重载铁路隧道基底结构长期动力特性试验研究

吴秋军， 李自强， 于 丽， 华 阳， 王明年

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

重载铁路隧道基底结构长期动力特性试验研究

吴秋军1，2， 李自强1，2， 于 丽1，2， 华 阳1，2， 王明年1，2

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

针对重载铁路隧道基底结构受列车荷载作用更大的特点，根据付营子隧道现场大型激振试验实现了27 t轴重的重载列车动力加载和长期荷载作用，与远程实测动力数据进行比对验证了试验的客观准确性。讨论了双线重载铁路隧道基底结构在大轴重、高密度的运输环境下由上至下的道床、仰拱填充、仰拱结构和围岩表面的接触压力动力响应和长期变化。研究表明，激振试验能够很好的模拟27 t轴重作用下双线重载铁路隧道基底结构的动力特性，具体表现为各结构表面重载线路轨道下方相应位置的动力响应和长期效应最为明显，且由上至下随竖向深度逐渐减弱。各位置的动压力长期效应受该位置的列车动荷载附加值影响，动力响应越大，长期效应越明显。试验结果可为双线重载铁路隧道基底结构的稳定性评价和设计参数提供理论基础。

重载铁路隧道；基底结构；激振试验；动力响应；长期效应

重载铁路因其轴重大、总重大、行车密度和运量特大的特点，国内外普遍认为发展重载运输可以提高运输效率，带来良好的经济效益[1～2]。目前，重载运输已成为各国主要发展方向，在世界范围内迅速发展[3～4]。隧道结构通常视为超静定结构，因此在运营过程中环境条件的改变和列车荷载的长期作用均会使隧道结构内力出现累积，影响其长期稳定性。鉴于重载铁路的特点，重载铁路隧道较一般铁路隧道基底结构会受到更大的列车荷载，相应的长期动力特性也更为明显，因此对重载铁路隧道基底结构强度和承载力均有更高的要求[5]。目前，我国重载铁路隧道的相关规范尚未正式实施，其相关设计参数主要是参照普通铁路隧道的经验取值，研究重载铁路隧道基底结构在列车荷载作用下的动力响应和长期效应具有重要意义。

大轴重列车动载作用下隧道基底结构的长期稳定性直接影响到重载线路运营的耐久性和安全性，因此，在没有先例的情况下，最直接有效的办法就是进行现场大型激振试验模拟重载列车荷载作用，对基底结构的动力响应和长期效应进行预测和研究[6]。近年来，许多学者基于激振试验开展了诸多研究。薛富春等[7]在郑西客运专线黄土隧道模拟高速列车荷载作用对隧底的影响，研究了隧底加速度和动压力的变化规律；苏谦等[8]对刚性地基进行了模拟动态测试，分析研究了其长期动力稳定性；王亮亮等[9]在云桂铁路进行膨胀土路堑全封闭基床激振试验，得到基床动应力、加速度和速度与激振频率的关系；杨果林等[10]利用室内激振试验，研究了膨胀土路堑基床在不同服役条件下的动力性能和防水效果。以上研究多集中于路基，对隧底结构的研究又因测点较少或限于自身条件，研究并不全面。文章基于已取得的研究成果基础上，以付营子隧道为工程依托，在IV围岩条件下隧道试验断面的道床结构表面进行大型激振试验，结合通车后的实际数据进行验证分析，并对双线重载铁路隧道基底结构长期动力性能进行研究。研究成果可为双线重载铁路隧道设计和类似工程提供参考。

1 工程概况

张唐线路是我国已建成的第三条能源大通道，以货运为主。付营子隧道为其中最长的隧道之一，起讫里程为DK291+037～DK301+060，隧道长10 023 m，最大埋深约502.6 m。付营子隧道为双线重载铁路隧道，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IV围岩设计衬砌断面图如图1所示。

图1 IV级围岩设计衬砌断面图Fig.1 Design lining sectional drawing of Class IV surrounding rock

付营子隧道激振试验选在DK294+100IV级围岩监测断面，距离隧道进口3 063 m，埋深为378 m。根据TSP地质超前预报结合《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)[11]，IV级围岩及相关结构参数如表1所示。

表1 付营子隧道K294+100断面结构参数

2 激振试验设计

2.1 试验目的

鉴于隧道具备超静定结构的特征，重载铁路隧道运营过程中，基底结构受到重载列车的长期反复碾压作用各结构层表面会出现不同程度的动压力累积，因此道床、仰拱填充、仰拱结构和底部围岩表面的动力荷载会随着重载列车过车次数的增加而不断增大。进一步说，基底结构层的表面动压力变化规律会影响到各结构的内力分布及动力累积从而影响到底部结构的长期稳定性。

基于本文针对重载铁路隧道基底结构长期动力特性的研究目的，通过大型现场激振试验模拟重载列车的荷载作用能够有效的确定基底各结构层表面的动力荷载，激振次数等效为列车通车量能够研究并分析基底各结构层表面的动压力累积规律，为计算基底结构内力长期效应及基底结构长期稳定性的研究提供基础。

2.2 传感器布设

重载列车对隧道基底结构的荷载作用主要表现为由上至下各结构表面上的接触压力动力增量和引起的长期效应，因此本试验主要分析接触压力。为满足动态采集和长期远程传输要求，传感器选用光纤光栅土压力计[12]。

在付营子隧道开挖和施工过程中，在基底结构中轨枕下方、仰拱填充表面、仰拱结构表面及底部围岩表面不同位置埋设了共22个土压力计，如图2所示。

图2 基底结构传感器布设示意图Fig.2 Schematic diagram of the basal structure of the sensor layout

2.3 动力试验及加载方式

现场试验选用西南交通大学DTS-1型现场动力试验系统。通过不同的偏心块组合型式，配合相应的频率满足荷载要求的激振力，以实现不同轴重的列车荷载模拟。试验位置选在监测断面左线重载线路道床结构表面，模拟分析27 t轴重作用下基底结构的动力响应及长期效应，试验过程中采用光纤光栅解调仪进行数据采集，如图3所示。

图3 重载铁路隧道现场激振试验Fig.3 Field excitation test of heavy haul railway tunnel

列车荷载是单向脉冲应力波[13]，重载列车运营时激振频率与多种因素相关。其中对于隧道基底结构主要受到车距和转向架的影响[14]。重载列车产生的激振频率由式(1)计算：

(1)

式中：f为激振频率，Hz；v为行车速度，km/h；s为列车轴距，m。

激振试验采用的循环加载激振力为正弦波形，其动荷载峰值按照式(2)计算：

P1=P2×(1+0.004v)

(2)

式中：P1为试验要求的动轮载峰值，t；P2为设备自重与配重块质量产生的实际轴重，t；v为行车速度，km/h。2P2-P1为保证轮轨之间在振动过程中不发生脱离所取的最小值即要求P3=2P2-P1>0。激振力为P1-P2，t。

根据付营子隧道设计资料，实际通车为轴重27 t，时速80 km/h的重载列车，根据式(1)和(2)结合激振设备自身频率特性，试验参数如表2所示。

表2 付营子隧道K294+100IV级围岩断面试验参数

根据2005年国际重载协会理事会上对重载铁路的定义，其中一条明确规定：单线年运量不小于4 000万t[15]。激振试验每施加一次荷载就等于通过一对重载列车轮载，因此模拟运量可以根据式(3)确定激振试验的加载次数

N=W/R

(3)

式中：N为激振累计次数，次；W为通过年运量，t；R为设计试验的轴重，t。

目前我国的重载铁路年运量逐年增加，大秦铁路的年运量已大大高于4 000万t[16]。因此将累积加载次数定为200万次模拟一年运量5 400万t条件下双线重载铁路隧道基底结构受到的影响。

3 基底结构动力响应

2015年6月20日付营子隧道K294+100IV级围岩断面完成激振试验，历时63个小时。提取分析基底结构初始状态下激振作用引起的道床、仰拱填充(道床下表面)、仰拱和围岩表面的接触压力瞬时动力增量，即为激振试验条件下基底结构在27 t轴重列车作用下引起的荷载附加值。

激振试验完毕后，付营子隧道于2015年12月30日正式通车，实际通车参数为轴重27 t，时速80 km/h。通过远程采集软件对付营子隧道K294+100监测断面进行实时监控，记录并分析了IV围岩条件下实际过车对双线铁路隧道基底结构的动力影响，以其中一次过车数据为例，与同等参数下的激振试验结果进行对比分析，具体如下。

3.1 道床动压力

因篇幅限制，仅列出激振试验和实际通车条件下，左线重载线路侧道床结构上表面(轨枕下方)轨道下方测点DT-2的动压力典型时程曲线如图4所示。

图4 道床上表面左线轨道测点动压力典型时程对比图Fig.4 The typical process contrast diagram of dynamic pressure in the left line of track ballast surface measuring points

由图4中27 t重载列车作用下的基底结构动压力实测值与试验值对比后发现，激振试验的动压力平均值略高于实测平均值，但试验动压力的幅值即波峰波谷差值较实测更小说明基底结构在实际过车时动力响应更为剧烈。这是因为两者的作用位置和作用方式存在差异：激振试验是直接作用在道床结构轨枕表面，利用正弦波近似模拟列车荷载；而在实际过车中，列车直接作用在钢轨表面，动荷载受到轨道平顺值等诸多因素的影响[17]。这使得试验结果和实测所得的列车引起的动压力时程曲线有所不同，但两者在量值上较为接近，将道床结构上、下表面各测点的动压力列入表3。

表3 27 t轴重下道床各测点动压力峰值对比表

Tab.3 The comparison table of dynamic pressure peak of track ballast measuring points under 27 t axle load kPa

对表3和图5中实测值和试验结果对比分析可得道床上表面因受到荷载直接作用动压力极值均大于下表面。

(a) 道床上表面

(b) 道床下表面图5 27 t轴重下道床结构动压力对比图Fig.5 The comparison diagram of dynamic pressure peak of track ballast measuring points under 27 t axle load

对于道床结构上表面而言：客运线轨道相应位置的土压力传感器在通车后损坏，比较时不列入考虑范围。实测和试验均显示道床上表面轨道测点因受到重载列车荷载直接作用而动压力量值最大，激振试验为124.600 kPa，实测为125.200 kPa，相差0.600 kPa，两者吻合度较好。

对于道床下表面即仰拱填充上表面：试验和实测所得动压力横向分布规律相同，均为重载线路中心位置受到应力叠加作用而使得该位置明显高于其它位置。激振试验结果显示该位置动压力极值为62.000 kPa，与实测结果60.200 kPa相差1.800 kPa。

3.2 仰拱动压力

将仰拱结构表面动压力激振试验结果与实测数据列入表4，分布规律如图6所示。

表4 27 t轴重下仰拱表面各测点动压力峰值对比图

Tab.4 The comparison table of dynamic pressure peak of invert surface points under 27 t axle load kPa

图6 27 t轴重下仰拱表面动压力对比图Fig.6 The comparison diagram of dynamic pressure peak of invert surface under 27 t axle load

由表4和图6可知，激振试验和实测数据所得仰拱表面的动压力横向分布规律基本相同，均表现为仰拱表面重载线路侧受到的列车荷载作用远大于客车线；其中重载线路轨道竖向位置上动压力极值最大，随着与轨道位置距离的增加，相应动压力极值也不断减少，该位置动压力极值激振试验结果为30.485 kPa，实测为31.568 kPa，相差仅为1.083 kPa。客运线路轨道竖向位置动压力极值相对最小，均为6 kPa左右。

对比激振试验和实测数据可知，仰拱表面重载线路各测点的动压力极值相差不大，激振试验能够有效的模拟仰拱结构表面所受的列车荷载作用。此外，重载列车会加剧对应竖向位置上仰拱表面的动力作用，使动压力集中在荷载位置下方而使左右分布不对称，长期受到重载列车荷载的循环反复作用，容易造成结构受力失稳，影响仰拱结构安全。

3.3 围岩动压力

将围岩表面动压力激振试验结果与远程数据列入表5，分布规律如图7所示。

表5 27 t轴重下围岩表面各测点动压力峰值对比图

Tab.5 The comparison table of dynamic pressure peak of surrounding rock surface points under 27 t axle load kPa

图7 27 t 轴重下围岩表面动压力对比图Fig.7 The comparison diagram of dynamic pressure peak of surrounding rock surface under 27 t axle load

由表5和图7可知，激振试验和实测所得围岩表面动压力横向分布规律基本一致，同样表现为重载线路轨道竖向位置上动压力极值最大并远大于其它测点，随着与轨道位置横向距离的增加，相应动压力极值也不断减少。轨道下方和拱底(隧道中心)竖向位置动压力极值试验和实测结构相差相对较大，差值分别为4.589 kPa和3.753 kPa，其它测点相差均在1 kPa以内。

对比激振试验和实测数据可知，随着竖向深度的增加，激振试验结果与实测数据吻合度逐渐减弱。具体表现为列车荷载传递到围岩表面时，实测的动压力大于试验模拟，这种现象在轨道下方和拱底位置尤为明显。

3.4 动压力竖向传播规律

由试验和实测可知基底结构相同竖向位置测点上的动压力均随竖向深度增加而减少，以27 t轴重条件下双线重载铁路隧道重载线路轨道竖向特征监测线上动压力极值的竖向传递规律为例，见图8。

图8 27 t 轴重特征位置动压力极值竖向传播规律Fig.8 Dynamic pressure amplitude vertical propagation law of feature location under 27 t axle load

根据双线铁路隧道激振试验与实测数据结果可见两者动压力竖向传递规律基本一致。具体表现为列车荷载在道床结构中衰减程度最大，由仰拱表面传递到围岩表面时衰减程度相对最小。

综合上述对比分析发现，双线重载铁路隧道27 t轴重下虽然激振试验结果和实测数据吻合度由上至下逐渐变差，但两者差值很小且各结构面横向分布和荷载竖向传递规律基本相同，说明激振试验能够有效的模拟重载铁路隧道基底结构在列车荷载作用下的动力特性。

4 基底结构长期效应

上一节分析了27 t轴重下双线重载铁路隧道基底结构的动力特性并验证了激振试验结果的客观准确性。下面将对基底结构在200万次激振作用下的长期效应进行分析，为了更直观，将试验数据以每16.7万次对应模拟时间“月”作为单位进行处理。

4.1 道床表面

动压力直接显示出列车荷载对基底结构的动力作用，对不同模拟时间下基底结构动压力的变化进行统计分析，分析基底结构的长期稳定性。将道床表面各测点动压力在激振试验作用下的长期变化，如图9所示。

图9 道床表面动压力长期效应Fig.9 The long-term effect of ballast surface

由图9可知，随着模拟时间(加载次数)的增加，道床表面各测点动压力不断增加，在4个月后出现明显增加。对比重载和客运线路：左幅重载线路动压力的增长幅度明显大于右幅客运线路；其中重载线轨道下方动压力长期效应最为明显，在时间8～9个月时趋于稳定，最终增量达到了49.600 kPa。客运线路动压力变化较为平缓，最大增量为4.828 kPa，仅为重载线路长期增量的1/10。

4.2 仰拱填充表面

将仰拱填充表面各测点动压力在激振试验作用下的长期变化，如图10所示。

由图10可知，仰拱填充表面各测点随着模拟时间(加载次数)的增加动压力不断增加，同样在4个月后出现较大幅度的增长。相比右幅客运线路，左幅重载线路动压力的增长幅度更大；其中重载线路中心的动压力长期效应最为明显，在时间9～10个月时趋于稳定，最大增量达到了22.955 kPa。客运线路的动压力长期效应则相对较弱，最大增量为4.286 kPa，约为重载线路侧长期增量的1/5。

图10 仰拱填充表面动压力长期效应Fig.10 The long-term effect of invert filling surface

4.3 仰拱表面

将仰拱表面各测点动压力在激振试验作用下的长期变化，如图11所示。

图11 仰拱填充表面动压力长期效应Fig.11 The long-term effect of invert surface

由图11可知，仰拱表面各测点随着模拟时间(加载次数)的增加动压力不断增加，但整体量值不大，表明深度增加会使列车荷载作用的长期效应减弱。在3个月后仰拱表面测点的动压力出现一定幅度的增长。左幅重载线路侧动压力的长期效应仍较右幅客运明显；其中重载线路轨道竖向位置上的动压力长期效应相对明显，在时间5～6个月时趋于稳定，最大增量达到了3.904 kPa。客运线路的动压力长期效应则相对较弱，最大增量为1.215 kPa，约为重载线路侧长期增量的1/3。

4.4 围岩表面

将围岩表面各测点动压力在激振试验作用下的长期变化，如图12所示。

图12 围岩表面动压力长期效应Fig.12 The long-term effect of surrounding rock surface

由图12可知，围岩表面各测点随着模拟时间(加载次数)的增加动压力不断增加，但整体量值较小，表明当列车荷载传递到围岩表面时引起的动压力长期效应已经很弱。在6个月后围岩表面测点的动压力增长趋势出现小幅度爬升，但量值很小。其中重载线路轨道竖向位置上的动压力长期效应仍相对明显，最大增量为2.302 kPa。客运线路的动压力长期变化不大，最大增量仅为1.375 kPa，约为重载线路侧长期增量的1/2。

4.5 长期效应综合分析

将重载线路中心、重载线路轨道和客运线路轨道三条特征监测线上动压力的长期效应列入表6进行综合比较。

表6 各结构面动压力长期效应

由表6可知，各结构面的动压力长期增量变化规律与动力响应规律相符，列车动荷载作用集中的位置动压力长期效应更为明显且增量更大，具体表面为重载线路轨道位置的动压力增量明显大于监测线。客运线路因没有直接受到重载列车荷载作用长期效应最弱，其稳定时间不计入比较范围。

对于同一竖向位置，不同深度的结构表面测点，动压力长期增量由上至下逐渐变小。同时稳定时间也随深度增加而减少表明列车荷载的累积作用主要集中在道床结构最长达到9个月，在仰拱填充的缓冲作用下，仰拱和围岩表面的动压力长期效应已经明显衰减。对比三条特征监测线的长期效应可以看出，27 t 轴重列车作用的确会在很大程度上增加重载线路侧的荷载累积，影响基底结构稳定性。在重载铁路隧道实际运营过程中基底结构主要受到周围环境变化和重载列车长期作用的综合影响，因此基底各结构层表面的动压力长期效应会更加明显；现场激振试验的加载次数为200万次，将重载铁路隧道5 400万t的模拟年运量缩短到63个小时内完成，大大加快了研究进度，同时避开了周围环境长期变化对基底结构受力的影响，因此试验得到的基底结构长期受力特征弱于隧道实际服役过程，但对单独考虑重载列车长期荷载作用影响下的基底结构动压力分布规律研究更为准确，激振试验结果在一定程度上可为双线重载铁路隧道的疲劳设计提供参考。

5 结 论

开展针对IV级围岩条件下双线重载铁路隧道的现场大型激振试验，模拟了27 t轴重列车作用下基底结构的动力响应和长期效应，与实际通车数据进行比对，并得出如下结论：

(1)试验结果与实际通车后的隧道基底结构动力响应规律基本一致，表明激振试验可以有效的模拟重载列车作用下基底结构的动力特性并对其长期效应进行仿真模拟，为双线重载铁路隧道基底结构设计提供参考和依据。

(2)在双线重载铁路隧道中，动压力横向分布规律显示重载列车作用会明显增加基底结构重载线路侧各部位的动力响应。其中轨道下方的动压力响应最为剧烈，相应竖向位置上的结构表面会受到更大的列车动荷载附加值。

(3)基底结构同一竖向位置上，列车荷载的动力随深度由上至下逐渐减弱。其中列车荷载在基底结构中传递分为两个阶段：道床结构急速衰减阶段和仰拱结构缓慢衰减阶段。

(4)循环荷载作用下，基底结构各测点动压力长期效应与该位置动压力量值相关。道床表面重载线路轨道测点的动压力长期增量明显高于其它测点，稳定时间也长于其它位置。同时，基底结构重载线路侧在重载列车长时间大轴重碾压下会对其稳定性产生影响。

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Experimental study on the long-term dynamic characteristics of heavy haul railway tunnel basement structures

WU Qiujun1，2，LI Ziqiang1，2，YU Li1，2，HUA Yang1，2，WANG Mingnian1，2

(1 School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2 Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

For studying the effect of enomously great train load acting on the basement structure of heavy haul railway tunnel, a large-scale site vibration test was carried out on the Fuyingzi tunnel with a dynamic and long-term loading of 27t axle load of heavy haul train. Comparing with the remote measured dynamic data，the objectivity and accuracy of the test was verfied.The dynamic contact pressure responses and long-term changes of a double line heavy haul railway tunnel basement structure， including the ballast, invert filling, inverted arch structure and rock contact surface ，were instigated in the environment of heavy axle load and high density transportation.The results show that the vibration excitation test can well test the dynamic characteristics of the basement structure under 27 t axle load. The dynamic responses and long-term effects on each component structure are most obvious at the position just under the heavy load track and gradually weakened from top to bottom along the vertical depth. The long-term effect and dynamic pressure at each positon are influenced by the dynamic load of train. The greater the dynamic response, the more obvious the long-term effect. The experimental results provide a theoretical basis for the stability evaluation and parameters design of the base structure of double track heavy-haul railway tunnels.

heavy-haul railway tunnel; base structure; vibration excitation test; dynamic pressure distribution; long-term effect

中国铁路总公司科技研究开发计划课题合同(2014G005-A)；西南交通大学博士研究生创新基金；国家自然科学基金面上项目(51578458)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2682016CX001)

2016-05-20 修改稿收到日期：2016-09-22

吴秋军 男， 博士生， 工程师， 1980年生

李自强 男， 博士生， 工程师， 1987年生

U213.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.021