列車振動荷載作用下隧道圍護結(jié)構(gòu)性能實測分析

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

京石鐵路客運專線石家莊六線隧道全長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，列車及市政交通車輛都會產(chǎn)生動荷載.由于隧道基坑寬度、深度及長度都較大，為采用大型機械施工，橫撐體系采用錨索支護結(jié)構(gòu).錨索采取注漿與地層緊緊結(jié)合，通過地層錨固力對圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束.一般情況下，在地面列車和其它車輛動荷載下，地層會產(chǎn)生振動，地層結(jié)構(gòu)會變得松散［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振動規(guī)律以及錨索軸力、樁身水平位移等的變化規(guī)律［6-7］.本文通過對列車振動影響范圍、圍護樁振動速度、錨索軸力以及樁身水平位移等進行實測分析，從而為隧道工程設(shè)計和施工提供技術(shù)支撐.

1 監(jiān)測項目及測點布置

1.1 列車振動影響范圍測試

在義堂路與石太聯(lián)通線之間DK278+200選擇一個測試斷面，在垂直既有鐵路方向地面東側(cè)挖一個6 m×1 m×3.3 m(長×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、長度方向每1～2 m，布置水平和垂直振動傳感器一對，監(jiān)測不同列車、不同距離、不同深度情況下既有線列車振動荷載對地層振動的影響，從而確定列車振動影響范圍，測點布置如圖1和圖2所示.

圖1 地層振動測試平面布置圖(m)

圖2 地層振動測試測點布置圖(mm)

1.2 圍護樁振動速度測試

為掌握圍護樁在不同開挖深度下的振動特性，選擇DK278+403處D15圍護樁為測試對象(樁長22.2 m)，并分別于9月23日、10月25日進行了測試.兩次測試基坑開挖深度分別為8.5 m和13 m.測點布置分別如圖3和圖4所示.

圖3 9月23日測點布置(mm)

圖4 10月25日測點布置(mm)

1.3 錨索軸力測試

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個測點進行錨索軸力的測試，以了解列車振動對錨索軸力的影響，測點布置如圖5所示.

圖5 第一層錨索軸力測點布置圖

1.4 樁身水平位移測試

為了解樁身水平位移在施工過程中的變化規(guī)律，在基坑?xùn)|西兩側(cè)分別布置測點進行樁身水平位移的測試，測點布置如圖6所示.

圖6 樁身水平位移測點布置圖

2 測試結(jié)果分析

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

2.1 列車振動影響范圍測試規(guī)律

測試前對每一排數(shù)據(jù)從靠鐵路一側(cè)第一列開始單獨編號，分別為1～6號測點，每個測點又分為水平方向和垂直方向.共測得數(shù)據(jù)232組.

測試結(jié)果顯示:列車振動引起的垂直振動影響范圍大約在第6號測點之外，距下行線外側(cè)軌道距離為9.6 m;列車振動引起的水平振動影響范圍大約在第2號測點之外，距最外側(cè)軌道距離為3.2 m;由于貨車的質(zhì)量相對較大，因此貨車通過引起的地表振動幅值最大，且下行貨車比上行貨車影響大.

貨車上行時各測點水平及垂直振動速度與距地表深度的關(guān)系如表1、表2所示，下行時各測點水平及垂直振動速度與距地表深度的關(guān)系如圖7、圖8所示.

表1 上行貨車經(jīng)過時各測點的水平振速mm/s

表2 上行貨車經(jīng)過時各測點的垂直振速mm/s

圖7 下行貨車各測點水平振速隨深度的變化規(guī)律

圖8 下行貨車各測點垂直振速隨深度的變化規(guī)律

2.2 圍護樁振動速度測試規(guī)律

分別對上下行動車、貨車及普通列車進行了測試，并對不同列車通過時的平均振動速度進行了分析.9月23日(開挖深度8.5 m)共測得數(shù)據(jù)131組，10月25日(開挖深度13 m)共測得數(shù)據(jù)135組.

2.2.1 不同列車通過時的平均振動速度

不同列車通過時的平均振動速度如表3～表6所示.

表4 9月23日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s

表4 9月23日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s(續(xù))

表5 10月25日列車下行時各測點水平平均速度mm/s

表6 10月25日列車下行時各測點垂直平均速度mm/s

2.2.2 不同開挖深度圍護樁振動速度對比

不同開挖深度時不同列車類型條件下，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 不同深度時圍護樁水平振速最大值變化規(guī)律

圖10 不同深度時圍護樁垂直振速最大值變化規(guī)律

由測試結(jié)果可得到如下結(jié)論:①列車經(jīng)過時，圍護樁的水平振動速度較大，豎向振動速度相對較小，下行車引起的振動速度大于上行車;②隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁受列車振動的影響變大.基坑開挖深度為8.5 m時最大水平及豎向振動速度分別為1.099mm/s和0.5mm/s;基坑開挖深度為13 m時最大水平及豎向振動速度分別為 7.394mm/s和 2.416mm/s.

2.3 錨索軸力測試結(jié)果分析

2.3.1 同一測點不同層錨索軸力

選取有代表性的14'測點不同層錨索軸力變化曲線如圖11所示.

圖11 測點14'三層錨索軸力變化曲線

測試結(jié)果顯示，無論是靠近既有鐵路的西側(cè)，還是遠離既有鐵路的東側(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比較平緩，數(shù)值變化不大.

2.3.2 東西對應(yīng)測點錨索軸力

東西對應(yīng)測點有代表性的錨索軸力變化曲線如圖12所示.

圖12 測點14'東西對應(yīng)測點第二層錨索軸力變化曲線

測試結(jié)果表明，東西對應(yīng)測點中，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，受列車振動荷載影響較大而引起的.

2.4 樁身水平位移測試結(jié)果分析

取11月1、9、18、25和30日的監(jiān)測數(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，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

通過對京石鐵路客運專線石家莊六線隧道在不同列車通過時，列車振動影響范圍、圍護樁振動速度、錨索軸力以及樁身水平位移現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析，掌握了列車的振動規(guī)律以及列車振動對錨索軸力及樁身位移的影響程度，為錨索性能參數(shù)的選取提供了有價值的技術(shù)保障.

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