列车振动荷载作用下隧道围护结构性能实测分析

时间：2024-07-29

王洪德，张立曼

(大连交通大学土木与安全工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

京石铁路客运专线石家庄六线隧道全长4 980 m，工程除下穿既有石太直通线段采用暗挖法施工外，其余线段均采用明挖法施工.明挖基坑开挖宽度30～52 m，深度8.5～22 m.基坑西侧为京广线，最近处距离基坑只有10.2 m，穿越市政道路采取翻交倒幅施工，列车及市政交通车辆都会产生动荷载.由于隧道基坑宽度、深度及长度都较大，为采用大型机械施工，横撑体系采用锚索支护结构.锚索采取注浆与地层紧紧结合，通过地层锚固力对围护结构产生约束.一般情况下，在地面列车和其它车辆动荷载下，地层会产生振动，地层结构会变得松散［1-2］.尤其是软弱的土层，更容易变得松散，锚索性能将会发生变化［3-5］.因此，研究锚索性能变化必须首先了解列车振动规律以及锚索轴力、桩身水平位移等的变化规律［6-7］.本文通过对列车振动影响范围、围护桩振动速度、锚索轴力以及桩身水平位移等进行实测分析，从而为隧道工程设计和施工提供技术支撑.

1 监测项目及测点布置

1.1 列车振动影响范围测试

在义堂路与石太联通线之间DK278+200选择一个测试断面，在垂直既有铁路方向地面东侧挖一个6 m×1 m×3.3 m(长×宽×高)的基坑，基坑走向东西，距离近轨道仅4.8 m.在坑壁深度方向每0.5～1 m、长度方向每1～2 m，布置水平和垂直振动传感器一对，监测不同列车、不同距离、不同深度情况下既有线列车振动荷载对地层振动的影响，从而确定列车振动影响范围，测点布置如图1和图2所示.

图1 地层振动测试平面布置图(m)

图2 地层振动测试测点布置图(mm)

1.2 围护桩振动速度测试

为掌握围护桩在不同开挖深度下的振动特性，选择DK278+403处D15围护桩为测试对象(桩长22.2 m)，并分别于9月23日、10月25日进行了测试.两次测试基坑开挖深度分别为8.5 m和13 m.测点布置分别如图3和图4所示.

图3 9月23日测点布置(mm)

图4 10月25日测点布置(mm)

1.3 锚索轴力测试

在DK278+380～DK278+640之间在基坑东西两侧、三层锚索分别布置了9个测点进行锚索轴力的测试，以了解列车振动对锚索轴力的影响，测点布置如图5所示.

图5 第一层锚索轴力测点布置图

1.4 桩身水平位移测试

为了解桩身水平位移在施工过程中的变化规律，在基坑东西两侧分别布置测点进行桩身水平位移的测试，测点布置如图6所示.

图6 桩身水平位移测点布置图

2 测试结果分析

振动测试采用中国地震局工程力学研究所研制的891型测震仪，数据采集、分析与处理采用东方所研制的DASP2000测试系统.

2.1 列车振动影响范围测试规律

测试前对每一排数据从靠铁路一侧第一列开始单独编号，分别为1～6号测点，每个测点又分为水平方向和垂直方向.共测得数据232组.

测试结果显示:列车振动引起的垂直振动影响范围大约在第6号测点之外，距下行线外侧轨道距离为9.6 m;列车振动引起的水平振动影响范围大约在第2号测点之外，距最外侧轨道距离为3.2 m;由于货车的质量相对较大，因此货车通过引起的地表振动幅值最大，且下行货车比上行货车影响大.

货车上行时各测点水平及垂直振动速度与距地表深度的关系如表1、表2所示，下行时各测点水平及垂直振动速度与距地表深度的关系如图7、图8所示.

表1 上行货车经过时各测点的水平振速mm/s

表2 上行货车经过时各测点的垂直振速mm/s

图7 下行货车各测点水平振速随深度的变化规律

图8 下行货车各测点垂直振速随深度的变化规律

2.2 围护桩振动速度测试规律

分别对上下行动车、货车及普通列车进行了测试，并对不同列车通过时的平均振动速度进行了分析.9月23日(开挖深度8.5 m)共测得数据131组，10月25日(开挖深度13 m)共测得数据135组.

2.2.1 不同列车通过时的平均振动速度

不同列车通过时的平均振动速度如表3～表6所示.

表4 9月23日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s

表4 9月23日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s(续)

表5 10月25日列车下行时各测点水平平均速度mm/s

表6 10月25日列车下行时各测点垂直平均速度mm/s

2.2.2 不同开挖深度围护桩振动速度对比

不同开挖深度时不同列车类型条件下，水平速度及垂直速度最大值变化规律如图9、图10所示.

图9 不同深度时围护桩水平振速最大值变化规律

图10 不同深度时围护桩垂直振速最大值变化规律

由测试结果可得到如下结论:①列车经过时，围护桩的水平振动速度较大，竖向振动速度相对较小，下行车引起的振动速度大于上行车;②随着基坑开挖深度的增加，围护桩受列车振动的影响变大.基坑开挖深度为8.5 m时最大水平及竖向振动速度分别为1.099mm/s和0.5mm/s;基坑开挖深度为13 m时最大水平及竖向振动速度分别为 7.394mm/s和 2.416mm/s.

2.3 锚索轴力测试结果分析

2.3.1 同一测点不同层锚索轴力

选取有代表性的14'测点不同层锚索轴力变化曲线如图11所示.

图11 测点14'三层锚索轴力变化曲线

测试结果显示，无论是靠近既有铁路的西侧，还是远离既有铁路的东侧，三层锚索中，第一层锚索轴力最小，第二层最大，符合一般的土压力传递规律;第一层锚索轴力呈现先增大后逐渐降低至基本稳定，第二层与第三层锚索轴力曲线相对比较平缓，数值变化不大.

2.3.2 东西对应测点锚索轴力

东西对应测点有代表性的锚索轴力变化曲线如图12所示.

图12 测点14'东西对应测点第二层锚索轴力变化曲线

测试结果表明，东西对应测点中，锚索轴力的变化规律基本一致，西侧锚索轴力基本都比东侧锚索轴力大，这主要是由于西侧距离既有铁路较近，受列车振动荷载影响较大而引起的.

2.4 桩身水平位移测试结果分析

取11月1、9、18、25和30日的监测数据为代表，桩身水平位移随深度的变化曲线如图13所示.

图13 桩身水平位移随深度变化曲线

测试结果显示，桩身水平位移随着深度的增加先增加后减小，深度为3 m处的桩身水平位移最大，最大值5.0mm(11月27日量测数据);随着深度的增加，水平位移急剧减小，在17 m左右的深度时，水平位移已经很小，接近于0，并且有的已经发生向坑外的变形，说明施工影响深度为17 m左右.这种位移变化规律与一般土压力规律下的变形规律一致.