高铁隧道穿越巨型溶洞超厚回填体沉降模型试验研究

王 军，李 鑫，郭毕钧，丁光亚，刘同江，孙亚飞，于明洋

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.中铁十四局集团有限公司 博士后工作站，山东 济南 250101；3.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101；4.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035；5.中铁十四局集团建筑工程有限公司 黔张常项目部，山东 济南 250101）

随着高铁建设规模的不断扩大，穿越岩溶区的高铁隧道工程逐渐增加，越来越多的大（巨）型溶洞被揭露。隧道穿越大（巨）型溶洞时，采用回填处置方案，具有施工简单、成本经济的优势；但当隧道高位穿越大（巨）型溶洞时，隧道下部空腔大，回填处置将产生超厚回填体，回填体沉降周期长，隧道运营后列车动荷载也容易造成扰动附加沉降，扰动沉降机理复杂，沉降控制困难［1-4］。

高铁路基回填体沉降问题备受国内外学者关注。王威等［5］建立了基于Burgers 模型预测铁路路基长期沉降变形的方程，反映出在填料堆载及列车荷载作用下，路基土沉降量随时间的变化呈先快后慢，最终趋于稳定的增长规律。王敏等［6］将静载作用沉降与实测运营沉降的差值作为动载作用下的沉降测试值，分析了路基由动载引起的沉降特性。CHEN 等［7］在考虑时间效应的UH 模型基础上，利用有限元简化模型进行计算分析，结果表明随着时间推移，高铁路基蠕变沉降增长率越来越慢，蠕变沉降曲线呈逐渐变平的趋势。SHAER等［8］建立了有砟轨道模型，设计了几何相似比1∶3 的M 波加载模型试验，得出了轨枕振动加速度与路基沉降量的相关函数。ISHIKAWA 等［9］开展了几何相似比为1∶5 的有砟轨道缩尺模型，发现移动加载条件下路基道床沉降量远大于单点加载条件下的沉降量。赵莹等［10］通过室内足尺模型试验，分析了振动40 万次的基床累积变形规律，表明铁路路基的累积变形随循环加载次数增加而变大。徐进［11］建立了1∶1 轨道-路基动力学模型试验系统，可模拟不同车型、不同车速的列车对高铁路基动力响应及累积变形的影响。边学成等［12］建立了1∶1比例尺的板式无砟轨道路基试验模型，基于该模型可研究多种条件下的路基长期变形演化规律、振动传递及衰减规律等。杨兵明等［13］通过土的动三轴试验研究，发现地铁列车循环荷载的大小及频率对淤泥质软黏土地区隧道下卧土层的长期沉降有较明显的影响。宗军良［14］等通过沪宁线提速路基的现场动态试验发现：随道床厚度的增加，路基竖向动应力显著减小。以上研究为本文试验提供了良好的指导借鉴。

目前有关高铁路基回填体运营期长期动力沉降的研究多是针对软土且多采用半经验公式的算法，虽有少数人进行了模型试验研究，但多未分析振动影响。对于涉及超厚回填体长期动力沉降的相关研究，尤其是在巨型溶洞内通过回填处置形成的接近百米厚回填体，在列车动荷载影响下的扰动沉降研究还比较少，列车动荷载作用下超厚回填体的扰动沉降能否满足运营期要求还有待论证。

本文依托渝厦高铁黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞处置工程，按照几何相似比1∶5 设计了基于时序加载方式的列车动荷载作用下超厚回填体沉降相似模型试验，分析在运营期列车动荷载作用下超厚回填体的沉降发展规律，详细分析了不同厚度钢筋混凝土路基板的隔振作用、回填体扰动沉降和动土压力等，可为类似铁路隧道高位穿越大（巨）型溶洞的回填处置提供借鉴和指导。

1 工程概况

1.1 巨型溶洞概况

高山隧道为渝厦高铁黔常段全线6 座Ⅰ级风险隧道之一，位于湖北咸丰—来凤区间，全长3 958.2 m，洞身穿越地层主要为寒武系和奥陶系灰岩。2016年8月13日14时，巨型溶洞在平导掌子面DIK53+678 处被揭露。巨型溶洞揭露后，施工单位先后采用了无人机探测、三维激光扫描与色谱分析、爆破振动测试、裂缝发展监控、大深度钻探、高精度物探等综合勘查方法，开展了溶洞稳定性评价，评价表明溶洞处于不稳定状态。

高山隧道高位穿越巨型溶洞，直接穿越段长度71 m，溶洞影响段长度145 m；轨面以下为空腔，空腔高度36～57 m，拱顶紧贴溶洞顶板，部分侵限，轨面下施工难以开展，破顶容易诱发连续垮塌。溶洞形态复杂，由主通道、厅堂状廊道和2 个伴生支洞共3 部分组成，如图1所示。溶洞总体量超过200 万m3，厅堂状廊道体量约60 万m3，国内外罕见。巨型溶洞侧壁及顶板有危石分布，主要包括发育为叠坐式、悬挂式和贴壁式的3类危岩，其中贴壁式危岩极易掉落，有统计落石近200 次，溶洞极不稳定；溶洞底部大块石堆积，原始堆积体厚度50～65 m，底部处置施工难度大。这些工程风险极大地增加了溶洞处置难度。

图1 巨型溶洞平面示意图

1.2 巨型溶洞综合处置概况

根据巨型溶洞特征，制定了线路绕避、回填和桥跨3 类别共12 种处置方案，经过多参数层次分析法、精细化数值模拟和经济技术对比综合分析后，优选了“洞砟回填+上部注浆”的巨型溶洞处置方案［15］，方案设计如图2所示。

图2 巨型溶洞回填处置方案示意图

详细施工步骤为：首先设置1 条施工支洞（如图1所示），连接平导（758 m高程）至溶洞底部最高处（730 m 高程）；回填前，破解溶洞底部大块石并埋设排水管路；对溶腔730 m 高程以下进行洞砟回填，完成后先在填料上方施作1 层50 cm 厚水泥砂浆止浆层，再由平导口及主洞洞口向洞内抛填洞砟并分层摊平碾压，要求每层压实系数不低于0.97，洞砟回填至750 m 高程为止；对750 m 高程以上先回填5 m 厚掺5%水泥的级配碎石，再通过级配碎石层向下钻孔，对上部20 m 厚回填洞砟层进行注浆加固；此后继续在级配碎石层上部施工3 m 厚钢筋混凝土路基板，路基板上方两侧施工素混凝土大边墙，边墙以内做隧道明洞结构。至此，完成巨型溶洞回填与隧道结构施工。

高山隧道巨型溶洞回填体总厚度36～57 m，属于超厚回填体，下部尚有50～65 m 厚原始坍塌堆积体，工后沉降不易控制，特别是隧道开通后高速列车动荷载长期扰动下沉降是否增加、沉降发生机理等需要深入研究，为此设计了列车动荷载下超厚回填体沉降相似模型试验。

2 模型试验设计

相似模型试验在温州大学瓯江校区的高铁路基动力试验台上开展，试验周期6个月。

2.1 试验台简介

高铁路基动力试验台由模型箱与模拟加载系统组成，模型箱为一半入地式箱体，加载系统主体为多通道系统操控下的5个伺服作动器，试验过程中可通过主控计算机对作动器加载幅值、频率以及相位进行精准控制。

加载系统的工作模式为时序加载，列车动荷载在时序加载模式下可以转化为竖向荷载作用于路基某一固定位置处。假定列车运行线路平顺，每个点的受力大小和频率都相同，则每个作动器的加载时程频率、振幅及曲线波形都应相同，由于相邻2 个作动器之间的时程曲线有相位差，而作动器之间的间距固定，所以相邻2 个作动器时程曲线相位差φ将由列车速度v确定。

2.2 试验相似性设计

结合试验台条件与超厚回填体施工状况，以几何相似比1∶5 作为主控因素，对模型进行几何尺寸、试验材料、外部荷载、初始条件、边界条件等在内的相似性设计［16］。具体设计思路如下。

（1）按照高山隧道巨型溶洞实际工况，自下而上分层填筑回填体试验模型。

（2）试验填筑所用材料与施工现场填筑所用材料应具有相似的物理性质，主要考虑因素包括颗粒级配、密度、弹性模量等。

（3）加载系统在模拟列车动荷载时应确保施加的荷载与现实中列车动荷载的相似性，主要体现在荷载的大小和频率方面。

（4）实际工程中超厚回填体在施工结束后将会经历1年左右的静置期，其地基应力历史条件很难进行模拟，因此采用预压方法模拟静置期固结沉降。

（5）溶腔回填后形成的超厚回填体与普通回填路基相比，其最大特点是回填体受到溶洞侧壁的约束作用，监测显示回填体几乎没有水平位移，模型箱的刚性侧壁也能够限制水平位移。

基于以上思路，利用Buckinghamπ定理计算模型试验的相似比，得出超厚回填体模型试验应满足的基本相似关系为

式中：SE为弹性模量相似比；Sρ为密度相似比；Sa为加速度相似比；SL为几何尺寸相似比。

假设模型材料为弹塑性材料，以Duncan-Chang 非线性本构模型进行计算，根据其应力应变关系结合Buckinghamπ定理，可得到如下基本关系式

式中：Sσ为应力相似比；Sε为应变相似比。

综上所述，超厚回填体模型试验最终所采用的各物理量相似比见表1。

表1 模型试验所采用的各物理量相似比

2.3 试验相似模型设计

试验截取渝厦高铁黔常铁路段DIK53+680—DIK53+695 位置处的超厚回填体进行模拟，回填体线路方向长度15 m、纵向宽度30 m、竖向深度20 m，如图3所示。根据几何相似比1∶5，设计模型尺寸长×宽×高为6 m×3 m×4 m。

图3 模拟范围示意图

回填体模型中的路基自上而下分别为：有砟轨道层、隧道仰拱层、钢筋混凝土路基板、级配碎石层和回填洞砟注浆层。受模型箱尺寸限制，级配碎石层以下的回填洞砟层仅能模拟12 m 厚度，考虑到实际施工过程中对回填洞砟上部20 m 厚度进行了注浆加固处理，回填洞砟注浆层对列车动荷载隔离效果好，动荷载对深部回填体影响有限，且本文重点考虑动荷载传递机理，回填洞砟层模拟12 m厚度是可行的。

轨道采用缩尺工字钢模拟，轨枕采用缩尺条形钢筋混凝土模拟，道砟与级配碎石层采用缩尺碎石模拟，隧道仰拱层和路基板采用缩尺钢筋混凝土板模拟，回填洞砟注浆层采用密实中砂进行模拟，中砂填筑后进行动载预压使其达到洞砟注浆层相近状态，以压实度作为参考指标。砂层填筑厚度为2.4 m，级配碎石层和钢筋混凝土路基板厚度共0.9 m，根据路基板厚度调整级配碎石层厚度，试验模型回填如图4所示。填筑好的模型箱如图5所示。

图4 试验模型回填示意图

图5 回填体模型箱

模型回填材料按照物理性质相似原则进行参数分析和设计，具体如下。

（1）隧道仰拱结构和钢筋混凝土路基板均采用与实际工程中相同配合比的C30混凝土进行浇筑。

（2）选取实际工程中的级配碎石层，通过筛分试验获得粒径级配见表2，且不均匀系数Cu不小于15，粒径0.02 mm 以下碎石质量百分率不大于3%。模型中的级配碎石层以粗骨料（粒径≥30 mm）、细骨料（10 mm≤粒径＜30 mm）和碎石屑（粒径＜10 mm）为填料，填料物理参数见表3，符合相似要求，表中D10，D30和D60分别为级配碎石有效粒径、中值粒径和限制粒径。

表2 实际工程中级配碎石层的粒径级配

表3 模型中级配碎石层填料基本物理参数

（3）实际工程中回填洞砟注浆层采用加工洞砟回填，洞砟中碎石粒径分布见表4，中值粒径碎石的物理参数见表5。洞砟回填后进行注浆加固，注浆所采用材料为水泥浆-水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.6，对回填洞砟注浆层进行钻孔取芯并测试其单轴抗压强度，注浆层结石率较高，岩芯试件单轴抗压强度均不低于25 MPa。根据文献［17-18］，碎石松散体注浆加固后的材料物理力学性质和堆载密实的中砂相似。故试验模型中采用中砂模拟回填洞砟注浆层，为增加其密实度，在模型试验的路基板和级配碎石层布置前，先对回填中砂进行了动载预压处理，使其物理性质更加接近施工工程中的洞砟回填注浆层，中砂物理参数见表6。

表4 洞砟中碎石粒径分布

表5 中值粒径洞砟碎石物理参数

表6 砂层填料物理参数

实际工程中采用的钢筋混凝土路基板厚度为3 m，为验证其隔振性能，按照几何相似比1∶5 缩尺设计了0.6 m 厚路基板模型试验，试验发现路基荷载基本被隔离，路基沉降微小，满足实际工程需要；为验证0.6 m 厚钢筋混凝土路基板是否过于保守，同时阐明列车动荷载向下传递的规律，又做了0.4 m（对应实际工程的2 m）和0.2 m（对应实际工程的1 m）厚路基板的对比模型试验，试验发现在这2 种路基板厚度下列车动荷载效应向下传递明显，路基沉降较大，由此说明了路基板3 m 厚基本达到了隔振效果和经济成本的最佳组合，验证了设计方案的合理性。

2.4 试验监测系统设计

建立全方位动态监测系统，对回填模型的动力响应及沉降进行实时监控。监测系统主要分为2 大部分，即传感器系统和数据采集系统。传感器系统主要包括加速度计、沉降计、土压力盒、应变计、位移计以及试验台自带的作动器载荷和位移传感器，数据采集系统为各类测试传感器对应的数据采集系统。在隧道仰拱层模拟板边缘设置位移计，用来监测回填模型仰拱表层的动态响应，在路基板下回填层埋设土压力盒、三向加速度计和单点位移计，用来监测回填体模型内部的动态响应。试验台共有5个作动器分配梁，试验所用传感器主要布置在中间作动器分配梁的下方。以0.6 m 厚路基板试验为例，各类测试传感器分布如图6所示。传感器的具体数量、位置分布和作用如下。

图6 以0.6 m厚路基板为例的传感器布设示意图（单位：m）

（1）布设位移计5 个，编号为W1，W2，…，W5，以0.5 m 的间距均匀布置在隧道仰拱层模拟板表面，用于测量回填模型仰拱表层的沉降。

（2）布设土压力盒7个，编号为T1，T2，…，T7。沿分配梁方向在路基板底部埋设3 个，从左到右分别为T7、T5 和T6，其中T5 位于模型箱中线位置处；T3 和T4 分别位于T5 和T6 下方40 cm处；T1 和T2 分别位于T5 和T6 下方40 cm 处。用于测量回填模型内部土压力。

（3）布设三向加速度计5个，编号为N1，N2，…，N5。沿分配梁方向在路基板底层布置4 个，从左到右分别为N3，N4 和N5，其中N3 位于模型箱中线位置处；N2 和N1 位于N3 下方，上下间隔20 cm。用于测量回填模型内部振动加速度（对板厚0.2 m和0.4 m路基板增加加速计N6）。

（4）布设单点沉降计2个，分别编号F1和F2，采用阶梯状埋设的方式埋设在路基板中心两侧，传感器测杆长度分别为F1长50 cm，F2长70 cm。用于测量回填模型内部沉降。

（5）对于0.4 m 厚路基板试验，增加土压力盒2 个，编号为T8 和T9，分别位于T5 和T6 上方20 cm 位置处；增加单点沉降计1 个，编号F3，位于F1 上方40 cm 位置处。对于0.2 m 厚路基板试验，增加土压力盒2 个，编号为T8 和T9，分别位于T5和T6上方40 cm 位置处；增加单点沉降计2个，编号为F3 和F4，分别位于F1 和F2 上方40 cm 位置处。

2.5 模型加载设计

渝厦高铁黔常段为双线铁路，设计运营时速为200 km，本试验仅模拟1 侧线路；以和谐号CRH380AL 型高速列车为模拟对象，8辆编组，列车轴重不超过15 t，每节车厢长约25 m。采用5套最大荷载200 kN的动态作动器模拟高速列车荷载，作动器的行程为0～200 mm，工作频率不大于20 Hz，试验中列车的运行速度、运行时间及列车轴重分别用作动器的频率、振动次数及输出荷载模拟。

本试验仅考虑路基上部竖向荷载，不考虑水平荷载。根据现有研究，当列车以固定的速度行驶时，轨道上某1 个点处的变化可近似看作1 个先增大后减小的重复受力过程，这种受力形式与半正弦波曲线特征相符合，而半正弦波作用下土体试样的累积变形和模拟列车动荷载的不规则波作用下土体试样的累积变形相似，所以本试验中可采用半正弦波荷载模拟列车动荷载［19］，其加载曲线为

式中：F为激振力，kN；q为荷载振幅，kN；f为输出频率，Hz；t为加载时间（以t=0 为加载瞬时），s；φ为相位差，（°）；T为荷载作用时长，s。

由式（3）可以看出，采用半正弦荷载模拟列车动荷载时，应考虑的物理量包括作动器的荷载振幅、输出频率以及输出相位差。

经相似计算可得：对应200 km·h-1的列车速度，半正弦波加载频率约为2.22 Hz；荷载振幅取30 kN；相邻2个作动器加载相位差φ=36°。综上考虑，模拟试验中5个作动器的加载曲线如图7所示。

图7 加载曲线

2.6 试验过程

试验过程主要为：模型填筑→仪器安装→预压调整→正式加载→数据采集→试验完成。

仪器安装完成后静置1 d，使模型达到基本稳定状态，然后进行预压调整，各通道作动器分别施加50 kN 静力荷载，一方面模拟实际工程中回填体静态沉降，另一方面预压模型使其初步稳定。

正式加载中，先对0.6 m 厚钢筋混凝土路基板开展试验，采用2.22 Hz半正弦波加载频率、30 kN荷载振幅模拟列车通过；加载次数设定为30 000次，因列车为8 辆编组，1 趟列车通过模拟区段时会产生8 次振动，30 000 次加载相当于列车3 750趟通过模拟区段；假设每天通过列车8趟，则相当于隧道运营16 个月。试验加载中的模型如图8所示。

图8 列车动荷载下回填体相似模型加载

当0.6 m 厚钢筋混凝土路基板试验加载完毕后，经数据分析，该厚度下列车动荷载被有效隔离，可以推断路基板更厚，其隔振作用更好；且此时路基板下动力响应不明显，不利于研究板下沉降机理，故无须进行更厚的钢筋混凝土路基板试验。将模型箱内0.6 m 厚路基板取出，重铺下部回填体，保持轨道高程不变，增筑20 cm 厚级配碎石，随后放入0.4 m 厚路基板，采用相同的加载方式进行试验；此后按照相同操作步骤再进行0.2 m 厚路基板试验。

3 模型试验结果

3.1 回填体沉降

3.1.1 仰拱表层沉降

依据隧道仰拱表层布设的位移传感器（W1—W5）测试数据进行仰拱表层沉降分析，将仰拱表层沉降实时监测数据绘制成s-t曲线，采用指数模型［20］拟合s-t曲线特征并求出模型参数，位移响应时程曲线的收敛值可通过拟合式求出，该值即为通过指数模型预测得到的超厚回填体仰拱表层最终沉降量。其中，指数模型的表达式为

式中：St为t时的沉降量，mm；S∞为最终沉降量，mm；α和β分别为待定模型参数。

以0.6 m 厚钢筋混凝土路基板试验组（每个试验组都包含位移监测、沉降监测、振动加速度监测以及土压力监测等内容：加载时长为13 600 s，加载约2.992 万次）的截面中间位置传感器W3 为分析对象，其实测数据所示曲线与拟合曲线如图9所示。拟合曲线与实测数据相关系数R2为0.8，拟合优度较好。所得拟合式为

图9 仰拱表层沉降实测及拟合曲线

由图9可知：试验开始后隧道仰拱表层沉降快速增至0.3 mm，随着列车动荷载作用次数的增加，模型试验中的仰拱表层沉降量随之增大，但其沉降增加速率逐渐减缓，加载时长为13 600 s 时沉降量增长已趋于稳定，列车动荷载长期作用下仰拱表层最终沉降约为0.485 mm，根据相似比，实际工程的最终沉降为2.425 mm。初始沉降0.3 mm形成过快，初步分析其为系统误差。扣除这个误差，则仰拱表层最终沉降为0.485-0.300=0.185 mm（实际工程为0.925 mm），可见因列车动荷载引起的沉降量较小。

采用相同方法进行计算，路基板厚度分别为0.4 和0.2 m 时，仰拱表层最终沉降收敛值分别为0.785 和1.385 mm（实际工程为3.925 和6.925 mm）。可见，0.6 m（实际工程为3 m）厚路基板在减少路基动力沉降方面作用显著，隔振效果良好。

3.1.2 回填体内部沉降

回填体内部沉降分析依据单点沉降计（F1—F4）测试数据，其中F1—F4 测杆长度分别为50，70，90 和110 cm。根据单点沉降计阶梯状布设的特点，计算2 个沉降计数据的差值，就是2 个沉降计顶部法兰盘之间回填体的分层沉降量，分别对应回填体厚度50 cm（F1），20 cm（F2 与F1 间），20 cm（F3 与F2 间），20 cm（F4 与F3 间），各分层沉降量变化如图10所示。

图10 回填体内部分层沉降曲线

由图10可知：回填体各分层的沉降速率均呈下降趋势，随着回填深度增大，分层沉降量逐渐减小；沉降主要发生在级配碎石层，砂层沉降较小；对于钢筋混凝土路基板厚0.6 m 试验组，板下70 cm 回填层最终沉降约0.24 mm，其中20 cm 厚级配碎石层的沉降量约占最终沉降量的90%以上，为0.22 mm，砂层沉降0.02 mm；对于路基板厚0.4 m 试验组，板下90 cm 回填层最终沉降约0.41 mm，其中40 cm 厚级配碎石层沉降量约占各层最终沉降量的74%，为0.30 mm，砂层沉降0.11 mm；对于路基板厚0.2 m 试验组，板下110 cm 回填层最终沉降约0.80 mm，其中60 cm 厚级配碎石层沉降量约占各层最终沉降量的62%，为0.50 mm，砂层沉降0.30 mm。

由此可见，随着路基板厚度减小，砂层沉降逐渐增大，说明砂层内因列车动荷载引起的土动力效应增加。路基板厚0.6 m 试验组F1 监测数据表明，砂层表层50 cm 范围内沉降量非常小，仅相当于实际工程0.1 mm，说明土动力作用微弱，可见实际施工中，回填洞砟层上部注浆加固后抗扰动性能良好，3 m厚钢筋混凝土路基板隔振效果显著。

3.2 回填体内部振动加速度

分析数据来自回填体内部加速度传感器（N1—N6）。每隔100 s记录1次振动加速度响应时程曲线峰值（取期间振动加速度的最大值），分析其在列车动荷载长期作用下的变化状况。回填体内部振动加速度峰值变化曲线如图11所示。

由图11可知：振动加速度峰值整体上表现为从回填体表层到深层逐渐递减的趋势；从曲线变化趋势来看，表层监测点振动加速度峰值逐渐稳定在某一恒定值附近，而底部监测点N1 在3 万次加载过程中轻微波动，这说明在动荷载的作用下，回填体逐渐被压实，其振动加速度峰值也逐渐趋于稳定；随着路基板厚度的增加，测点的振动加速度峰值逐渐减小，这表明随着路基板厚度增加，其隔振效果显著增大，列车动荷载对下部回填体的动力影响逐渐减小。

图11 回填体内部振动加速度峰值变化曲线

3.3 回填体内部动土压力

分析数据来自回填体内部土压力盒（T1—T9），每90 s采集1次。分析工况取列车时速200 km（设计时速）、加载3万次。在数据采集密度小的情况下，地基土内部土压力变化峰值很难被捕捉到，数据的离散性也较大，为了降低数据离散性，取相邻6 组监测数据的平均值计数1 次（即9 min 内动土压力平均值）进行分析。回填体内部动土压力变化曲线如图12所示。由图12可得如下结论。

图12 回填体内部动土压力变化曲线

（1）在列车动荷载的长期作用下，回填体内部有较为明显的土压力显现，相同埋深的土压力基本一致，随着回填体深度增加，动土压力明显降低。以0.6 m 厚路基板为例，路基板底层、进入砂层0.1 m、进入砂层0.5 m 处的土压力平均值分别为5.0，3.0，1.5 kPa，且级配碎石层、砂层的土压力折减速率分别为5.00 和3.75 kPa·m-1，实际工程中回填体上部20 m 范围内注浆，按照1∶5 相似比，相当于试验4 m 厚砂层，列车动荷载引起的动土压力很难传至砂层底面，有效验证了实际工程中回填体上部20 m注浆的合理性。

（2）随着路基板厚度降低，回填体内动土压力逐渐增加，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板底处的土压力平均值分别为5，6，8 kPa；同时进入砂层的动土压力也呈增长趋势，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板砂层0.5 m 处的土压力平均值分别为1.5，2.5，4.5 kPa。说明路基板越厚，阻断列车动荷载效应的作用越显著，实际工程中采用3 m 厚钢筋混凝土路基板是合理可靠的。

4 运营期隧道结构沉降监测

渝厦高铁黔常段高山隧道施工完成后，随着时间的推移和高速列车的动载扰动，其下部的超厚回填体将会发生沉降，超厚回填体在运营期产生沉降会造成上方隧道整体结构的沉降。如图13所示，高山隧道施工中会在级配碎石层上方隧道中心线两侧12 m 范围内施工3 m 厚C30 钢筋混凝土路基板，钢筋混凝土路基板施工完成后在路基板的两侧施工素混凝土大边墙，边墙横截面为直角梯形，在素混凝土大边墙内侧施工明洞结构，隧道明洞结构、素混凝土大边墙和钢筋混凝土路基板形成1个整体结构，所以隧道结构沉降是整体发展的。因运营期内隧道仰拱层上表面受条件限制不能安装监测仪器，为了监测隧道沉降发展，于隧道通车前在溶洞段隧道边墙上安装了静力水准仪7 个，编号S1—S7，用来监测运营期隧道结构沉降。因隧道结构为整体式，溶洞段隧道边墙沉降可以代替隧道仰拱表层沉降。

图13 溶洞内隧道断面（单位：cm）

渝厦高铁黔常段于2019年12月26日正式开通运营，以溶洞中部对应点S4 测点数据为参考，提取2019-12-26—2020-12-31 共约1年的运营期监测数据，整理各测点沉降曲线如图14所示（以2019-12-26为首日，即第0天）。

图14 运营期隧道仰拱表层沉降曲线

由图14可知：隧道开通后的1年内，隧道仰拱层受高速列车动荷载的影响，沉降在缓慢增加，但是沉降速率在逐步下降，在2020年7月31日后，隧道仰拱表层沉降逐渐趋于稳定；自溶洞开通运营后至2020年7月，隧道仰拱表层平均沉降量为0.78 mm；2020年8月—12月，隧道仰拱表层平均沉降量为0.16 mm；隧道运营1年内，隧道仰拱表层沉降最大值为0.956 mm，不足1.0 mm，与超厚回填体沉降模型试验结果较为符合。目前隧道已运营1年多，隧道结构安全，运营良好。

5 结 论

（1）依托渝厦高铁黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞回填处置工程，按照几何相似比1∶5 设计基于时序加载方式的列车动荷载作用下超厚回填体沉降相似模型试验。以几何相似比为主控因素推导模型试验的相似常数；建立了包括有砟轨道层、隧道仰拱层、钢筋混凝土路基板层、级配碎石层和回填洞砟注浆层的回填体相似模型，可实现列车动荷载作用下不同厚度路基板时回填体分层沉降、回填体内部振动加速度及土压力的动态监测；分别以作动器的频率、振动次数和输出荷载模拟试验中列车的运行速度、运行时间和轴重，基于和谐号CRH380 AL型列车参数，采用了缩尺半正弦波加载方法。

（2）列车动荷载作用会增加回填体沉降，回填体沉降速率随深度增加逐渐变缓，最终沉降量较小，主要来源于级配碎石层沉降，砂层（代表实际工程中回填洞砟注浆层）沉降微小；随着钢筋混凝土路基板厚度增大，回填体沉降显著降低，砂层产生的沉降可降至忽略不计，路基板隔振效果良好。振动加速度及土压力沿回填体深度方向均有明显的衰减趋势，路基板厚度越大越能有效减少振动加速度及土压力对回填体的动力影响，对减小回填体内部沉降作用显著。0.6 m（实际工程中为3 m）厚钢筋混凝土路基板能有效阻断列车动荷载引起的加速度与土动力传递，证明了工程中采用3 m 厚钢筋混凝土路基板是合理的。

（3）高山隧道施工完成后，在溶洞段隧道边墙安装静力水准仪来监测运营期隧道仰拱表层沉降。监测数据表明：隧道通车1年内隧道仰拱表层沉降不足1 mm，与试验所得结果较为符合，满足工程要求。证明巨型溶洞采用“洞砟回填+上部注浆”处置、并辅以3 m 厚钢筋混凝土路基板隔振的设计方案是合理的可靠的，目前隧道运营良好。