列车振动对差异地层盾构隧道纵向不均匀沉降影响试验研究

魏章超，赵玉成，侯宏韬，杨 何，田红硕，张振波

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

随着地铁运营时间的增长，盾构隧道的长期纵向沉降问题逐渐显现，城市隧道埋深浅、地质条件复杂、地上建筑物及地下管线密集等特点决定了在长期运营中隧道将可能产生较大的纵向变形[1-6]。

引起隧道纵向变形的因素众多，对于已建成并投入运营的盾构隧道来说，除了施工对于土体的扰动而产生的主固结变形和次固结变形外，尚有很多因素会影响盾构隧道的不均匀沉降。地铁列车每天运行时产生的振动对隧道也会产生不利影响，尤其是长期的振动效应。张冬梅等[7]以上海地铁一号线工程为背景，通过采用FLAC3D有限元软件建立了土层-隧道-道床的三维模型，利用FISH语言对隧道施加动荷载。宁茂全等[8]结合工程实例，利用有限元软件模拟分析厚软土地层盾构隧道在运营期列车荷载作用下沉降响应。朱建峰等[9]通过离心模型试验，分析研究了软土地层中长期沉降的发展规律以及隧道周边地基土加固对长期沉降的影响。杨江等[10]通过振动干扰导入，利用环境模拟方法对系统进行了响应测试，试验结果表明列车运行时产生的振动干扰在系统监测允许误差范围内。

本文针对差异土层盾构隧道长期沉降问题，通过上硬下软地层地铁列车振动的影响试验，模拟地铁列车在行车过程中对盾构管片、周边土体产生的影响，以得到不均匀地层盾构隧道纵向长期变形的时空效应和破坏机理、准确掌握和评价隧道结构的健康状态，具有理论意义和实践价值。

1 试验方案

1.1 试验材料

该试验涉及硬土和软土、盾构管片衬砌结构，钢轨以及扣件。本次模型试验的相似比为1∶25，参考文献[11,12]，确定试验相似材料配比情况。管片衬砌结构包括C50混凝土、钢筋、纵向和环向接头。其中，C50混凝土采用石膏混合材料，具体包括水、石膏和硅藻土，其配比为水∶石膏∶硅藻土=1∶1.5∶0.1。硬土采用中粗砂(含土)，软土选用不同含水率的黏土，如表1所示；钢轨以及扣件采用拱形铁块。

表1 中粗砂(含水率5%)物理力学参数

1.2 盾构管片制作

相似试验相似比为1∶25，试验中管片模型隧道外径250 mm，管片厚度15 mm，环宽50 mm。管片模型在内外两侧各布置12根0.4 mm的铁质材料来模拟实际管片主筋。采用开槽的方式模拟环向接头，模型管片中各个环向接头位置对应的开槽深度如表2所示。采用J50焊丝模拟管片纵向接头，该焊丝直径为3.2 mm，长度为40 mm。管片具体制作过程为称量材料、立内模+钢筋网片、立外模、浇筑、拆模、烘干、刷漆防潮保养、钻纵向螺栓孔、割环缝、贴应变片、焊接导线、纵向拼装。

表2 环向接头对应槽缝深度

1.3 管片布置

管片模型布置如图1所示。

图1 管片布置(单位：mm)

1.4 加载设计

本试验通过设置激振器，在相应位置激振从而模拟地铁列车行进过程中由于振动对结构和土体产生的影响。本试验的相似比为1∶25，根据相似原理，模型试验施加的激振力Fs=F(t)/253，F(t)为地铁列车激振力，其计算方法[13]为；

F(t)=P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+P3sin(ω3t)

(1)

(2)

ωi=2πv/Li

(3)

式中：P0为车轮静载，取单边静轮重为80 kN；P1、P2、P3为典型振动荷载值(kN)；ωi为地铁列车振动的圆频率；M0为弹簧下地铁列车质量，取750 kg；αi和Li分别为典型波长和典型矢高；v为地铁行驶速度。考虑到我国目前实际情况，对应3种控制条件下的不平顺振动波长和矢高分别取：a1=3.5 mm，a2=0.4 mm，a3=0.08 mm，L1=10 m，L2=2 m，L3=0.5 m。

地铁列车长度为132.6 m，按照列车速度，计算得到激振力曲线。按照相似理论计算得到地铁列车在v=80 km/h速度下试验最大的激振力为10.99 N，在v=60 km/h速度下试验最大的激振力为10.66 N，在v=40 km/h速度下试验最大的激振力为10.35 N。

列车振动荷载采用激振器，共设置1个激振器，振动器安装在第15环管片中间位置。激振器下安装铁块，将激振力分散到两边，用于模拟地铁列车行进过程中通过铁轨以及扣件施加到底板的力，在铁块上布置2个动态力传感器，用以监测激振力，具体见图2。

图2 激振器下动态力传感器(单位：mm)

1.5 试验工况

本次试验模拟采用单点施加的固定频率的正弦振动荷载，荷载施加在隧道结构底部中央处，待各点处振动幅值稳定后，提取各监测点的最大值。根据不同土层情况、隧道埋深以及激振力频率，本次试验共设置10组工况，具体见表3。

表3 试验模拟工况

通过调整图1中的差异土层区域的土质，进而模拟盾构管片在纵向不均匀地层的变形情况。

2 试验过程

(1)制作长度为2 500 mm、宽度为100 mm、厚度为10 mm的钢板，在板正中位置焊接激振器如图3所示，激振器下方安装铁块与动态力传感器。

图3 激振器及动态传感器 图4 模型箱

(2)制作模型箱如图4所示，内表面粘结一层20 mm厚的Duxseal吸振材料，吸振材料表面刷油。

(3)根据盾构管片拼装方式确定3个监测断面应变花位置，标记土压力盒位置，贴应变花，检查，引线。

(4)拼装30环管片如图5所示，每环之间安装J50铁焊丝。

图5 30环错缝拼装模型 图6 应变式土压力盒

(5)在模型箱内进行填土工作。填土过程按填土的高度大致分为三个阶段：将模型土体材料填至隧道模型底部，隧道底部的土层按照软硬不同分批填筑；模型土填至隧道模型顶部；模型土体填至最终设计高度。每一次填土过程中又要细分为多层填筑，每一层填筑时均需达到预定的压实度。其具体操作过程为：先将特定质量(由预计达到的填土体积除以密度计算得到)的土体进行松铺，然后用工字钢整体夯实，最后用石锤敲击木板对模型箱边角处进行压实，压实度通过控制夯击和敲击次数保证，以最终达到预计的土层高度为准。

(6)管片放置模型箱，安装管片上土压力盒如图6所示，检测土压力盒连接状态，引线；此阶段与上一阶段交叉进行。

(7)安装激振器，将焊接好的激振器与动态力监测器从管片内部插入，确定好位置后在板端部焊接工字型钢，固定板端部如图7所示。

图7 激振器布置

(8)顶部安装位移计，检测仪器连接状态，引线；传感器引线与电脑连接，检测传感器是否连接好；预加载，检查设备以及传感器是否正常工作。

(9)根据试验设置工况情况，施加激振力荷载；每循环结束后，待隧道结构稳定后再进行下次试验。试验完毕，保存数据，拆除仪器，恢复。

3 试验结果及分析

3.1 下卧土压缩模量对拱顶土体沉降的影响

图8为隧道埋深0.75 m，激振力为10.99 N，振动频率为60 Hz，差异土层压缩模量分别取7.42 MPa、3.77 MPa、3.45 MPa和2.77 MPa时监测断面处拱顶沉降数据。

图8 不同压缩模量隧道拱顶土体沉降

在盾构隧道的埋深、所受到的力不变时，隧道结构拱顶沉降的大小随着穿越土层的压缩模量的减小而增大。下卧土为软硬夹层时隧道拱顶土体沉降为下卧土均为硬土材料时隧道拱顶土体沉降的1.3～1.4倍，因此在隧道穿越软硬土体夹层时应充分考虑隧道不均匀沉降对管片受力以及行车安全的影响。

3.2 隧道埋深对拱顶土体沉降的影响

试验差异土层采用含水率50%的软土，如图9所示，分别为埋深为0.25 m、0.50 m、0.75 m时监测断面处拱顶沉降数据。

图9 不同埋深隧道拱顶土体沉降

在隧道穿越软土层的长度、软弱土层压缩模量、列车行驶速度、激振力、振动频率不变的条件下可看出隧道结构拱顶沉降的大小随着隧道埋深的增大不断减小。0.50 m埋深隧道拱顶土体沉降相较0.25 m埋深拱顶土体沉降减少6.9%，而0.75 m埋深隧道拱顶土体沉降相较0.50 m埋深拱顶土体沉降减少16.1%。以上测试结果表明，随着埋深的增加，列车振动对既有隧道的影响越来越小。

3.3 列车运行速度对拱顶土体沉降的影响

图10为隧道在列车行驶速度为40 km/h、60 km/h以及80 km/h，当下卧土差异土层区域为含水率50%的软弱土时，3个监测断面不同位置处的拱顶沉降曲线。

图10 不同列车速度隧道拱顶土体沉降

在盾构隧道的埋深、下卧土层不变，行车速度不同时隧道结构拱顶沉降的大小随着列车行驶速度的增加而增大。10环与15环周围土体不均匀沉降现象明显，需对隧道列车运行的安全性进行检算，尽量避免土体差异沉降对行车安全性的影响。

3.4 振动频率对拱顶土体沉降的影响

图11为隧道在列车行驶速度为80 km/h，当下卧土差异土层区域为含水率50%的软弱土时，振动频率分别为60 Hz、120 Hz、180 Hz，3个监测断面不同位置处的拱顶沉降曲线。

图11 不同振动频率隧道拱顶土体沉降

在盾构隧道的埋深、下卧土层不变，行车速度不变，振动频率不同时，隧道结构拱顶沉降的大小随着振动频率的增加而增大。通过表中数据可得出，振动频率越大对激振点周围土体影响范围越广泛。

4 结论

(1)列车行驶速度的增加以及振动频率的增加均会使得盾构管片纵向不均匀沉降值增大。并且，随着管片位置距离振源越远，振动力引起的管片的沉降越小。

(2)当隧道穿越差异地层时，盾构隧道的纵向不均匀沉降明显增加。穿越软土层的压缩模量越小，隧道结构的沉降越大。因此不均匀地层下土体差异沉降明显，故需进行差异地层边界处理。

(3)隧道结构拱顶沉降的大小随着隧道埋深的增大不断减小，在外部条件不变的情况下，对于地下结构，埋深越大，土体自身抗变形的能力越大，激振力对隧道结构的影响就越小，这是因为土拱效应的影响，其他条件不变，盾构隧道的埋深越大，土拱效应越大，且最大沉降位于软土地层中间位置。