既有线列车动载对下穿锚固工程的影响试验研究

周文皎 蔡培尧 颜志雄 魏少伟 饶邦政

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁路广州局集团有限公司，广州 510088；4.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300；5.伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国 伊利诺伊 61820）

下穿锚索工程就是锚索从铁路、公路的河侧穿越道路正下方路基，并锚固在山侧稳定地层的锚固工程。目前大量铁路既有线路堤挡护工程，特别是数量众多的浆砌片石重力式挡墙、衡重式挡墙出现了各种病害，对其整治多以在路堤挡墙外设置抗滑桩支护为主。相比于抗滑桩，锚索用于路堤挡墙加固，具有施工周期短、扰动小、安全性高等优点［1-3］。目前工程较少采用锚索，除了抗滑桩工艺相对简单、施工过程直观便于质量控制外，对于列车动载对下穿锚索预应力损失影响的担忧也是重要原因。

路基工程、支挡工程在列车动载条件下的动力学响应一直是许多学者、工程技术人员关注的重点，研究成果主要集中于现场测试试验、室内模型试验和数值模拟领域。文献［4-8］针对路基动力响应进行了大量现场测试与分析；文献［9-10］采用室内模型试验对路基动力响应进行深入研究；文献［11-16］相继研究了车辆-轨道耦合、轨道-路基耦合和车辆-轨道-路基耦合等动力学领域的理论与应用，分别建立了整体系统模型。已有的研究成果主要集中于列车动载对路基的影响，部分研究涉及了列车动载对邻近锚固结构的影响，均没有涉及列车动载对下穿锚索锚固性能的研究。

鉴于此，本文以一铁路衡重式挡墙加固工程为背景，开展现场实测试验，重点研究列车动载对下穿锚索锚固性能的影响。

1 试验概况

该路肩挡墙为衡重式浆砌片石挡墙，中间K512+679 处为一箱涵；挡墙最大外露高度（地面线至帽石顶高度，其中帽石高40 cm）为9.5 m，挡墙外侧为杂填土、弃渣。挡墙河侧为黄泥河，流向与线路走向一致。工点基岩为二叠系深灰色泥质灰岩、灰岩，岩质坚硬，局部泥质填充，节理发育，中风化～微风化。

根据现场调查，K512+507—K512+571 段挡墙病害主要表现为K512+527，K512+552，K512+567 处伸缩缝小里程侧挡墙外倾，K512+527 处外倾最大达8 cm；墙面多处开裂，其中K512+552 附近变形开裂较严重，裂缝从片石中部贯穿；墙面现多处出水点。

对病害严重的K512+507—K512+571 右侧路堤挡墙，采用4ϕ15.2 mm 预应力锚索框架结构加固，设计预应力荷载480 kN，钻孔倾角25°。设2～3 排预应力锚索，锚索排距（垂直线路方向）3.5 m，列距（平行线路方向）2.5 m；最上一排锚索距路肩顶面1.4 m，见图1。图中L为锚索设计长度。

图1 K512+520处典型断面设计（单位：m）

2 试验方案

图2 单锚试验监测点布置（单位：m）

2）在加固工程范围内选取一榀3 排3 列的锚索框架梁，即第4，5，6列所在一榀为研究对象，锚索设计长度从上而下分别为28，26，24 m。框架长度7.5 m，高10.0 m，分别布设锚索测力计，实现群锚试验目的，见图3。

图3 群锚试验监测点布置

考虑动态监测的需要，要求采用高频记录和采集设备，本次试验采用设备为光纤光栅锚索测力计和FBG8600型光纤光栅解调仪。

3 试验测试过程

根据预应力长期监测试验结果，在预应力损失基本稳定前提下，组织开展单锚、群锚条件列车动载作用对下穿锚索影响深度和程度的监测试验。轨道车、客车、货车通过时进行测试，数据记录以列车机车头到达最近单锚点正上方前50 m（约2 s）开始，以车尾离开最后一个单锚点正上方50 m（约2 s）结束。

试验测试3 辆列车经过试验区时锚索预应力值，轨道车为上午11：07 空车通过；某快速列车每节车厢平均有旅客5 人，下午16：22 通过；满载货车13：21通过。

4 单锚试验分析

4.1 列车动载下单锚预应力实测时程曲线

图4 为同一列车通过1#—5#单锚点时锚索预应力实测曲线，图中稳定值表示实测时锚索预应力值，初始值为安装完锚索测力计锁定后测得的初值。

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图4 列车通过单锚点锚索预应力实测曲线

由图4可知：列车通过时，锚索预应力值均出现偏离稳定值的瞬时波动，波动曲线平衡点位置的预应力值大都大于稳定值，只有2#，5#锚索在客车通过时平衡点预应力值小于稳定值，减小10～15 kN，可能是由于温度偏差造成一定的误差。

从波动曲线平衡值偏离稳定值的量来看，并没有出现1#锚索明显大于其他锚索的情况，1#锚索在穿越线路中心线正下方时距轨面高差虽只有2.75 m，但受到的影响最大不超过3%。

4.2 列车轴重对下穿锚索预应力影响

图5 列车轴重对单锚预应力幅值变化影响

通过单锚点时，列车轴重对单锚预应力幅值变化影响见图5。可知，货车轴重最大，锚索预应力变化幅值最大，1#—5#锚索预应力变化的幅值分别为7.81，10.19，8.24，8.51，9.79 kN；客车和轨道车轴重接近，两者大小关系不明确，但锚索预应力变化幅值均明显小于货车。

4.3 列车速度对下穿锚索预应力影响

列车速度、轴重等是影响路基振动反应的主要因素，同时也是影响下穿锚索的重要因素。当列车行驶速度发生变化时，作用在路基上振动荷载的动力特性将发生变化，同时也使下穿锚索预应力发生变化。

轨道车分别以30，45，60 km∕h 三种不同的速度经过试验路段时，锚索预应力变化幅值见图6。

图6 不同速度时锚索预应力变化幅值与路基深度关系

由图6可知：

1）下穿锚索预应力变化幅值随着列车速度的增加 而 增大，60 km∕h 下预 应力值较30 km∕h 下 增大1 kN，但影响有限。

2）沿路基深度方向，下穿锚索预应力变化幅值几乎不受列车速度变化影响。根据相关研究，在不同列车行驶速度下路基中动应力衰减趋势在路基顶面3 m以上趋势基本一致，衰减值随着深度的增加而逐渐减小，路基顶面3 m 以下不同行车速度的动应力幅值非常接近。由于1#锚索距轨面2.75 m，距路基顶面约2 m，2#—5#锚索距路基顶面均在3 m 以上，因此，下穿锚索受深度影响的规律性不强，受锚索施工工艺及现场监测设备等因素影响更大。

4.4 列车动载沿线路方向对下穿锚索影响分析

以1#单锚为例，数据记录以列车机车到达最近单锚点正上方前50 m 开始，以车尾离开最后一个单锚点正上方50 m结束，试验结果见图7。

图7 列车动载沿线路方向对下穿锚索预应力幅值变化

由图7（a）可知，列车在距离单锚50 m 时，轨道车对单锚预应力变化幅值为0.91 kN，客车对单锚预应力变化幅值为1.16 kN，货车对单锚预应力变化幅值为1.47 kN，随着列车距离单锚越近，单锚预应力变化幅值越大。

由图7（b）可知，列车在离开单锚时，随着离单锚距离的增大，单锚预应力变化幅值不断减小；在列车车尾距离单锚50 m 时，轨道车对单锚预应力变化幅值为1.33 kN，客车对单锚预应力变化幅值为1.60 kN，货车对单锚预应力变化幅值为1.76 kN。

在列车行驶方向，车头距单锚50 m 时对单锚预应力变化幅值的影响小于在列车车尾离开单锚50 m 时单锚预应力变化幅值。推测与挡墙和锚索的协调关系有关。当列车经过单锚时，列车动载首先通过钢轨传给路基，使路基产生附加应力，路基附加应力首先传递给挡墙，挡墙自身吸收部分附加应力，剩余部分通过挡墙传递给锚索，这个传递过程需要一定的时间，因此锚索受力变化可能滞后，峰值也滞后，所以表现出在列车离开时单锚预应力变化幅值较大的现象。列车轴重越大，沿路线方向对单锚预应力变化影响越大，但非常有限。

5 群锚试验分析

5.1 列车动载下群锚预应力实测时程曲线

图8 为3 种列车通过群锚试验点时各锚索预应力变化情况。可知：列车通过时，群锚试验区每排的锚索预应力值均出现偏离稳定值的瞬时波动，轨道车和货车波动曲线平衡点位置的预应力值基本大于稳定值，增幅在3～14 kN 之间，约为锁定值的2.5%以内，只有上排4#锚索在轨道车和货车通过时平衡点预应力值略小于稳定值。而客车通过群锚时，每排的锚索波动曲线平衡点位置的预应力值大都小于稳定值，这可能与测量误差有关。客车通过时间为16：22，较货车和轨道车通过时的正午温度降低，由于温度偏差造成一定的误差。

图8 列车通过群锚点锚索预应力实测曲线

5.2 列车轴重对下穿群锚锚索预应力影响

在群锚条件下，不同轴重列车动载作用下群锚预应力变化幅值见图9。

图9 列车对群锚预应力变化幅值曲线

由图9可知：①群锚条件下，锚索预应力的变化规律不如单锚明显，预应力变化幅值基本在4～10 kN，略小于单锚幅值。②列车轴重对群锚的影响不明显，这与群锚框架结构整体受力的特点有关。

5.3 群锚预应力变化幅值沿线路方向分布特征

在群锚条件下，列车在距离群锚段50 m 处开始监测锚索预应力的变化，统计出列车动载距群锚段50，30，10，0 m 处群锚预应力幅值变化，见图10。可知：列车在距离群锚50 m 时，群锚上排预应力变化平均幅值为1.103 kN，中排预应力变化平均幅值为0.914 kN；距群锚0 m 时，群锚上排预应力变化平均幅值为7.472 kN，中排预应力变化平均幅值为6.654 kN。随着列车离群锚距离越近，群锚预应力变化幅值越大。

图10 到达群锚预应力变化幅值曲线

在群锚条件下，列车离开群锚段50 m 处结束监测锚索预应力的变化，统计出列车动载距群锚段0，10，30，50 m 处群锚预应力幅值变化，见图11。列车在离开群锚0 m 时，对群锚上排预应力变化平均幅值为8.353 kN，中排预应力变化幅值为8.113 kN，下排锚索预应力变化平均幅值为7.124 kN；列车在离开群锚50 m时，对群锚上排预应力变化平均幅值为1.429 kN，中排预应力变化平均幅值为1.269 kN，下排除5#外其他两个锚索预应力变化平均幅值为1.124 kN。表明列车离群锚越远，群锚预应力变化幅值越小。

图11 离开群锚预应力变化幅值曲线

由上述分析可知，在列车行驶方向车头距群锚50 m 时对群锚预应力变化平均幅值的影响小于在列车车尾离开群锚50 m 时群锚预应力变化平均幅值，但差值明显小于单锚条件。

5.4 列车速度对下穿群锚锚索预应力影响

通过实测轨道车以30，45，60 km∕h 三种不同速度经过试验路段时，群锚预应力变化幅值见图12。

图12 速度对群锚预应力变化幅值曲线

由图12可知：①同一孔锚索预应力变化幅值随着列车速度的增加有增大的趋势，但并不明显，最大变化量小于2 kN。②同一列锚索，沿着路基深度方向，上下排预应力变化幅值与列车速度关系不大。

6 结论

关于单锚和群锚条件下列车动载对下穿锚索的影响深度及程度，试验结果表明：

1）锚索在穿越线路中心线正下方时距轨面高差2.75 m，受到的影响最大不超过3%。列车轴重、速度等对锚索预应力变化均有影响，但影响很小，可忽略不计。

2）列车动载对下穿锚索影响程度和深度都较小。挡墙行锚索的锚头与轨面竖向距离大于1.8 m，列车的影响可以忽略。设计中，锚索设置位置不仅考虑这一点，还应考虑避免破坏衡重墙的衡重台和衡重墙上墙受力过大等情况。

3）根据动载试验，轨面下1.8 m 深度处列车对竖向土体压力的影响大于30%，其侧向土压力增大约10%，明显大于对此深度下穿锚索预应力的影响，究其原因，可能是既有衡重墙起到应力调节的作用，大大减少锚索的直接受力，这也说明用锚索加固既有挡墙，可以形成“锚索+挡墙”联合支挡效果，比两者单独支挡时受力更合理。

4）列车通过时，群锚试验区锚索预应力值均出现偏离稳定值的瞬时波动，但增幅在3～14 kN 之间，约为锁定值的2.5%以内，影响较小。

5）列车轴重、速度对群锚预应力的影响程度低于单锚条件，说明“框架+锚索+挡墙”联合支挡模式相较于单锚条件下“锚索+挡墙”联合支挡效果更佳。