铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究

吴泊

摘要：对于铁路隧道铺底病害问题，目前在国外已引起足够的重视，他们不仅局限于隧道病害的整治，更着重强化隧道底部结构的设计。目前我国工务部门在既有铁路隧道的病害整治方面也取得了一定的成效，积累了一定的经验。但是要从根本上解决隧道基底的病害问题，还必须从隧道基底结构形式的改进上做更深入的理论研究及试验测试。

关键词：铁路隧道；基底破坏；力学形态；试验

一、试验概况及试验测试系统

1.试验概况。根据试验目的，试验模型的设计不考虑隧道衬砌，其影响通过采用具有一定刚度的约束来模拟（试验中两端采用钢板、前后正面为观察裂纹采用有机玻璃），同时只考虑主要原因列车冲击荷载的作用。试验中针对不同铺底结构形式进行多次重复振动试验，直至隧道铺底结构产生裂纹并最终破坏为止，记录最终的试验次数，即可选出最优的隧道铺底结构形式。根据试验条件和实际需模拟的试验范围，取几何比例系数为2∶1，即Cl=2。试验模型具体设计尺寸如图1所示。

2.由于不考虑材料自重的影响，测试结构中的应力只与外加荷载有关，模型试验材料的选取可不受相似判据的控制，因此模型试验采用与实体结构完全相同的材料制作。对于隧道基底围岩，同样采用混凝土材料进行模拟。模型试验中考虑了六种不同隧道铺底结构形式的工况，工况一的隧道铺底为10cm厚C15素混凝土（模型试验铺底结构厚度为实际厚度的1/2，以下同），工况二的隧道铺底为20cm厚C20素混凝土，工况三的隧道铺底为20cm厚C25钢筋混凝土（双层钢筋，细筋密布，横向为受力筋），工况四的隧道铺底为20cm厚C25少筋混凝土（单层配筋且只有少数构造钢筋），工况五的隧道铺底结构为20cm厚钢筋混凝土（双层钢筋），且铺底与基岩之间加铺沥青垫层，工况六的隧道铺底结构为30cm厚素混凝土，每种工况进行三组试验。为真实反映现场基底所处的状态，试验中采用水箱在铺底底部基岩中加水进行模拟。

二、试验测试项目、测试仪器及测点布置

试验测试内容主要包括隧道铺底结构在等幅应力下的裂纹出现时间及使用寿命，隧道铺底结构顶面的压应力，不同加载次数下铺底结构顶底面的动、静应变以及疲劳裂纹的分布和扩展情况等。铺底结构顶底面的动、静应变采用胶基丝绕式应变片进行测试，具体铺底混凝土板底部应变测点布置位置见图2（图中尺寸单位为cm）。另外板上部布置一个测点（对应图2中5号点的位置，点号为7），轨枕底部布置了两个应变测点，测点布置成应变花的形式，以求出各测点的主应变和主应力。

隧道铺底结构顶面的压应力采用单膜钢弦式压力盒进行测试，压力盒量程为1.0MPa。压力盒布置在铺底混凝土板上部，具体位置见图3（图中尺寸单位为cm）。测试仪器采用JMZX-300振弦检测仪。铺底结构的疲劳裂纹则采用放大镜进行观察，加载一定次数即观察一次。试验中，采用PMS-500型数显式疲劳试验机实施加载，试验机最大加载压力为500kN，加载频率为2～8Hz，试验过程中可调整加载频率。在进行静载试验时为控制加载试验力的大小，采用SCLY-2型数字测力仪对加载压力进行精确控制。模型与原型的荷载比关系为CN=4，将作用在轨道上的机车轴重23.0t进行换算，则作用在模型轨道单轴的重量为5750kg。由于钢轨的作用，机车单轴的重量并不完全作用于单根轨枕上，按较不利工况考虑，可得最大枕上静压力约为轴重的0.4倍，实际加载时取该值，即疲劳试验时的加载压力振幅为0～2300kg。

三、试验结果及分析

1.铺底裂纹扩展情况及分析

各组试验疲劳裂纹的出现时间及描述见表1，试验后铺底板的典型裂纹分布，由试验结果可知：

在机车轴重静载的作用下，各种工况下的隧道铺底混凝土板均未产生裂纹，而在机车振动冲击荷载的作用下，经过一定的加载次数后，隧道铺底混凝土板均产生了裂纹，而且随着加载次数的增加，裂纹不断扩展加宽，这说明隧道铺底混凝土板是在列车振动冲击荷载的循环反复作用下产生疲劳破坏的。

0cm厚双层配筋铺底混凝土板（包括铺底与基岩间加垫层和不加垫层两种工况）一般在加载100万次以上才开始出现疲劳裂纹，且裂纹扩展缓慢，其疲劳寿命估计至少在300～400万次；而20cm素混凝土铺底结构出现裂纹的时间一般在加载2万次左右，且裂纹扩展迅速，加载40万次左右后铺底即已基本断裂，可以认为该种隧道铺底混凝土结构的疲劳寿命为40万次左右；30cm素混凝土铺底结构出现裂纹的时间一般在加载10万次左右，且裂纹扩展也较为迅速，加载80万次左右后铺底即已基本断裂，由此可见钢筋混凝土铺底结构的疲劳性能要大大优于素混凝土铺底结构。

2.从总体分布来说，铺底混凝土破损及裂纹基本出现在沿线路纵向，两根钢轨的正下方附近。这说明隧道铺底混凝土在机车荷载作用下以出现沿线路纵向的纵裂为主，因此对于铺底混凝土结构应从横向予以加强。

四、铁路隧道病害整治措施

1.修复快速性

现阶段，由于铁路隧道的行车密度较大、天窗时间有限，白天根本无法对使用中的铁路隧道进行检查和维修，所以只能将日常维修安排在夜间停运阶段进行。若病害整治工作时间过长，势必会影响列车的正常运营，并且造成巨大经济损失，因此铁路隧道基底的病害整治作业必须快速完成，所选用的修补材料应当具有较高的成型性，以避免对列车的正常运营造成不利影响。

2.扰动最小化

铁路隧道基底线路的几何尺寸变化必须控制在垫板和扣件允许调整的范围内，并且在调整时不能对道床进行扰动，当出现调整范围超出允许值时，必须加以整治。整治方案的制定应当以调整超出的管理值大小为依据，进行分级处理，采取有效整治措施减少对基底结构和轨道结构的扰动，确保其功能正常使用。

3.提高整治的效率

对铁路隧道排水沟的整治工作，应采取与轨道结构同步整治的方式进行，以提高病害整治效率，减少重复作业造成的资源浪费。

五、结论

总之，铁路隧道基底病害的整治是一项较为复杂且系统的工程，由于基底病害产生的原因比较复雜，加之各方面的影响因素较多，从而给病害的整体防治工作增大了难度。同时在对病害治理的过程中，还要尽可能不影响正常的列车营运，这就需要采取行之有效地措施，对基底病害进行快速修复。随着铁路工程的不断增多，隧道基底病害也必然会有所增加，为此，应不断加大对基底病害整治的研究力度，以此来确保列车的安全、高效运营。

参考文献：

[1]施成华，彭立敏，黄娟.铁路隧道基底病害产生机理及整治措施[J].中国铁道科学，2015，04：62-67.

[2]赵晋友，周鲁，周书明.重载铁路隧道设计技术探讨[J].隧道建设，2014，03：336-340.

[3]蔡斌.高速铁路隧道基底软岩动力响应及疲劳损伤特性研究[D].广东工业大学，2015.