第42卷第4期
JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY
铁 道 学 报Vol.42 No.4Aril2020p
()文章编号:1001-8360202004-0115-08
不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力
分布研究
(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;2.中国铁路经济规划研究院,北京 100038;
3
于 丽1,赵 勇2,王明年1,李自强1,
)3.重庆科技学院建筑工程学院,重庆 401331
摘 要:以重载铁路张唐线付营子隧道为工程依托,针对Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道在25、27、30t三种
轴重下的基底结构不同结构层表面的动压力分布及竖向传递规律,开展了现场大型激振试验和实时远程监测。根据激振试验所得土压力传感器典型时程曲线,得到了各结构面动压力的横向分布及竖向传递规律,最后根据远程监测数据对2双线重载铁7t轴重下基底结构的动压力分布规律进行对比验证。结果表明:Ⅳ级围岩条件下,
路隧道重载线路在重载列车荷载直接作用下,该侧的动压力均大于普通铁路,各结构面不同测点的动压力数值随着与激振点水平距离的增加而降低,列车轴重提升使线路下方作用荷载的增大,双线铁路隧道基底结构易出现失稳。动压力竖向传递规律显示,各结构面表面接触压力对列车轴重的响应由上至下逐渐减弱。远程实测数据分析结果与激振试验结果比较接近,表明试验结果可用于双线重载铁路隧道基底结构设计参考。关键词:重载铁路隧道;基底结构;不同轴重;激振试验;动压力分布
:/中图分类号:U25 文献标志码:A doi10.3969.issn.1001-8360.2020.04.015j
StudnDnamicPressureDistributionofTunnelBasementStructureofyoy
DoubleTrackHeavaulRailwanderDifferentAxleLoadsyHyu
(,,;1.SchoolofCivilEnineerinSouthwestJiaotonniversitChendu610031,ChinagggUyg
YULi,ZHAOYoninnian,LIZhiiang,WANGMgqg
1
2
1
1,3
,,)3.SchoolofCivilEnineerinndArchitectureChoninniversitfScience&TechnoloChonin01331,ChinaggagqgUyogygqg4
,;2.ChinaRailwaconomicandPlanninesearchInstituteBeiin00038,ChinayEgRjg1
real-timelon-distancemonitorinerecarriedouttostudhednamicpressuredistributionandverticalggwyty
,transferlawinthesurfaceofdifferentdoubletrackrailwaunnelstructurallaersunder25t27tand30tyty
:,AbstractBasedonFuinzitunnelproectonZhantaneavaulrailwathevibrationexcitationtestandygjgghyhy
axleloadsundertheconditionofClassⅣgradesurroundinock.Accordintotheticalhistorurveofsoilgrgypyc
,ressuresensorobtainedfromtheexcitationtestthetransverseandverticaltransferlawsofthednamicpy
oneachstructurallanedecreaseswiththeincreaseofthehorizontaldistancefromtheexcitationposition.Thep
,increaseoftheaxleloadoftheheavaultraincausestheincreaseoftheloadunderheavloadlineresultinyhyg
thatofpassenerlineunderClassⅣrockcondition.Thednamicpressurevalueofdifferentmeasurinointsgygp
basementstructureat27taxleloadwascomaredandverifiedaccordinotheremotemonitorinata.Thepgtgd
,resultsshowthatundertheeffectofheavoadtrainthednamicpressureofheavoadlineisgreaterthanylyyl
,ressureofeachstructuresurfacewereobtained.Finallthedistributionlawofthednamicpressureofthepyy
intheinstabilitfthebasementstructureofthedoubletrackrailwatunnel.Theverticaltransferofdnamicyoyyressureindicatesthatthecontactressureofsurfacestructurefromtotobottomisgradualleakened.Thepppyw
收稿日期:2016-05-23;修回日期:2016-06-23
:);基金项目国家自然科学基金(中国铁路总公司科技研究开发计划(51878568,519080982014G005-A):(—),,,,。:_第一作者于 丽1女辽宁大连人副教授博士E978-mailyuli1026@163.com
,:通信作者:王明年(男,安徽舒城人,教授,博士。E1965—)-mail19910622@163.com
116
铁 道 学 报
第42卷
analsisresultoftheremotemeasurementdataisclosetothethatofthevibrationexcitationtest.They
railwaunnel.yt
:;;;;Keordsheav-haulrailwaunnelbasestructuredifferentaxleloadvibrationexcitationtestdnamicyytyyw
vibrationexcitationtestresultscanbeusedinthedesinofthebasestructureofthedoubletrackheavaulgyhressuredistributionp
提高经济效 重载运输是一种能够保证运输效率,
1-2]
。目前,益的有效途径[世界各国大力发展重载运输
]3-4
。相较于普通铁路而言,使重载铁路发展迅速[重载
1 现场试验及远程监测方案
1.1 实际工程依托
铁路具有大轴重、大运量和高行车密度的特点,故重载铁路隧道隧底承受的列车动荷载幅值和作用次数均显著提高。因此,重载铁路隧道对基底结构的承载力要求也明显高于普通铁路隧道。如设计施工考虑不周,重载铁路隧道基底结构更易出现病害影响隧道结构的
安全稳定,且其维修养护更为困难[5
]不同轴重动力影响下重载铁路隧道基底结构力学行为。因此,研究分析
对其设计方法和病害的防治具有指导借鉴意义。
目前,重载铁路隧道底部结构设计主要是基于普通铁路隧道的经验取值。重载铁路隧道相关规范虽尚未正式实施,但国内关于重载铁路线路底部结构的研究也
已取得了一定成果。刘文劼等[6
]根据动三轴试验研究
了路基在重载列车动载往复作用下的动力响应,得到了
路基动应变动应力的曲线模型;狄宏规等[7]动力触探N-基于轻型10试验对不同轴重、
不同速度重载列车行车条件下朔黄铁路路基的强度进行评估,发现重载扩能仍
难满足30t轴重行车要求;薛继连[8]研究了30t轴重列
车动力作用下,重载铁路隧道隧底密实度对基底结构动
力性能的影响;尹成斐等[9]通过现场实测,得到重载列
车动力作用下,仰拱填充表面的应力分布特征。上述关于重载铁路隧道基底结构动力响应的研究多通过有限元分析,而试验多集中在路基结构。鉴于路基与隧道基底结构存在较大差异性,因此现有的重载铁路路基结构动力特性不适用于重载铁路隧道基底结构,同时以往的试验研究由于隧道自身条件的限制而存在较大局限性,难以达到预期效果,故不同轴重条件下重载铁路隧道基底结构的动压力传递规律并不明确。
针对双线重载铁路隧道基底结构在不同轴重重载
列车下的动力响应,分析25、27、30底结构由上至下各结构层表面的动压力分布情况t轴重条件下,
基,明确在不同轴重下重载铁路隧道基底结构受到的列车荷载影响。利用现场原位激振试验模拟不同轴重的重载列车动力作用,在底部结构各结构层表面埋设光纤光栅土压力计获得不同位置的接触压力,定量分析轴重增加对隧道基底结构产生的影响。据此为重载铁路隧道设计参数的选取提供理论依据。
试验断面位于付营子隧道,其为张唐铁路中最长的隧道之一,隧道断面形式为单洞双线,长度约为
10行方向为普通列车km,
采用无砟道,床即左线为重载线路结构,下行方向为,右线为普通线
重载列车,上路,左右线路中心相距。
3.44m。Ⅳ级围岩条件下设计
衬砌断面如图1所示图1 Ⅳ级围岩设计衬砌断面(单位:cm)
1.2 断面的选取
本文主要研究基底结构的动压力分布规律Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道,因此付营子隧道现场试验和远程监测断面均选在面处于隧道直线段,距离隧道进口约Ⅳ级围岩标准断面,监测断3子隧道的TSP地质超前预报并结合相km关。规通过付营
范[10]定试验断面的物理参数,见表1。
,
确第4期
于丽等:不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究
117
表1 付营子隧道Ⅳ级围岩试验断面物理参数
弹性
结构
泊松比模量摩擦角GPa/
(重度/
kN·m
-3
)
黏聚力MPa/
(°
)/
填充层结构仰拱结构00.2022道床结构0.2035.5250.30.025..00二衬结构初支结构0.203225.0围岩
0.2.10363
20.538...06
025.0252..05
0.45
55
.3 传感器布设
(在本次试验和远程监测方案中选择光纤光栅土压
1
)测试传感器力传感器,该测试原件抗干扰性强,长期稳定性好,能够实现接触压力的动态采集和长期远程传输
[11
](。
为研究不同轴重下基底结构不同结构面表面的动
2
)测点布设压力分布规律,并考虑隧道底部结构分层浇筑的特点,将光纤光栅土压力计由上至下在各结构层表面进行布设,具体位置见图2。
图2 基底结构土压力计测点布设示意图
付营子隧道现场试验和远程监测过程中,为各结构
面传感器进行编号并选取合理量程:道床表面DT-1—程选T-3取,量程选5MP取a;1仰0拱MP表a;面填G充T层-1表—G面TD-7T-4与—围D岩T-7
表,量面
WT中对列车动力作用的采样时间间隔为-1—WT-8,量程均选取2MPa
。试验和远程监测.4 试验设计
0.01s
。现场试验采取激振试验模拟25、27、30t三种重载列车轴重。试验设备选用的激振动力系统能够通过调整偏心块改变设备配重,结合设备输出频率实现不
同激振力,以达到多种列车动荷载作用的模拟[
12]
验位置选在货运线路道床表面,模拟研究实际通车情。试况下基底结构的动力响应,试验过程中采用光纤光栅解调仪进行数据采集,如图3所示。
不同轴重的重载列车作用荷载由不同配重块和输
出频率模拟,主要试验参数如表2所示。
图3 重载铁路隧道现场激振试验设备表2 付营子隧道Ⅳ级围岩断面试验工况
试验工况频率/Hz配重块组合
列车轴重/工况一13工况二9
4BB-020t
工况三
11B--05032
275
对光纤光栅解调仪采集的各结构层表面土压力传感器动态波长进行处理分析,即可得到三种不同轴重的动力影响下相应位置上的动压力分布。
.5 远程数据采集
在付营子隧道测点安装完毕和激振试验结束后,根据各测点光纤光栅波长对传感器进行组网后,通过主光缆接入隧道进口的通信机房,利用光纤光栅解调仪和工控机实现远程数据采集。
激振试验结果
付营子隧道共计202.4h,记录并分析了K294+1002Ⅳ级围岩断面试验时间
况下双线铁路隧道基底结构各结构层的动压力规律5、27、30t三种轴重情
。.1 道床动压力
因篇幅限制,仅列出货运侧即重载线路道床结构表面(轨枕底面)在列车行进过程中的典型动压力时程曲线,如图4所示。
图4 轴重30t时道床表面左线路动压力典型时程曲线
对比道床各测点动压力时程曲线可以看出,道床上层的接触压力动力响应较下层更加明显,表明重载列车作用会极大增加轨枕下方的动压力幅值,同时随深度增加而减少。提取道床结构上下表面的动压力幅值列于表3。
1122D1 118
工况一/kPa146.80168.4020.4669.0580.8071.2615.05
铁 道 学 报
表3 各工况下道床各测点动压力幅值
衰减/%28.4626.0130.4923.2630.9410.008.91
工况二/kPa105.00124.6018.6348.0062.0049.2013.54
衰减/%21.9019.41
第42卷
工况三/kPa100.4012.0337.3851.5037.566.5182.00
物理位置
左线路中心
道床上表面
左线路右轨右线路右轨左线路左轨
道床下表面
左线路中心左线路右轨右线路右轨
35.4622.1416.9523.66
51.93
对于双线重载铁路隧道而言,重载列 由表3可得,
车荷载的作用会极大增加重载线路道床结构上下表面的动压力,同时会在一定程度上增加普通线路侧道床结构的动压力,但量值较小,影响较弱。
对于道床结构上表面而言,三种轴重条件下,线路轨道下方的动压力均最大,表明该位置受到列车荷载影响最大。其中,轴重3重载线0t列车荷载作用时,
下方的动压力衰减程度可知,距离列车作用位置越近,动力响应越为明显。
2.2 仰拱动压力
三种轴重条件下仰拱表面各测点动压力值见表4。
三种轴重下仰拱表面动压力幅值最 由表4可得,
大位置在重载线路轨道下方。轴重3重载线路0t时,
,路右轨的动压力幅值为1轴重由368.40kPa0t减少
到2该位置动压力衰减约2轴重由27t时,6.01%;7t减少到2该位置动压力衰减约1表明轴5t时,9.41%,
;轨道下方仰拱表面动压力幅值达到3轴重5.56kPa
(由3动压力幅值达到3衰0t减少到27t时,0.49kPa
重超过2双线铁路隧道轨枕下方的动压力呈非5t时,
;减1轴重由2动压力幅值4.28%)7t减少到25t时,
线性增长,道床结构受到列车荷载作用会越来越大。
(。左幅即重载线路达到了2衰减16.23kPa3.98%)
位置轨道竖向位置的动压力幅值衰减程度最小,表明重载列车作用的动力影响主要集中在重载线路轨道竖向位置。与列车荷载作用位置距离越大,动压力逐渐减弱导致横向分布上左幅动压力明显大于右幅,在重载列车长期大轴重碾压下,基底结构易出现失稳发生病害。
2.3 围岩动压力
三种轴重条件下围岩表面各测点动压力值见表5。
对于道床结构下表面而言,三种轴重条件下,重载线路中心的动压力最大,表明重载列车作用会引起应力叠加而使得重载线路中心动压力幅值达到最高。其中,轴重3重载线路中心的动压0t列车荷载作用时,
,力幅值为8轴重由3该位0.80kPa0t减少到27t时,
置动压力衰减约2轴重由23.26%;7t减少到25t时,动压力衰减约1表明轴重超过2道床下6.95%,5t时,
表面的动压力仍会随轴重增加而越来越大。对比轨枕
物理位置左侧沟底部左线路中心左线路右轨道隧道中心线右线路中心右线路右轨道右侧沟底部
工况一/kPa23.4731.5435.5621.0510.488.594.02
衰减/%17.00
表4 各工况下仰拱表面各测点动压力幅值
工况二/kPa19.4825.4830.4920.188.767.023.46
衰减/%22.80
工况三/kPa15.0421.5926.2316.687.965.503.10
19.21
14.28
15.27
16.4218.2813.93
4.15
13.98
17.32
21.74
9.10
10.38
表5 各工况下围岩各测点动压力变化幅值
物理位置左拱脚左侧沟底部左线路中心左线路右轨道
拱底右线路中心右线路右轨道
右拱脚
工况一/kPa3.037.4218.485.854.964.402.998.05
衰减/%28.65
7.99
工况二/kPa2.795.3013.555.055.254.533.226.59
衰减/%12.6712.9524.1919.8532.1146.6257.954.00
工况三/kPa2.435.0810.274.053.562.421.355.73
18.2126.67
-5.70-2.96-7.63
13.53
第4期
于丽等:不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究
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围岩表面动压力横向分布规律表现 由表5可得,
为重载线路轨道下方动压力幅值相对最大。随着与该位置距离的增加,动压力也逐渐减小。当轴重为30t
;轴重由3该位置动压力18.48kPa0t减少到27t时,
;幅值衰减约2轴重由26.67%达到13.55kPa7t减少
时,重载线路轨道竖向位置上围岩表面动压力幅值为
。其中,当轴重由2右侧即普通kPa7t增加到30t时,
线路围岩表面的动压力幅值反而减少,表明在Ⅳ级围
到2动压力幅值衰减约25t时,4.19%达到10.27
岩条件下,重载列车轴重超过27荷载作用加剧,动压力分布更为集中t时其对重载线路的
,对底部围岩受力更为不利。
.4 动压力竖向传播规律
重载线路受到列车荷载作用时Ⅳ级围岩三种轴重条件下,双线重载铁路隧道仅,重载线路即货运线路中心、重载线路右轨和普通线路即客运线路右轨三条竖向特征监测线上动压力幅值的竖向传递规律见图5。
由图5可得,在轴重25、27、30t重载列车作用
下,双线铁路隧道动压力竖向传递规律基本一致,主要分为两个阶段:第一阶段为列车荷载受到道床结构和仰拱填充结构的缓冲影响而出现较大程度的衰减,轴重越大,衰减程度越明显;第二阶段为列车荷载在仰拱结构中的传递,此时三种轴重的动压力幅值已较为接近,由仰拱表面传递到围岩表面的动压力衰减较小。
三条特征监测线上,重载线路轨道对应竖向位置上的动压力幅值均最大,同时衰减程度最大。表明提升轴重会加速相应轨道位置的列车荷载作用力,使得横向分布左幅大于右幅,基底结构受力不均匀。
远程实测结果
付营子隧道实际通车参数为轴重隧道Ⅳ级围岩监测断面进行实时监控2,7记录重载列车t
。对付营子对双线铁路隧道激振试验断面基底结构的动力影响,取一趟过车数据为比较依据,与同为。
27试验结果进行对比分析t轴重的激振
.1 道床动压力
提取远程监控所得道床结构上、下表面的动压力幅值,并与现场原位试验数据进行比较,见表规律见图6,分布由表66。
和图后损坏6可知,普通线路轨道下方土压力传
感器通车,不予考虑。道床结构实测数据与
图5 三种轴重下特征位置动压力幅值沿深度衰减规律
激振试验结果动压力幅值吻合度较好。对于道床结构上表面而言,最大差值出现在重载线路中心,实测动压力幅值为98.40于道床结构下表面而k言Pa,,最相大对差差值值出仅现为在6.普30通%线;
对路轨道下方,表明对于重载线路列车荷载实际作用与试验结果基本一致。
表6 27t轴重下道床各测点动压力幅值对比
物理位置
激振试验/实测数据/左线路中心
道床上表面左线路右轨
198.40
kPa相对差值/6.%右线路右轨
10kPa2514..00129.—20
.30
3—
70
左线路左轨
48.6603道床下表面
左线路中心左线路右轨682..00466.04右线路右轨
4193.0.21524
40.2112..3959
162..852547..9301
.2 仰拱动压力
激振试验所得仰拱表面动压力结果与远程获取的数据见表7,分布规律如图7所示。
2333 120铁 道 学 报
第42卷
较大,为1但量值较为接近,均为6k9.02%,Pa左右。图6 27t轴重下道床结构动压力幅值对比
表7 27t轴重下仰拱表面各测点动压力幅值对比
物理位置激振试验/实测数据/相对差值/左侧沟底部左线路中心11%左线路右轨道29kPa
28kPa
116.52
隧道中心线35..4838..2413.右线路中心200.4489118.5879.7.5774
右线路右轨道8.1813
右侧沟底部
7.7.3.7.06426
5.213.8.65092
1019.2.3.06724
图7 27t轴重下仰拱表面动压力幅值对比
由表拱表面动压力横向分布形式同为7和图7可知,激振试验和远程监控所得仰
“偏三角形”,具体表现为最大动压力幅值出现在重载线路轨道位置,随着横向距离的增加,动压力幅值向两侧减少。其中重载线路轨道位置两者的动压力幅值最为接近,激振试验结果为.54%。30.普通线路轨道竖向位置动压力幅值相对差值49kPa,实测为31.57kPa
,相对差值仅为结合远程实测可知,激振试验所得仰拱表面动压力幅值的量值接近,原位激振试验能够有效模拟重载列车对仰拱结构的动力作用。
3.3 围岩动压力
将激振试验所得围岩表面动压力与远程监控所得动压力幅值进行对比,见表8,分布规律如图8所示。
表8 27t轴重下围岩表面各测点动压力幅值对比
物理位置激振试验/实测数据/相对差值/左拱脚左侧沟底部2左线路中心5.kPa
.73902kPa
6..5015104.04
%左线路右轨道
拱底136.59
186.78
12..185
右线路中心5.58.25.30
8
右线路右轨道
5.0554.1844右拱脚
4.3.25.52325.32112.72..05091710.9.94.3058
7
图8 27t轴重下围岩表面动压力幅值对比
由表压力幅值仍表现为8和图8可知,激振试验和远程监控所得动
“偏三角形”,具体表现为重载线路轨道位置幅值最大,随着与轨道的水平距离增加,动压力幅值也逐渐降低。其中,重载线路中心竖向位置上两者的动压力幅值最为接近,激振试验结果为kPa,实测为6.786.59
中心)竖向位置k动Pa压,相差仅为力幅值2相.8差8%较。大拱底,达(到隧道了
4试验和实测所得动力数据发现2.74%,但量值较为接近,相差,3基底结构竖向深度增.77kPa。通过比较加,两者吻合度下降,具体表现为重载列车在重载线路轨道竖向位置上的荷载作用大于试验模拟,但动压力
横向分布规律和量值较为接近。
通过两者对比可知,载铁路隧道激振试验和实27测t轴重动力作用下双线重
数据吻合度由上至下减小,但量值接近且各结构表面横向分布规律基本一致,说明激振试验能够很好的模拟不同轴重条件下列车动荷载的影响。
4 结论
本文针对Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道基底
3第4期
于丽等:不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究
121
结构各结构面包括道床上、下表面,仰拱表面和围岩表面的动压力在不同轴重列车荷载作用下的动力响应,得出了不同轴重条件下列车荷载的横向分布及竖向传递规律,讨论了基底结构动压力对列车轴重的敏感性,最后通过现场实测与试验结果对比分析,得出了如下结论:
()通过215、27、30t轴重的大型现场激振试验可
以得出,对于双线重载铁路隧道而言,受到重载列车直
[]吕文强,罗强,刘钢,等.重载铁路路基基床结构分析及设2
[],():RailwaJ.ChinaRailwacience2008,29288-93.yyS]():计方法[J.铁道学报,2016,38474-80.
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],HaulRailwaJ.JournaloftheChinaRailwaociety[ySy
接作用的线路侧动压力会明显升高。其中轨道位置动,,,FENGHuaiinWANGZhienCHANGJianmeietal.pgpg
]():试验研究[J.土木工程学报,2015,48S2236-241.
压力幅值最大,对于付营子隧道这种上下行荷载明显不同的双线铁路隧道而言,重载列车的长期大轴重碾压会使基底结构出现失稳的可能。
系表现为(2)重载线路竖向位置动压力幅值与列车轴重关:轴重由30t降低到2道床上表面动度为为182%~3%~293%1;%轴重由,仰拱表面为26%~297t时,压力幅值衰减程度为271%,道床下表面衰减程围岩表面面动压力幅值衰减程度为t降低到4%2~20%,道床上表减程度为表面为17%~22仰拱表面为19%~225t时,
1%,道床下表面衰围岩后,基底结构各层动压力增长速度较轴重增长速度更12%~24%%。,激振试验表明4,%轴~重23超%过,
25t快,说明轴重增加,对基底结构荷载作用会越来越大。此外,随着竖向深度的增加,各结构层表面对轴重的敏感性也逐渐降低。
((3)在付营子隧道正式通车后,根据实际通车参数压力变化与激振试验相同工况对比分析后发现两者动轴重27t,速度80km/h)
将所得的基底结构实际动压力幅值的吻合度由上至下逐渐变差。造成这种现象的原因主要在于,激振试验的加载方式和重载列车实际作用的差异性,同时两者荷载作用位置也有所不同,激振设备是直接作用在轨枕上,而列车荷载则是在铺轨完毕后作用在钢轨上。因此重载列车实际动力作用传递到基底围岩时明显于激振试验。综合分析,实测与激振试验结果虽吻合度存在差异但整体量值十分接近,可认为激振试验结果客观合理,25t和30t模拟轴
重均可作为双线重载铁路隧道的设计理论依据。
铁路隧道(4)本文结论仅针对,对其他围岩条件下重载铁路隧道的适用性Ⅳ级围岩条件下的双线重载还有待研究。
参考文献:
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铁 道 学 报
第42卷
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(责任编辑 闫洪霞)
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