某隧道洞口仰坡動力響應現場測試研究★

畢全超 付之信 王學蕾 張銘修

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

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·橋梁·隧道·

某隧道洞口仰坡動力響應現場測試研究★

畢全超 付之信 王學蕾 張銘修

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

通過現場試驗，測試了不同車輛軸重與車速對隧道仰坡動力響應的影響，分析了不同車速和車輛軸重的列車通過時，引起隧道仰坡的動力響應特性，指出仰坡的動力響應與列車的速度有關，在列車的速度不斷增大時，隧道仰坡的振動加速度峰值也相對增大，且仰坡中部的加速度峰值比仰坡底部要略大一些；從對仰坡實測數據的頻譜分析和1/3倍頻程分析中可知，仰坡的動力響應特性與列車的軸重有關。

隧道，仰坡，動力響應，現場實測

近年來，隨著我國經濟的飛速發展，山區城鎮化進程和基礎設施建設速度加快，形成了大量的高陡邊坡，引發了頻繁的崩塌落石地質災害，尤其是在鐵路、公路建設等方面更為突出[1,2]。目前國內外眾多學者開始對邊坡及隧道仰坡的動力響應問題和穩定性進行分析，1994年我國學者鄭黎明運用數值模擬和現場試驗相結合的方法針對鐵路邊坡巖體受到列車振動激發的特性，提出了“裂隙巖體結構振動效應”這一概念[3]。張友葩、劉增進、高永濤等通過對雙動源荷載作用下的邊坡的動力響應進行分析，結果表明，作用于邊坡頂部的公路荷載對邊坡的動力響應的影響遠大于作用在邊坡底部的鐵路荷載的影響[4]。李華東、姜永玲、鄧輝運用FLAC3D軟件以某高速鐵路隧道進出口邊坡為研究對象，分析在列車荷載作用下該邊坡的應力，變形及穩定性等問題，結果表明在隧道底部及兩側出現應力集中現象，且列車荷載將在邊坡內地層分界面附近、軟弱夾層內、構造結構面附近、開挖面附近形成剪應變增量帶，極大的影響邊坡的穩定性[5]。楊喆、王家鼎、林杜軍利用FLAC3D建立數值模型對不同列車運行速度下的黃土邊坡的擾動程度和邊坡的穩定性進行了分析，得出邊坡的擾動性和穩定性隨列車運行速度的變化規律[6]。韓坤立、劉軍通過現場調查和數值模擬分析了列車振動荷載作用下軟硬互層邊坡的應力、應變和加速度的變化規律[7]。吳冬、高波、申玉生等利用模型試驗的方法建立隧道洞口段大型振動臺模型試驗，用以研究地震作用下隧道仰坡的動力特性及仰坡和襯砌結構的相互作用[8]。本文通過現場試驗更進一步的對隧道仰坡的動力響應進行了研究。

1 現場實測工程概況

1.1 測量儀器的選擇

本次試驗采用的測試儀器是北京必創科技有限公司生產的A301/A302型無線加速度節點，此節點內置三相加速度傳感器，支持10 G加速度測量，節點的空中傳輸速率可以達到250 kBPS，有效室外通訊距離可達到300 m。

1.2 工程概況

豐沙線58號隧道位于豐沙線快速鐵路上，在豐沙線63號隧道上方，與49號橋梁相接，隧道與橋梁連接方式為橋隧并接。地理位置在張家口市懷來縣官廳鎮豆營村與舊莊窩火車站之間，并在永定河旁。山體最大高度約為262 m，隧道的高度和寬度分別為5.62 m和7.013 m，隧道總長度為875 m。隧道的洞門是端墻式洞門。平縱均位于直線段，本隧道設計速度為100 km/h，隧道所處山體地層為強風化灰巖。山坡較陡，自然坡度30°～35°，部分地區達到40°以上，植被較發育，多為雜草。隧道所屬地區屬于溫帶大陸性季風氣候。其氣候特點是：一年四季分明，冬季寒冷而漫長；春季干燥多風沙；夏季炎熱短促降水集中；秋季晴朗冷暖適中。洞口位置的確定遵循“早進洞，晚出洞”的原則，洞口邊仰坡開挖高度較高，洞口地形地質條件較好，下方是豐沙線63號隧道，為交叉型隧道。隧道為地形偏壓隧道，巖層產狀為反傾。隧道洞口仰坡頂部防護為SNS主動+被動。仰坡高度約為15 m，仰坡傾角為75°，仰坡地層為強風化灰巖，仰坡巖層產狀為偏壓反傾。

1.3 測點布置

此次試驗在隧道仰坡的坡底(即洞口上方)，和仰坡的中間位置布置測點(測點4434布置在仰坡中部、測點4435布置在仰坡底部)，并保證測點所在平面與隧道縱斷面垂直，測點布置如圖1所示。

2 測試結果分析

現場測試了北京—張家口方向運行的列車運行引起隧道仰坡的垂直振動響應。測區通過的車輛類型、隧道屬性及運行速度等如表1所示。

表1 測試列車類型、隧道屬性及運行速度

2.1 振動峰值加速度分析

現場分別測試了由北京開往張家口方向的5輛列車，分別是以66.4 km/h通過的貨車和65.8 km/h，62.28 km/h，61.3 km/h，69.02 km/h通過的客運車引起測點垂直方向的振動情況，根據現場的測試結果按照下式統計得到各測點的最大峰值振動加速度如表2所示。

amax=max|a(t)|。

根據表2可以看出：同一列火車通過時，仰坡中部的加速度峰值要比仰坡底部的振動加速度峰值相對大一些；不同列車通過時，仰坡的振動加速度峰值隨著列車速度的增大而增大。

2.2 振動頻域響應測試結果及分析

振動頻譜反映了振動頻率成分以及振動能量的分布情況。按照下式對時域數據序列進行傅立葉變換[9]，得到不同列車運行引起的地面各測點的頻譜如圖2～圖6所示。

FA(ω)=∫-∞+∞A(t)·e-iωtdt。

其中，A(t)為時域數據序列；FA(ω)為頻域的譜函數序列；ω=2πf。

從圖2～圖6仰坡在不同列車通過時測點的垂直方向振動加速度頻譜曲線可以看出：隧道仰坡的頻譜曲線的變化與列車的種類有關，在貨車通過時，仰坡中部的頻譜曲線比在客運車通過時的頻譜曲線的幅值略大一些，且出現多個單峰值的現象。仰坡底部的頻譜曲線在列車作用下的總體變化趨勢相差不多，但是在貨車通過時頻譜圖的振動幅值比客車通過時的幅值相對較小。仰坡底部的頻譜曲線主要振動頻率分布在0 Hz～35 Hz，相對于仰坡中部而言，振動能量分散的較快。

2.3 振動的1/3倍頻程分析

1)1/3倍頻程的概念。

為方便起見，在對振動做頻譜分析時，將振動的頻譜范圍分成若干個相連的頻率段，稱每一個小的頻率段為頻程或頻帶。頻帶的高截止頻率和低截止頻率分別記為f2和f1，對n倍頻程的定義為[10]：

當n=1時，頻程稱為倍頻程；當n=1/3時，頻程稱為1/3倍頻程。各頻程通常用其中心頻率f0來表示，f0是f2，f1的幾何平均值，其關系為：

通過對隧道洞口仰坡的振動進行1/3倍頻程分析，可以更加清楚的看到各頻帶內的振動的變化情況。

2)列車通過隧道洞口時引起測點振動的1/3倍頻程分析。

從圖7～圖11中振動的1/3倍頻程分析可知：總體而言，貨車通過時的1/3倍頻程在仰坡中部的加速度級比客運車通過時此測點的振動加速度級要略大一些，與測點的振動頻譜曲線分析的結果基本一致；從貨車通過時各測點的1/3倍頻程曲線圖中可知，仰坡中部的1/3倍頻程曲線在中心頻率為63Hz和80Hz時相對持平，仰坡底部1/3倍頻程曲線變化比較大，在中心頻率為20Hz時開始下降。從客運車通過時各測點的1/3倍頻程曲線圖中分析可知，在不同速度的客運車通過時，仰坡各測點的1/3倍頻程曲線的變化趨勢相差不多，在仰坡中部，都是從中心頻率在80Hz時開始下降，而邊坡底部測點的加速度級是在中心頻率在25Hz時開始下降，說明振動能量在邊坡底部發散的較快，與頻域分析基本一致。

3 結語

通過對隧道仰坡的現場測試并對其進行分析，可初步得到以下觀點：1)在列車荷載作用下，仰坡各個測點在同一列火車通過時，仰坡中部測點的加速度峰值比仰坡底部測點的振動加速度峰值相對大一些；不同列車通過時，仰坡各測點的振動加速度峰值隨著列車速度的增大而增大；2)仰坡在各個測點的振動頻域曲線在貨車通過時的振動趨勢與客運車通過時的振動趨勢不同，說明隧道仰坡的動力響應與列車的軸重有關，列車軸重較大的列車引起的振動頻率的幅值相對較大；3)對實測仰坡各個測點的數據進行1/3倍頻程分析可知貨車通過時的1/3倍頻程在仰坡中部的加速度級比客運車通過時此測點的振動加速度級要略大一些，與測點的振動頻譜曲線分析的結果基本一致，進一步說明隧道仰坡的動力響應與列車的軸重有關。

[1] 胡厚田.崩塌落石研究[J].鐵道工程學報,2005(z1):387-391.

[2] 于國新.張集鐵路玄武巖崩塌落石特征研究[J].鐵道工程學報,2008,25(12):9-13.

[3] 鄭黎明.鐵路邊坡巖體的振動特性和機理[J].巖石力學與工程學報,1994,13(1):69-78.

[4] 張友葩,劉增進,高永濤,等.雙動載源下土質邊坡的失穩機理[J].巖石力學與工程學報,2003,22(9):36-38.

[5] 李華東,姜永玲,鄧 輝.列車振動荷載作用下某巖質邊坡應力應變動力響應分析[J].水文地質工程地質，2011,38(3):42-48.

[6] 楊 喆,王家鼎,林杜軍.高速鐵路黃土路塹邊坡變形的動力數值模擬[J].自然災害學報,2011,20(4):137-141.

[7] 韓坤立,劉 軍.高速列車振動荷載下軟硬互層邊坡動力響應規律[J].地質災害與環境保護,2013,24(1):109-112.

[8] 吳 冬,高 波,申玉生,等.隧道仰坡地震動力響應特性振動臺模型試驗研究[J].巖土力學，2014,35(7):1921-1928.

[9] 張光明.高速鐵路路基段地面振動響應研究[D].成都：西南交通大學,2014.

[10] 毛東洋,洪宗輝.環境噪聲控制工程[M].第2版.北京:高等教育出版社,2010:16-18.

Experimental study on the dynamic response of tunnel entrance slope★

Bi Quanchao Fu Zhixin Wang Xuelei Zhang Mingxiu

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering,Zhangjiakou075000,China)

In this article through the field test, the primary test for different vehicle axle load, the influence of different speed up slope dynamic response of the tunnel, in order to understand different speed and vehicle axle load by the train, cause tunnel dynamic response characteristics of upward slope. Point out the dynamic response of upward slope is related to the speed of the train, the train speed increasing, the tunnel vibration acceleration peak value of upward slope has increased relatively, and the peak acceleration of upward slope in the middle is slightly larger than the back bottom. From the back slope and 1/3 octave spectrum analysis of the measured data analysis, the dynamic response characteristics of upward slope is associated with the axle load of the train.

tunnel, upward slope, dynamic response, field measurement

1009-6825(2017)14-0154-03

2017-02-22

畢全超(1981- )，男，碩士，副教授

U453.1

A

★:河北建筑工程學院研究生創新基金,橋隧過渡段仰坡動力響應及落石災害防治研究(項目編號：XB 201710)