8]研究了重载列车动力作用下路基基床的动力响应，提出了增加15 cm道床厚度可以降低约20%由重载列车产生的动应力；晏伟光[9]利用数值模拟得出重载列车作用下，隧道底部结构的动力响应较其他位置更大，疲劳寿命更短，此外隧道基底存在软化或缺陷时会大大降低基底结构的使用寿命。冷伍明等[10]通过大型动三轴试验发现当路基填料含水率增加，其在重载列车作用下动力强度也越低，动力作用越频繁越容易发生破坏。综上所述，可以得出重载铁路隧道底部结构在存在自身缺陷、重载列车作用、地下水丰富的情况下更易破坏，但目前的研究成果大多依靠有限元模拟和室内试验，且对于底部围岩在三者相互影响下的损伤机理研究甚少。本文以瓦日线太行山隧道为工程依托，根据底部围岩表面的接触压力和水压力的现场实测数据，提出二者在重载列车作用下的变化及相互影响规律，结合底部围岩出现的自身缺陷综合分析得出重载铁路隧道底部围岩的损伤机理。

1 太行山隧道现场长期监测方案

1.1 工程概况

瓦日铁路是连接我国东西部的重要煤炭资源运输通道，是我国第一条按照30 t重载铁路标准建设的铁路。太行山隧道为瓦日重载铁路通道中最长的双洞单线重载铁路隧道。左线隧道全长18.125 km(DK578+875～DK597+000)，右线隧道全长18.108 km(DYK578+865～DYK596+973)。隧道采用无砟道床结构型式，在进、出口段设置有曲线，其余地段均为直线。该隧道所在地段均为Ⅲ级围岩，衬砌断面见图1。

太行山隧道重载列车实际轴重为30 t，设计速度为120 km/h，实际通车速度为80 km/h。自2014年12月30日通车，截止目前已通车一年以上[11]。

1.2 监测方案

(1) 测点布设

为了测试基底围岩水压力和接触压力在重载列车荷载长期作用下的分布形式和变化规律，在底部围岩表面的拱脚、侧沟底部、轨道正下方、线路中心对称布设测点，埋设点见图2。传感器埋设断面所处地质条件为Ⅲ级围岩，埋深981 m。

在太行山隧道长期监测过程中，围岩表面土压计(WT-1～WT-7)量程选用2 MPa，水压计(WS-1～WS-7)量程选用700 kPa，采集频率为100 Hz，即采样时间间隔为0.01 s。

(2) 测试传感器

鉴于太行山隧道水文地质条件较为复杂，选择测试传感器时需要满足抗干扰性强、长期耐久性、测试数据稳定等要求[12]；因此本次长期监测选用光纤光栅水、土压力传感器见图3。

2 现场长期监测结果分析

因为太行山测点是对称分布，且接触压力和水压力的长期变化中显现出来的规律为左侧较右侧变化更为明显，因此为了使图表述清晰，仅列举基底围岩单侧(左侧)测点的长期变化曲线见图4。

由图4可知，隧道基底围岩表面的接触压力和水压力随时间不断增加，其中拱底和左侧沟底部的接触压力长期增长最为明显，且由前期的平缓增长转变为后期(180 d以后)的变化幅度较大，表明此时基底围岩的条件发生了某些改变影响了接触压力的长期效应。左轨下方水压力在重载列车荷载作用下长期增长最为明显，表明地下水加剧了对该位置围岩的冲刷作用，为探究这种变化对基底围岩的影响，因此分阶段对基底围岩的接触压力和水压力进行分析。

2.1 基底围岩接触压力长期变化

将基底围岩表面接触压力值长期变化规律分为四个特征阶段(通车前、通车一个月、通车半年和通车一年)，见表1。

由表1可知，在太行山隧道投入使用以前，基底围岩表面各测点的接触压力分布较为均匀，其中左轨下方接触压力相对最大为51.419 kPa。其次为右侧沟底部为48.901 kPa。对于单线铁路隧道，理论上基底接触压力的横向分布应该是对称的，但是由于现场施工方法的影响和地质条件的特殊性，会造成仰拱结构和底部围岩并非完全密实贴合而使接触压力横向分布有所偏重。

表1 太行山隧道基底围岩接触压力 kPa

通车一个月后，底部围岩各测点接触压力持续增加，左幅的接触压力基本大于右幅的；对于横向分布规律，左轨位置的接触压力仍最大为61.445 kPa。表明在接触压力较大的位置即仰拱结构与底部围岩之间可能存在损伤，同时在重载列车大轴重的影响下，这种损伤受到反复碾压而加剧形成局部脱空。

通车半年后，围岩表面左侧沟底部位置的接触压力增长到最大为89.129 kPa。左轨测点相邻位置(左侧沟底部和拱底)的接触压力增幅分别为195.9%和100.5%。表明重载列车长时间大轴重碾压下，底部围岩轨道测点邻近位置长期效应也会加剧。

通车一年后，左侧沟底部测点的接触压力增长最大，由30.118 kPa增加到142.505 kPa；拱底测点由36.410 kPa增长到137.812 kPa。底部围岩表面各位置的接触压力在通车以后长期效应均不相同，具体表现为左幅的底部围岩表面接触压力一年内的增量明显于右幅，左幅受力高于右幅而极易造成基底结构失稳。

2.2 基底围岩水压力长期变化

2.1节显示了太行山隧道基底围岩表面的接触压力横向分布并不对称，为深入研究造成左幅接触压力普遍大于右幅的原因，对基底围岩的土压力测点对应的水压力变化进行分析，将对应四个阶段(通车前、通车一个月、通车半年和通车一年)的动水压力见表2。

表2 太行山隧道基底围岩水压力 kPa

由表2可知，在太行山隧道运营前，左轨下方动水压力较大为111.765 kPa，造成该测点水压力较大的主要原因是由于在施工过程中，基底围岩在隧道仰拱开挖后存在虚碴，清底不彻底则会使该位置出现较大的空隙，加重了地下积水从而引起了较高的动水压力。比较通车前底部围岩接触压力发现，左轨下方接触压力也相对较大，表明底部围岩的空隙形成的脱空会增加损伤位置的接触压力和水压力。

通车一个月后，各测点水压力均增加。其中左轨下方因存在局部脱空而使该位置的水压力最大，为184.804 kPa。拱底位置水压力增幅最大为143.2%。

通车半年后，重载列车长期作用下，轨道下方的围岩损伤加剧，脱空发育，横向分布上该位置的水压力最大为239.804 kPa。

通车一年后，左轨测点水压力由111.765 kPa增加到250.931 kPa，其相邻测点即左侧沟底部和拱底位置的动水压力也不断增加，增长幅度最大的为拱底测点，由38.528 kPa增加到132.294 kPa，增长243.4%。左幅围岩表面动水压力增量整体大于右幅，造成这种现象的原因主要是由于重载列车的长时间大轴重碾压，左轨下方地下积水在重载列车荷载作用下对基底围岩不断进行冲刷，松散的岩石颗粒被地下水带走从而使该位置的缺陷逐渐向两侧(相邻位置)发展，时间越长，基底围岩越易出现由缺陷引起的局部脱空。

在底部围岩出现脱空以后，随着脱空程度的发展，拱底测点水压力增长幅度最大，这表明随着基底围岩空隙的发育和扩展，地下水积累加剧，鉴于水向地势较低的地方流动，因此对于单线铁路隧道，这种现象在底部围岩拱底位置最为明显。

2.3 基底围岩接触压力与水压力相互关系

将基底围岩表面动水压力和接触压力在四个阶段(通车前、通车一个月、通车半年和通车一年)下的相互关系见图5。

对比图5动水压力和接触压力的关系图可知：(1) 通车前底部围岩表面接触压力分布较为平均，左右幅基本对称，左轨位置因施工存在虚碴而出现局部脱空导致该位置的接触压力和水压力较其他测点更大；(2) 通车一个月后底部围岩左轨损伤位置的动水压力不断增加，同时引起相邻测点动水压力的增加，这种现象说明：因底部围岩的损伤而出现的局部脱空在地下水较为丰富的条件下，会加剧其冲刷作用使相邻测点的围岩变得不稳定，这种影响反复进行，对底部围岩较为不利；(3) 在损伤位置高水压力影响下，基底围岩的接触压力分布变得不均匀，增长率较高水压力测点会引起相邻测点接触压力的增加，如左轨测点动水压力长期作用下，左侧沟底部和拱底位置的接触压力增长较快，单线铁路隧道左幅接触压力整体大于右幅，底部围岩损伤加剧引起脱空发育，不利于仰拱结构受力，极易发生病害；(4) 根据动水压力和接触压力的长期效应变化规律，可将底部围岩的损伤简化为三个阶段：贴合密实(贴合较密实)、局部脱空和脱空贯通[13]。

3 数值模拟

第2节主要针对太行山隧道底部围岩接触压力和水压力的实测数据验证了底部围岩脱空的客观性，同时将单线重载铁路隧道底部围岩的损伤简化为三个阶段。本节利用FLAC3D中渗流模块进行与围岩-结构应力场的流固耦合分析。

青海省委、省政府积极贯彻落实党的十八大精神，立足青海独特的生态地位，适时提出生态文明先行区建设。作为生态文明建设的主力军，青海省各级水保部门紧紧抓住水利部开展水土保持国策宣传教育行动的大好机遇，以提高全民水土保持意识、促进生态文明建设为目标，按照水利部的统一部署和厅党组的统一安排，及时调整宣传思路，制定宣传工作计划，将其纳入重要议事日程，列入年度目标管理考核体系，并落实了宣传责任。由于组织领导到位、工作落实到位、经费保障到位，宣传工作取得了显著效果。

3.1 有限元参数

(1) 模型尺寸

模型左右边界至隧道结构断面的距离各取3倍洞径，则模型横向长度约为46 m；模型上边界至隧道顶面取15 m；模型下边界至基底取3倍洞高为24 m；模型的纵向长度取为1个重载列车车辆的定距，则取11 m[14]；由此建立的模型尺寸为46 m×48 m×11 m。隧道埋深980 m，通过等效重力场实现模拟。在仰拱结构与底部围岩之间设置接触单元和监测点。建立的有限元模型及监测点具体位置见图6。

(2) 模型参数

按照TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》[15]，并根据现场原位直剪试验确定了围岩各项物理参数，结合太行山隧道设计资料，各结构物理参数见表3。

表3 结构的主要物理力学参数

围岩和混凝土力学模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，隧道混凝土结构视为不透水结构[16]。两侧和上边界视作透水边界，底部边界视作不透水边界[17]，初始水头高度按照通车前隧道底部实测水压力111.765 kPa进行反算所得的11.18 m且在计算过程中保持水位线不变。

(3) 列车荷载

重载列车荷载按照太行山隧道通车资料按照轴重30 t进行设定，如图7将其简化为等效荷载按照速度为80 km/h施加冲击荷载在道床表面轨道位置[14,18]。

(4) 计算工况

数值模拟底部围岩损伤机理的工况主要按照上述讨论的简化后的三个阶段(贴合密实、局部脱空和脱空贯通)即三种工况见表4、图8。

表4 底部围岩损伤计算工况

3.2 贴合密实计算结果

提取底部围岩不同监测点对应的接触压力和水压力见表5。

由表5可知，贴合密实下底部围岩接触压力横向分布较为均匀，除拱底测点外，数值模拟和实测数据分析结果较为接近。有限元计算轨道位置的接触压力最大为50.028 kPa。实测数据中为左轨位置的接触压力最大为51.419 kPa，右幅实测与有限元计算结果相差较大，这是由于在实际情况中，仰拱结构的施工与设计图纸存在不可避免的差异，同时综合人员安装传感器时存在误差，同时地质条件绝非完全理想状态，因此两者会存在差异。

表5 工况一底部围岩不同监测点实测与数值模拟计算结果对比 kPa

对于贴合密实下底部围岩水压力，有限元计算结果极值为100.891 kPa，实测为111.765 kPa，均出现在线路轨道位置，同时随着底面高度的增加而逐渐减小。水压力和接触压力的极值位置一致，表明重载列车的荷载作用会增加线路轨道位置水压力和接触压力的量值。

3.3 局部脱空计算结果

在太行山隧道投入运营后，随着重载列车长时间荷载作用左轨下方和右侧沟底部出现相应的脱空，围岩局部脱空下底部围岩的接触压力和水压力分布云图，见图10。

提取局部脱空下底部围岩不同监测点对应的接触压力和水压力见表6。

表6 工况二底部围岩不同监测点实测与数值模拟计算结果对比 kPa

由表6可知，随着基底围岩出现局部脱空，各测点的接触压力较工况一明显增加，其中脱空位置附近接触压力增长程度最大。由图10(a)可知，随着基底围岩脱空的产生，相邻位置的接触压力开始集中，脱空一定程度上提升了附近测点的接触压力。

对比局部脱空状态下接触压力的实测数据和数值模拟结果可以看出，接触压力极大值主要集中在左轨至右轨位置，实测数据中左轨测点接触压力最大为84.887 kPa；数值模拟中拱底测点接触压力最大为85.022 kPa；两者量值较为接近，但是实测数据表明接触压力集中现象更为明显，表明水压力对于底部围岩测点接触压力的影响不可忽视。结合图10(a)接触压力分布云图，可以提取相应等值线得出左轨下方接触压力最接近实测值的位置距离局部脱空边缘约0.63 m，拱底距离约0.41 m，说明太行山隧道通车半年后左轨位置接触压力增大是由于距离左轨测点和拱底测点约0.63、0.41 m的位置出现了基底的不密实接触。

对比局部脱空状态下水压力的实测数据和数值模拟结果可以看出，底部围岩的脱空会极大的增加相应位置的水压力，同时使得左右两侧的水压力分布不均匀。两者计算结果均为左轨测点水压力最大，实测为239.804 kPa；数值模拟为187.824 kPa，表明底部围岩的实际脱空情况比有限元模拟更明显。

根据实测和数值模拟两者相比可以得出：对于底部围岩存在局部脱空情况下，重载列车的荷载作用会引起脱空相邻位置接触压力和水压力的增大，使接触压力和水压力在脱空较大的位置处集中，引起基底结构左右失稳。

3.4 脱空贯通计算结果

在太行山隧道运营一年后，左轨下方的脱空在时间和重载列车共同作用下不断发育，同时在地下水不断的冲刷下，开始影响到其他测点从而形成脱空贯通，围岩脱空贯通下底部围岩的接触压力和水压力分布云图，见图11。

提取底部围岩脱空贯通状态下不同监测点对应的接触压力和水压力见表7。

由表7可知，当底部围岩脱空贯通时，各测点的接触压力大幅度增加，有限元计算结果显示脱空部分的左幅接触压力整体大于右幅相应测点，最大值仍位于拱底测点为142.410 kPa，其次在左轨下方为133.024 kPa。根据图11(a)可以看出，随着脱空发展，其影响范围也不断增大，提取接触压力等值线后发现左轨下方接触压力最接近实测值的位置距离脱空边缘约0.46 m，拱底位置距离约0.28 m相较于局部脱空时距离缩小，预测实际情况中重载铁路隧道运营一年后底部脱空空间尺寸约扩大了0.23 m和0.13 m。

表7 工况三底部围岩不同监测点实测与数值模拟接触压力对比 kPa

有限元计算结果显示底部围岩脱空贯通后，水压力在重载列车作用下量值同样急剧增加，其中左轨位置的水压力极值最大为224.258 kPa，实测数据为250.931 kPa，两者极值位置相同。左幅水压力整体大于右幅。

对比脱空贯通状态下基底围岩接触压力和水压力的实测数据和数值模拟结果说明，随着左幅底部围岩脱空的发展，其接触压力和水压力集中现象加剧，整体大于右幅。脱空半副的实测和有限元模拟数值大体接近，表明底部围岩脱空确实存在且会引起相应的应力集中。其中，右拱脚的实测接触压力远小于有限元计算结果，表明在实际中基底结构左幅失稳的现象更加严重，左幅水压力会对底部围岩接触压力形成较大的影响。

4 讨论

将太行山隧道底部围岩损伤过程的有限元模拟和实测数据的比对后，发现底部围岩表面的地下水会在时间和重载列车综合作用下会带走原本松散的岩石颗粒，见图12。

随着地下水的这种冲刷作用的进行，基底围岩会受到影响而出现脱空引起附近位置接触压力的增大而导致基底结构存在失稳的可能。实测数据和有限元模拟证明了这一观点的客观性，同时预测的脱空发展规律也基本类似。因此可以将底部围岩损伤机理简化为三个阶段：

第一阶段(贴合密实见图13)：在该阶段为隧道修筑完毕后，正式通车以前，隧道仰拱结构和底部围岩贴合较为密实，因施工或地质条件等因素存在部分虚碴而出现部分空隙。此时接触压力的分布较为均匀，水压力在空隙位置较大。

第二阶段(底部围岩局部脱空见图14)：在该阶段，随着时间推移，空隙位置的地下水在重载列车荷载作用下不断冲刷底部围岩从而形成一定程度的脱空并随时间发育，底部围岩条件开始改变；此外，鉴于重载列车轴重较大的特点，在轨道下方极易形成新的脱空，相邻位置的水压力和接触压力均受到脱空影响而量值变大。

第三阶段(脱空贯通阶段见图15)：在该阶段，仰拱结构和底部围岩的不完全接触持续发展，同时底部围岩脱空出现贯通，极大的影响了底部围岩接触压力的分布，使隧道基底结构接触压力分布不平衡而极易形成相应的病害。

5 结论

(1) 根据瓦日重载线路中太行山隧道底部围岩长期一年多的接触压力和水压力实测数据，研究发现：在重载列车长期大轴重碾压条件下，底部围岩表面的接触压力和水压力不断增加；同时左幅两项物理量的增量均明显于右幅。

(2) 根据底部围岩表面接触压力和水压力左右幅长期效应存在差异的现象，利用FLAC3D流固耦合模拟了底部围岩接触压力和水压力在重载列车作用下的相互影响，验证了底部围岩在施工完毕后难以避免会出现损伤的客观性。此外，证实了底部围岩在重载列车作用下除原有的局部还会形成新的脱空引起相应位置地下水累积，最后形成较高的动水压力使相邻位置的接触压力和水压力长期效应加剧。

(3) 将底部围岩损伤的发展过程简化为三个阶段：①贴合密实阶段：隧道在修筑完毕后，因为施工方式局限性或地质条件的变化使得底部围岩存在局部缺陷，对结构影响较小。②局部脱空阶段：底部围岩原有的损伤程度加剧，轨道下方极易形成新的损伤。③脱空贯通阶段：底部围岩损伤持续增加，脱空贯通影响基底结构稳定性。

(4) 揭示了重载铁路隧道底部围岩的损伤机理，解释了底部围岩在泵吸作用下围岩渐进劣化的过程：底部围岩在隧道施工完毕后存在缺陷-地下水累积形成高水压力-重载列车大轴重、大运量条件下使地下水不断冲刷脱空处围岩-围岩颗粒随地下水流失-脱空发育贯通引起围岩损伤加剧。

(5) 底部围岩空隙水压力的大小和冲刷作用的强弱取决于重载列车的轴重大小，在大轴重影响下泵吸作用尤为明显，仰拱结构也极易出现细小裂缝，也为地下水渗入基底结构造成基底翻浆冒泥提供了条件。因此重载列车长时间的大轴重碾压是底部围岩损害的主要原因。