列車(chē)振動(dòng)荷載作用下隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能實(shí)測(cè)分析

王洪德，張立曼

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

京石鐵路客運(yùn)專(zhuān)線石家莊六線隧道全長(zhǎng)4 980 m，工程除下穿既有石太直通線段采用暗挖法施工外，其余線段均采用明挖法施工.明挖基坑開(kāi)挖寬度30～52 m，深度8.5～22 m.基坑西側(cè)為京廣線，最近處距離基坑只有10.2 m，穿越市政道路采取翻交倒幅施工，列車(chē)及市政交通車(chē)輛都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)荷載.由于隧道基坑寬度、深度及長(zhǎng)度都較大，為采用大型機(jī)械施工，橫撐體系采用錨索支護(hù)結(jié)構(gòu).錨索采取注漿與地層緊緊結(jié)合，通過(guò)地層錨固力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束.一般情況下，在地面列車(chē)和其它車(chē)輛動(dòng)荷載下，地層會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，地層結(jié)構(gòu)會(huì)變得松散［1-2］.尤其是軟弱的土層，更容易變得松散，錨索性能將會(huì)發(fā)生變化［3-5］.因此，研究錨索性能變化必須首先了解列車(chē)振動(dòng)規(guī)律以及錨索軸力、樁身水平位移等的變化規(guī)律［6-7］.本文通過(guò)對(duì)列車(chē)振動(dòng)影響范圍、圍護(hù)樁振動(dòng)速度、錨索軸力以及樁身水平位移等進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，從而為隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支撐.

1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

1.1 列車(chē)振動(dòng)影響范圍測(cè)試

在義堂路與石太聯(lián)通線之間DK278+200選擇一個(gè)測(cè)試斷面，在垂直既有鐵路方向地面東側(cè)挖一個(gè)6 m×1 m×3.3 m(長(zhǎng)×寬×高)的基坑，基坑走向東西，距離近軌道僅4.8 m.在坑壁深度方向每0.5～1 m、長(zhǎng)度方向每1～2 m，布置水平和垂直振動(dòng)傳感器一對(duì)，監(jiān)測(cè)不同列車(chē)、不同距離、不同深度情況下既有線列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)地層振動(dòng)的影響，從而確定列車(chē)振動(dòng)影響范圍，測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖2所示.

圖1 地層振動(dòng)測(cè)試平面布置圖(m)

圖2 地層振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖(mm)

1.2 圍護(hù)樁振動(dòng)速度測(cè)試

為掌握圍護(hù)樁在不同開(kāi)挖深度下的振動(dòng)特性，選擇DK278+403處D15圍護(hù)樁為測(cè)試對(duì)象(樁長(zhǎng)22.2 m)，并分別于9月23日、10月25日進(jìn)行了測(cè)試.兩次測(cè)試基坑開(kāi)挖深度分別為8.5 m和13 m.測(cè)點(diǎn)布置分別如圖3和圖4所示.

圖3 9月23日測(cè)點(diǎn)布置(mm)

圖4 10月25日測(cè)點(diǎn)布置(mm)

1.3 錨索軸力測(cè)試

在DK278+380～DK278+640之間在基坑?xùn)|西兩側(cè)、三層錨索分別布置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行錨索軸力的測(cè)試，以了解列車(chē)振動(dòng)對(duì)錨索軸力的影響，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示.

圖5 第一層錨索軸力測(cè)點(diǎn)布置圖

1.4 樁身水平位移測(cè)試

為了解樁身水平位移在施工過(guò)程中的變化規(guī)律，在基坑?xùn)|西兩側(cè)分別布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行樁身水平位移的測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示.

圖6 樁身水平位移測(cè)點(diǎn)布置圖

2 測(cè)試結(jié)果分析

振動(dòng)測(cè)試采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的891型測(cè)震儀，數(shù)據(jù)采集、分析與處理采用東方所研制的DASP2000測(cè)試系統(tǒng).

2.1 列車(chē)振動(dòng)影響范圍測(cè)試規(guī)律

測(cè)試前對(duì)每一排數(shù)據(jù)從靠鐵路一側(cè)第一列開(kāi)始單獨(dú)編號(hào)，分別為1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)又分為水平方向和垂直方向.共測(cè)得數(shù)據(jù)232組.

測(cè)試結(jié)果顯示:列車(chē)振動(dòng)引起的垂直振動(dòng)影響范圍大約在第6號(hào)測(cè)點(diǎn)之外，距下行線外側(cè)軌道距離為9.6 m;列車(chē)振動(dòng)引起的水平振動(dòng)影響范圍大約在第2號(hào)測(cè)點(diǎn)之外，距最外側(cè)軌道距離為3.2 m;由于貨車(chē)的質(zhì)量相對(duì)較大，因此貨車(chē)通過(guò)引起的地表振動(dòng)幅值最大，且下行貨車(chē)比上行貨車(chē)影響大.

貨車(chē)上行時(shí)各測(cè)點(diǎn)水平及垂直振動(dòng)速度與距地表深度的關(guān)系如表1、表2所示，下行時(shí)各測(cè)點(diǎn)水平及垂直振動(dòng)速度與距地表深度的關(guān)系如圖7、圖8所示.

表1 上行貨車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的水平振速mm/s

表2 上行貨車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的垂直振速mm/s

圖7 下行貨車(chē)各測(cè)點(diǎn)水平振速隨深度的變化規(guī)律

圖8 下行貨車(chē)各測(cè)點(diǎn)垂直振速隨深度的變化規(guī)律

2.2 圍護(hù)樁振動(dòng)速度測(cè)試規(guī)律

分別對(duì)上下行動(dòng)車(chē)、貨車(chē)及普通列車(chē)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)不同列車(chē)通過(guò)時(shí)的平均振動(dòng)速度進(jìn)行了分析.9月23日(開(kāi)挖深度8.5 m)共測(cè)得數(shù)據(jù)131組，10月25日(開(kāi)挖深度13 m)共測(cè)得數(shù)據(jù)135組.

2.2.1 不同列車(chē)通過(guò)時(shí)的平均振動(dòng)速度

不同列車(chē)通過(guò)時(shí)的平均振動(dòng)速度如表3～表6所示.

表4 9月23日列車(chē)下行時(shí)各測(cè)點(diǎn)垂直平均速度mm/s

表4 9月23日列車(chē)下行時(shí)各測(cè)點(diǎn)垂直平均速度mm/s(續(xù))

表5 10月25日列車(chē)下行時(shí)各測(cè)點(diǎn)水平平均速度mm/s

表6 10月25日列車(chē)下行時(shí)各測(cè)點(diǎn)垂直平均速度mm/s

2.2.2 不同開(kāi)挖深度圍護(hù)樁振動(dòng)速度對(duì)比

不同開(kāi)挖深度時(shí)不同列車(chē)類(lèi)型條件下，水平速度及垂直速度最大值變化規(guī)律如圖9、圖10所示.

圖9 不同深度時(shí)圍護(hù)樁水平振速最大值變化規(guī)律

圖10 不同深度時(shí)圍護(hù)樁垂直振速最大值變化規(guī)律

由測(cè)試結(jié)果可得到如下結(jié)論:①列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，圍護(hù)樁的水平振動(dòng)速度較大，豎向振動(dòng)速度相對(duì)較小，下行車(chē)引起的振動(dòng)速度大于上行車(chē);②隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)樁受列車(chē)振動(dòng)的影響變大.基坑開(kāi)挖深度為8.5 m時(shí)最大水平及豎向振動(dòng)速度分別為1.099mm/s和0.5mm/s;基坑開(kāi)挖深度為13 m時(shí)最大水平及豎向振動(dòng)速度分別為 7.394mm/s和 2.416mm/s.

2.3 錨索軸力測(cè)試結(jié)果分析

2.3.1 同一測(cè)點(diǎn)不同層錨索軸力

選取有代表性的14'測(cè)點(diǎn)不同層錨索軸力變化曲線如圖11所示.

圖11 測(cè)點(diǎn)14'三層錨索軸力變化曲線

測(cè)試結(jié)果顯示，無(wú)論是靠近既有鐵路的西側(cè)，還是遠(yuǎn)離既有鐵路的東側(cè)，三層錨索中，第一層錨索軸力最小，第二層最大，符合一般的土壓力傳遞規(guī)律;第一層錨索軸力呈現(xiàn)先增大后逐漸降低至基本穩(wěn)定，第二層與第三層錨索軸力曲線相對(duì)比較平緩，數(shù)值變化不大.

2.3.2 東西對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)錨索軸力

東西對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)有代表性的錨索軸力變化曲線如圖12所示.

圖12 測(cè)點(diǎn)14'東西對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)第二層錨索軸力變化曲線

測(cè)試結(jié)果表明，東西對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)中，錨索軸力的變化規(guī)律基本一致，西側(cè)錨索軸力基本都比東側(cè)錨索軸力大，這主要是由于西側(cè)距離既有鐵路較近，受列車(chē)振動(dòng)荷載影響較大而引起的.

2.4 樁身水平位移測(cè)試結(jié)果分析

取11月1、9、18、25和30日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為代表，樁身水平位移隨深度的變化曲線如圖13所示.

圖13 樁身水平位移隨深度變化曲線

測(cè)試結(jié)果顯示，樁身水平位移隨著深度的增加先增加后減小，深度為3 m處的樁身水平位移最大，最大值5.0mm(11月27日量測(cè)數(shù)據(jù));隨著深度的增加，水平位移急劇減小，在17 m左右的深度時(shí)，水平位移已經(jīng)很小，接近于0，并且有的已經(jīng)發(fā)生向坑外的變形，說(shuō)明施工影響深度為17 m左右.這種位移變化規(guī)律與一般土壓力規(guī)律下的變形規(guī)律一致.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)京石鐵路客運(yùn)專(zhuān)線石家莊六線隧道在不同列車(chē)通過(guò)時(shí)，列車(chē)振動(dòng)影響范圍、圍護(hù)樁振動(dòng)速度、錨索軸力以及樁身水平位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，掌握了列車(chē)的振動(dòng)規(guī)律以及列車(chē)振動(dòng)對(duì)錨索軸力及樁身位移的影響程度，為錨索性能參數(shù)的選取提供了有價(jià)值的技術(shù)保障.

［1］白冰，李春峰.地鐵列車(chē)振動(dòng)作用下近距離平行隧道的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)［J］.巖土力學(xué)，2009，30(1):123-128.

［2］和振興，翟婉明，羅震.地鐵列車(chē)引起的地面振動(dòng)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(2):218-221.

［3］謝偉平，孫洪剛.地鐵運(yùn)行時(shí)引起的土的波動(dòng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(7):1181-1184.

［4］唐益群，欒長(zhǎng)青，張曦.地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道土體變形數(shù)值模擬［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(1):105-110.

［5］陶連金，李曉霖，陸熙.地鐵誘發(fā)地面運(yùn)動(dòng)的衰減規(guī)律的研究分析［J］.世界地震工程，2003，19(1):4-87.

［6］婁奕紅，俞三溥，王秉勇.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形動(dòng)態(tài)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(03):462-466.