（岩土工程专业论文）高速铁路富水黄土隧道激振试验研究分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 客运专线铁路超大断面富水黄土隧道的修建在国内外尚属首次，随着我国西部地 区基础设施建设发展，在富水黄土地区将有越来越多的类似工程。现行的隧底加固工 程措施在高速列车循环动荷载作用下，富水黄土隧道基底老黄土能否不发生泥化或软 化现象，满足沉降要求，保证线路的安全性、稳定性和平顺性。最直接、有效、可靠 的方法是进行现场激振试验。 本文对郑西客运专线渑池至灵宝段张茅隧道进行了激振试验，模拟了列车动荷 载，对隧道轨道底座板顶面至仰拱以下3 m 范围内的垂直振动速度、动土压力，隧道仰 拱底部环向的动土压力、水压力，仰拱填充混凝土内部应力进行了测试。对比了不同 振动频率下，振动速度、土压力、水压力、动应力的分布和变化规律。通过分析和比 较测点的振动速度、实验前后动力触探以及级配曲线并结合累计沉降0 5 m m ，验证 了隧道在动荷载作用下的稳定性和长期安全性。 在底座板项面约3 0 k p a 激振动压力作用下，填充素混凝土最大动应变为1 p ，远远 小于混凝土裂缝产生所需应变；换算最大动应力为3 0 k p a ，为c 3 0 混凝土抗压强度设计 值的0 2 ；填充素混凝土厚度完全可以优化。 通过有限元方法，以振动速度为研究指标，分析随底黄土在有无喷射混凝土加固 两种情况下的稳定性，得出仰拱底部2 0 c m 喷射混凝土可以优化的结论。 关键词：富水黄土；激振试验；大断面隧道；动荷载；有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fb i gc r o s ss e c t i o nw a t e r - r i c hl o e s st u n n e li nr a i l r o a dp a s s e n g e l t r a n s p o r t a t i o ns p e c i a l1 i n ew a ss t i l l f o rt h ef i r s tt i m ei nd o m e s t i ca n df o r e i g n t h e r ew i l lb em o r ea n dm o r er e s e m b l i n gp r o je c t si nt h ew a t e r - r i c hl o e s sa r e aw i t ht h e i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fw e s t e r nr e g i o no fo u rc o u n t r y t h eo l dl o e s sl o c a t e da ts a t u r a t e dl o e s st u n n e l sb a s i s ，u n d e rp r e s e n ts u b t e r r a n e a nb o t t o m s t r e n g t h e n i n gw o r k sm e a s u r e ，w h e t h e rn o tt ob ea r g i l l i t i z a t i o n o rs o f t e n i n g ，s a t i s f i e s t h es u b s i d e n c er e q u e s t ，g u a r a n t e e sl i n e ss e c u r i t y ，t h es t a b i l i t ya n ds m o o t h n e s so nh i g h s p e e dt r a i n sm o v i n gl o a d s v i b r a t i o n e x c i t i n g t e s ti st h em o s td i r e c t , e f f i c i e n ta n d r e l i a b l ep r o o ft e c h n i q u e i nt h i sp a p e r ，v i b r a t i o n e x c i t i n gt e s ti sc a r r i e do nt h et u n n e ll o c a t e di nm i a n c h it ol i n g b a os e c t i o no fz h e n g x ir a i l r o a dp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ns p e c i a ll i n en a m e d z h a n g m a o s i m u l a t e dd y n a m i cl o a d so ft r a i n o nt u n n e lr a i lb a s ep l a t e ，v e r t i c a lv i b r a t i o ns p e e da n ds o i lp r e s s u r ef r o mt u n n e lr a i lb a s ep l a t et o ps u r f a c et o3m e t e r sb e l o wt h ei n v e r ta r em a s u r e d ，s o i lp r e s s u r ea n dw a t e rp r e s s u r ea l o n et h ei n v e n t ，t h es t r e s si n s i d et h ec o n c r e t ef i l l e di ni n v e r ta r ea l s ob em a s u r e d ，d i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no fv i b r a t i o nv e l o c i t y , s o i lp r e s s u r e ，w a t e rp r e s s u r e ，d y n a m i cs t r e s si nd i f f e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya r ef i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ev i b r a t i o nv e l o c i t y ，t h ed y n a m i cs o u n d i n ga n dt h eg r a d i n gc u r v eb e f o r ea n da f t e rt h ev i b r a t i o n e x c i t i n gt e s t ，c o n s i d e r i n gt h ea c c u m u l a t i o ns u b s i d e n c e2 0 5 m m ，t h es t a b i l i t ya n dl o n g t e r ms e c u r i t yt h et u n n e li nd y n a m i cl o a d i n gb ev e r i f i e d w h e nd y n a m i cp r e s s u r ei sa b o u t3 0 k p au p o nt h eb a s ep l a t et o p ，t h em a x i m u md y n a m i cs t r a i no fc o n c r e t ef i l l e di s1p s ，f a rl e s st h a nc o n c r e t ec r a c k e ds t r a i n ；c o n v e r t e dt ot h eb i g g e s td y n a m i cs t r e s si s3 0 k p a , o 2 o ft h ec 3 0c o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t hd e s i g nv a l u e ；t h et h i c k n e s so fp a c k i n gc o n c r e t ed e f i n i t e l ym a yo p t i m i z e t h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t a k es h a k i n gs p e e da st h ei n d e xs t u d y i n g ，a n a l y s et h es t a b i l i t yo fw a t e r - r i c hl o e s sc o n s o l i d a t i n gt w ok i n d sc o n d i t i o nw i t hb o t t o m1 o e s si nh a v i n gt h ej e t t i n gc o n c r e t eo rn o t g o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e2 0 c mj e t t i n g c o n c r e t eu n d e ri n v e r ts h o u db eo p t i m i z e k e yw o r d s ：w a t e r - r i c hl o e s s ；v i b r a t i o n e x c i t i n gt e s t ；b i gc r o s ss e c t i o nt u n n e l ；f i n i t e e l e m e n t ；v i b r a t i o nl o a d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o r d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 躲僭畔 日期：z 口，多2 己 9 乡 侈 ) 加 氰 2 签 ： 师 期 老 日 导指 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 参加模型试验方案制定、元器件埋设、数据采集和资料分析工作。 ( 2 ) 试验分析了激振力作用下富水黄土隧道轨道底板至仰拱以下3 m 范围内的 振动速度、动应力、孔隙水压力的分布规律； ( 3 ) 验证了富水黄土隧道在开挖施工工法( 七步流水开挖法、施工防排水措 施、基底迅速开挖、迅速喷射混凝土保护层) 施工情况下，隧道结构的长期安全 稳定性； ( 4 ) 隧底填充素混凝土动应变大小与振动频率变化基本无关；在底座板顶面 约3 0 k p a 激振动压力作用下，填充素混凝土最大动应变为1 “s ，远远小于混凝土裂 缝产生所需应变；换算最大动应力为3 0 k p a ，为c 3 0 混凝土抗压强度设计值的0 2 ； 填充素混凝土厚度可以优化。 ( 5 ) 通过有限元模拟有无仰拱2 0 e m 喷射混凝土两种情况，通过比较隧底黄 土的振动速度，分析了2 0 e r a 喷射混凝土层对隧道稳定性的影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 黜一虢稼牛 日期：勿肛占、久2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼鼍寰- -= i = i = iil 鼍曼曼曼量曼曼皇曼舅曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼 1 1 研究课题简介 第1 章绪论 郑州至西安铁路客运专线( 简称郑西客运专线) 是我国在湿陷性黄土地区建设的 第一条高速铁路，也是国家在“十一五”期间布局建设的“四纵四横”共八条铁路客 运专线之一。设计时速为3 5 0 k m h 。采用无渣轨道，设计要求的沉降变形不超过4 - 1 5 e m 。 线路全长4 5 8 8 k m ，全线隧道共计3 8 座，总长约7 7 虹，其中黄土隧道5 0 k i n 。 郑西客运专线位于我国黄土分布的中心地带，沿线黄土分布广泛，占线路总长的 9 0 左右。湿陷性黄土区段占全线总长度的6 5 ，其中自重湿陷性黄土约占线路全长 的2 7 ，湿陷程度从轻微( 1 级) 到很严重( i v 级) 在整个专线路段均有分布。 位于地下水位线以下的张茅隧道，为典型的富水黄土隧道。隧道进口里程 d k 2 1 8 + 6 3 0 ，出口里程d k 2 2 7 + 0 8 0 ，隧道长8 4 5 0 m ，最大埋深1 8 0 米，最浅埋深1 0 米， 地下水较丰富，是郑西客运专线的关键工程。 考虑到隧道开挖施工时，因开挖面卸载、扰动，浸水渗水现象明显，基底的软化 不可避免。特别是在开挖机械反复碾压和振动作用下，隧底黄土软化现象十分严重， 以致完全成流塑状态。现有加固措施情况下，长期列车动荷载作用，隧道的长期稳定 性是我们关注的问题。通过激振试验，模拟高速列车对富水黄土隧道长期动载作用， 明确回答富水黄土隧底的泥化软化问题、隧道结构的长期振动沉降及稳定问题。 1 2 富水黄土的工程性质 1 2 1 黄土的分布 黄土覆盖着全球大陆面积的9 3 p a1 - ，总面积约1 3 0 0 万1 q n 2 。集中分布在温带和 沙漠前缘的半干旱地带，亦即分布于现今的北纬3 0 。5 5 。左右和南纬3 0 。 4 0 。左右 的世界“小麦带”内。最典型的黄土则分布在中国北部的广大地区以及内蒙古和印度 北部等地。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国黄土的分布面积约为6 4 万k m 2 ，占国土面积的6 3 。尤其在黄河中游地区， 西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部都被黄土覆盖，形成蔚然壮观 的黄土高原，为世界所罕见。该区域黄土发育最好，地层全、厚度大、分布连续，是 我国黄土主要分布地区，面积达2 7 3 万h 2 【l 删。在6 4k m 2 面积的黄土中湿陷性黄土约 有3 8 万k m 2 。占总黄土面积的6 0 以上，主要分布于黄河中游地区( 虽p - r 7 峡至龙羊峡 之间的黄河及支流流域范围内的地区) ，分布面积约为2 7 5 万k m 2 ，占全国湿陷性黄土 面积达7 2 3 。 1 2 2 黄土的成因及其物理特性 黄土是干旱半干旱气候条件下形成的第四纪沉积物。黄土的成因主要集中到风成 和水成上，一般认为，黄土的沉积以风为第一搬运营力，形成原生黄土，部分原生黄 土又以水为第二搬运营力，形成次生黄土。我国黄土的形成经历了整个地质年代的第 四纪时期，按地质特征可分为q l ( 午城黄土) 、q 2 ( 离石黄土) 、0 3 ( 马兰黄土) 、q 4 ( 新近 堆积黄土) 黄土，q l 、q 2 又称老黄土；q 3 、q 4 又称新黄土【3 】。 黄土色调以黄色为主，通常为黄褐，褐黄，灰黄，棕黄等颜色：一般具有大孔性， 大孔隙常常肉眼可见，空隙i ：l 1 0 左右，呈松散结构状态；含有大量的粉土颗粒( o 0 5 0 0 0 5 m m ) ，一般占半数以上，5 5 - - 6 0 者居多，大于0 2 5 r a m 的颗粒基本没有；矿物 组成主要为石英、岩土矿物以伊利石为主。化学成分为s i 0 2 ，a 1 2 0 3 和碱土金属钙镁含 量都比较高；含盐量较大，特别是碳酸盐及其结核含量尤为突出，另外硫酸盐、氯化物 等含量也都比较高：天然剖面上呈垂直节理 4 - - 5 1 。 1 2 3 黄土的力学特性 黄土的力学特殊性在于其水敏性【3 2 3 5 1 。黄土的水敏性是指其对水的特殊敏感性， 即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，在一旦浸水甚至增湿时会发生强 度大幅度骤降和变形大幅度突增的特性。黄土的水敏性问题是黄土力学研究的核心， 它体现了黄土的强度与变形与水相关的特殊本质。而当土达到饱和状态时，饱和黄土 的特点为高含水量、高压缩性、高灵敏度、低强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 研究表明，按黄土的两个界限含水量即缩限( s ) 和液限( ( ) i ) 来划分黄土。可将黄 土按湿度状态划分为干型黄土( s ) 、湿型黄土( s 1 ) 。 上述三种类型黄土具有不同的力学性质，其动力特性也有明显的差异但各类黄土的力 学性质随含水量的变化有相同的变化规律。在动三轴试验应力条件下，干型黄土的动 本构关系具有直线型关系，破坏应变范围内的动模量为常数，动强度为抗拉强度所控 制，属脆性断裂破坏，由振动作用引起的振陷变形很小。湿型黄土的动本构关系呈双 曲线型，动强度由抗剪强度所控制，属塑性压剪破坏。振陷变形受起始静应力的影响， 并随动应力的增大而增大，存在一个不发生明显变形的临界动应力。饱和黄土本构关 系亦是双曲线型，但因其具有高湿度、低密度和弱结构强度而发生较大的动变形，表 现出较小的动强度，可能会出现动孔压的大幅度增长，甚至表现出类似于砂土液化的 现象。 黄土可以在两种情况下发生类似砂土的液化现象。一种是饱和黄土在静应力较低， 动荷较大时，由于动荷引起黄土结构的迅速破坏导致孔压的迅速上升，或者剩余湿陷 变形的迅速发展而出现液化现象。但是，天然饱和黄土的饱和度往往小于1 0 ，动孔压 发展难以达到有效应力等于零的标准，常因动孔压水平高，黄土体因此而出现流动破 坏，表现为类似液化的现象。另一种是干燥黄土，当其受到较大动应力的剪揉作用而 发生快速的结构破坏时，因黄土的含水率很低，粉颗粒( 一般大于6 0 ) 彼此散开，并向 大空隙落入。此时，由于空隙中的空气一时来不及排出，致使在粉粒悬落过程的瞬间， 土的强度丧失，也发生类似液化流动。目前学者的研究主要集中在前一种饱和黄土的 液化上。 1 3 富水黄土隧道基底动力特性研究现状 国内外目前尚未有在富水黄土隧道基底动力方面的有关研究。在隧道动力特性研 究方面，早期主要是通过现场振动测量，进行数学处理后给出经验的计算公式。在国 外，二十世纪七十年代，l a n g 2 3 和k u r z w e i l 2 2 1 给出了振级与距离有关的简单预测公 式；随后，u g a r 等【3 6 】又通过给定不同列车、轨道、隧道及建筑物类型的修正参数，来预 测不同的地点因列车振动引起的动力响应。在德国，r u c k 一2 5 】用二维有限元法，专门 讨论不同隧道深度，在地铁运营时所产生的振动辐射变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在国内，王星星对北京、天津两地的运营地铁进行环境测试调查，并对地铁振动 所产生的沿线环境进行了研究。辜小安等 2 7 i 氆- 过对地铁振动传播途径及影响参数的分 析，经现场测试结果验证总结出地铁振动简单定量预测公式。崔正翔等【6 】也根据经验 公式对南京地铁隧道振动对地面环境的影响进行了预测。潘昌实、谢正光通过对北京 地铁隧道若干试验点进行现场测试，获得各试验点的速度、加速度值，并对其进行频 谱分析，进而根据轨道加速度测试数据和分析车辆体系的振动，得到了列车荷载的模 拟数定表达式。并且通过数据模拟来分析隧道及周围土体体系的动力性态。李德武根 据隧道的现场列车振动测试结果，模拟了列车竖向振动荷载，用有限元法分析了在列 车振动荷载作用下隧道衬砌的响应，并评价了隧道衬砌在列车荷载作用下的安全与稳 定性。高掣3 7 1 采用与李德武相同的方法进行了北京至通辽线扎栏营子隧道进行了现场 测试并用有限元软件分析了隧道及周围介质的动力性态。张璞【3 7 1 通过上海地铁某区间 隧道进行现场测试并给出其数定表达式，对上海市轨道交通明珠线二期工程南浦大桥 站至浦东南路站地铁区间近距离交叠隧道进行了列车振动作用下的有限元动力响应分 析，对隧道结构的受力性状进行了评价。王常晶等分析了应力的特性及分布规律，发 现列车经过时在地基中产生的动应力是一种以压应力为主的循环荷载。动应力的空间 分布与地基表面作用静力荷载( 如条形荷载) 产生的应力分布相似，但随列车运动而呈 动态变化。另外还研究了半空间地基的土性和列车速度对应力的影响，发现剪切模量 的影响与车速有关，列车速度对应力分布的影响很大，而泊松比仅对水平应力影响较 大。 1 4 研究目的、意义 客运专线运营期间，高速行驶的列车对隧道产生循环动荷载作用，富水黄土对振 动作用非常敏感，其土骨架结构易遭到扰动而软化，造成土的动孔隙水压上升、有效 应力降低，促使土的变形发展，强度降低，甚至发生液化破坏。从而使隧洞体系的受 力条件发生变化，改变了土层一隧洞体系已有的平衡条件，可能使隧道产生上浮或下 沉及纵轴线上不均匀变形引起的结构破坏等。虽然很多学者对隧道动力特性行了多项 科研课题研究，前者的研究大多集中在无水或少水隧道，对富水黄土隧道动力特性的 研究很少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 随着我国西部地区基础设施建设发展，在富水黄土地区将有越来越多的隧道工程。 现行的隧底加固工程措施在高速列车循环动荷载作用下，富水黄土隧道基底老黄土能 否不发生泥化或软化现象，满足沉降要求，保证线路的安全性、稳定性和平顺性? 最 直接、有效、可靠的方法是进行现场激振试验。通过模拟列车运行振动效应的激振试 验，得出富水黄土的动力特性和变形特性，明确回答富水黄土隧底的泥化软化问题、 隧道结构的长期振动沉降及稳定问题。这是其他理论研究和室内试验不可替代。 1 5 课题研究的主要内容、研究方法和技术手段 1 5 1 主要研究内容 试验主要控制作用在隧道基底上的动应力。模拟试验系统产生的动荷载，动应力 水平能够达到高速列车动载产生的动应力水平。为了更好地模拟列车动载对基床的影 响，调节试验系统的偏心块组合形式即偏心质量和偏心距、频率和配重，动力试验系 统与隧道基底耦合振动产生的表面动应力平均值在现场实测范围之内，即3 0 k p a 左右。 铁路路基承受的列车荷载是单向脉冲应力波。同一转向架上的轴距2 5 m ，同一车 厢的两个转向架之间的距离一般是1 8 m ，而相邻两节车厢的转向架间距一般是8 m 。当 车速为3 0 0 k m h 时，动载频率分别为3 3 3 3 h z 、1 0 4 2 h z 、4 6 3 h z ；车速为3 5 0k m h 时， 加载频率为3 8 8 9 h z 、1 2 1 5 h z 、一5 4 h z 。在高速行车的情况下，同一转向架上的两轴之 间的动载产生重叠，两峰之间的变化不大，可视为一次冲击。根据高频波与低频波的 传递特性，拟选用5 2 7 h z 的频率进行模拟。 通过模拟列车动荷载作用的激振试验，确定在隧底喷射厚度2 0 e r a 素混凝土( c 2 5 ) 加固层的工程措施情况下，隧底富水黄土物理力学性状，主要研究内容如下： ( 1 ) 激振试验前后隧底黄土级配曲线及其变化： ( 2 ) 激振试验前后隧底黄土承载力一变形特征的变化； ( 3 ) 激振试验前后隧底黄土强度指标的变化； ( 4 ) 动应力速度加速度动位移沿基床深度方向的分布规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 詈曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇舅曼鼍曼曼曼曼 - i i_i i ! 皇 1 5 2 研究方法 ( 1 ) 调研 通过国内外调研，文献检索、资料查阅、专题讲座、学术交流等形式，收集、整 理有关富水黄土隧道基底在动载作用下的振动特性、工后沉降和安全稳定性研究以及 富水黄土隧道隧底地基加固处理的方式、方法、设计参数、施工工艺、施工机械等资 料，为本课题的研究提供全面、翔实的资料信息基础。 ( 2 ) 现场试验 激振机模拟火车经过时的振动荷载，预埋测试元件记录振动速度、土压、水压、 应变情况。 在各频率段加载期间，需要测量的内容为： 从垫层到仰拱底部直至隧底地基土的振动速度( 各测点位置见附件) ； 垫层表面上，沿线路纵向和横向，距离振源不同距离处垂直向和水平向振动速度； 静、动土压力的大小； 混凝土应变的大小； 垫层顶面的弹性动变形； 加载完成后垫层项面的累计变形。 振动完成后通过预留孔取原状土进行室内土工试验、动力触探试验。 ( 3 ) 理论分析研究 统计现场实测结果，绘制振动速度、土压、水压、分布曲线，比较试验前后土工 试验结果，回答长期使用情况下隧道周围黄土是否泥化问题；借助于有限元法，对富水 隧道隧底加固措施进行模拟，比较有无加固措施两种情况下隧底土体的稳定性。 1 5 3 技术手段 ( 1 ) 泥化判别准则 通过激振试验前后隧底黄土物理力学特性的变化，主要是黄土级配曲线的变化， 判断确定其泥化和软化是否发生，以及发生范围和程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 判别方法 激振试验前后隧底黄土物理力学特性试验 通过隧底黄土颗粒级配曲线的对比试验，得出不同粒径含量的变化，特别是微小 颗粒含量的变化。若微小颗粒含量比加载前有明显的增加，可以认为在动载作用下该 黄土泥化的可能性增大。 通过激振前后隧底黄土抗剪强度指标的对比试验，判断是否泥化、软化现象发生。 若抗剪强度较激振试验前有减弱现象，则可判定激振试验后有泥化、软化现象出现。 动力触探试验 激振试验前后，通过预留孔进行动力触探试验。由此可判别隧底黄土承载力和变 形特性的变化情况。 1 6 依托工程背景 161 郑西客运专线张茅隧道撅况 郑西客运专线，全长4 5 88 ；孤。东起中原中心城市郑州市，西止西北门户西安市， 经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部。沿线黄土分布十分广泛，占线路总长 的9 0 左右，其中湿陷性黄土区段占全线总长的6 5 ，全线包含了湿陷性黄土的所有 湿陷等级，地层主要以第四系为主，沿线全新统、上、中、下更新统地层均有出露。 图卜1 张茅隧道也置母 图1 - l 中，灵宝至渑池段分布了大量的湿陷性黄土路段，湿陷性黄土累计长约6 3 k 1 3 1 。该段中占主要部分的是自重湿陷性黄土，湿陷等级多为i i 级，局部达级，湿 陷土层厚度达1 0 3 0 r a 。该段的自重湿陷土层较厚湿陷等级较严重。 i i _ _ _ _ _ _ _ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼! 皇曼i i ij i i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼! ! 曼曼蔓曼曼皇曼蔓曼曼 张茅隧道位于郑西客专渑池至灵宝段，隧道全长8 4 8 3 m ，为郑西客专最长的隧道。 隧道通过地段属低山丘陵及黄土台塬地貌。隧道进d 5 2 9 3 m 位于构造节理较发育的安 山岩夹砂泥页岩和灰岩；出口3 1 9 0 m ( 最大埋深1 0 0 m ) 地段为位于地下水位以下的第 四系中更新统黏质黄土，为v 级围岩。地下水水头高出拱顶最大约2 0 m ，黏质黄土垂 直节理发育，含丰富的孔隙水，天然含水量2 3 。隧道共分进口、1 撑斜井郑州、西安 方向、2 存斜井郑州、西安方向、出口六个工作面开挖，其中2 斜井、出口均为黏质黄 土地质。张茅隧道物理指标如表1 1 所示。 表1 1 张茅隧道物理指标一览表 1 6 1 张茅隧道激振试验段水文地质条件 ( 1 ) 地形、地貌 张茅隧道为低山丘陵及黄土台塬地貌，其中试验段所在的d k 2 2 5 + 1 4 0 一d k 2 2 5 + 1 7 5 段为黄土台塬地貌，黄土冲沟发育，多呈“v 字型，地形切割冲刷严重，地势陡 峻，黄土塬上地形平坦开阔，地面高程6 4 0 - - - 7 4 0 m ，相对高差约1 0 0 m 。 ( 2 ) 工程地质 地层岩性 测区分布有第四系全新统( q 4 m 1 ) 人工弃土、坡崩积( q 4 d 1 + 。1 ) 黏质黄土、冲洪 q 4 a 1 + p 1 ) 角砾土、中更新统( q 2 ) 黏质黄土夹圆砾土、断层角砾( f b r ) 、震旦系下 统马家河组( z 1 m ) 安山岩夹砂岩、泥页岩和灰岩。 隧道主要工程地质问题 不良地质： 测区内不良地质现象主要有黄土冲沟、错落体和崩积体、黄土窑洞。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 特殊岩土： 特殊岩土主要为黄土、膨胀土、人工弃土。 ( 3 ) 水文地质 测区地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。 第四系冲洪积层( q 4 a l + p 1 ) 层中砂卵石含丰富的孔隙水，主要位于隧道出1 3 山口河 漫滩及阶地内，对隧道影响不大。q 2 黄土垂直节理发育，含一定的孔隙潜水，地下水 位4 8 8 5 m ，渗透系数o 0 0 9 - 0 0 1 4 m d ，水质类型为h c 0 3 。c a 2 + m 9 2 + 型水，淡水， 对混凝土无侵蚀性；黏质黄土中所夹粗圆砾土亦含一定的孔隙潜水，该含水层呈透镜 体状，连续性差，部分成为上层滞水。 安山岩夹砂岩、泥页岩地层节理、裂隙发育，含较丰富基岩裂隙水，经钻探揭示， 地下水位埋深4 0 4 5 m ，渗透系数0 0 2 1 o 0 3 0m d ，水质类型s 0 4 2 h c 0 3 。c l - _ a 2 + 、s 0 4 2 一c a 2 + 型水，淡水，p h 值为7 5 8 4 ，对砼无侵蚀性。 灰岩段钻孔揭示无地下水位，但施工中不能排除遇岩溶裂隙水的可能性，灰岩分 布范围较小，施工遇大规模岩溶水可能性不大。 隧道最大涌水量为1 8 9 9 0m 3 d 本区极端最低气温1 7 。，最冷月平均气温0 3 。c ，冬季多霜冻，最大冻结深度0 3 3 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 皇皇曼曼曼鼍量鼍鼍蔓曼曼曼曼皇寰曼曼基一i i j i 一i i o 舅曼曼曼曼曼曼 1 6 2 张茅隧道的施工 张茅隧道采用短台阶七步开挖法施工【2 9 】 图1 - 2 短台阶七步开挖法开挖步序图 在图中，施工工序为： 第1 步：拱部进行超前支护后，采取上弧导预留核心土短台阶开挖。开挖后及时进 行喷、锚、网系统支护，架设工字钢架并复喷至设计厚度，形成较稳定的承载拱。 第2 、3 步：在承载拱的支护下，分别开挖中导左右边墙，以一定的时间差进行中 导边墙初期支护，使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧。 第4 、5 步：在完成上中导支护后，分段左右开挖下导，以一定的时间差施作下导 初期支护。 第6 步：开挖中部上中下台阶预留土。 第7 步：下台阶开挖落底并及时施作仰拱初期支护及仰拱砼，及早封闭成环。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章试验方案与方法 2 1 激振源与激振频率 2 1 1 激振频率 高速铁路振动效应与线上结构、线下结构、路基、地基等的特性有关。列车运营 时的激振频率主要与车距、转向架间距、轴距、车轮偏心距、轨距、线路不平顺、轨 道焊接打磨位置、轮轨磨损位置、行车速度、车体竖横向摆动等诸多因素有关。这是 一很复杂的大系统问题。各种激振源产生的激振频率范围一般在0 f 1 0 0 0 0 h z 。 在这个系统中，由轮轨接触关系造成的激振效应占主导作用。因此，本课题集中 研究轮轨关系所产生的激振效应问题。通常，由车距、转向架轴距、轴距等造成的激 振频率范围在0 f 4 0 h z 。对于线下结构和路基、地基而言这个激振频率段是起控制 作用的。 列车轴距所产生的激振频率可由下式计算： 厂：兰一 ( 2 1 ) 。 3 6 s 式中卜激振频率( h z ) ； r 行车速度( k i n h ) ： r 激振源距离，如轴距等( m ) 。 以德铁i c e1 型高速列车为例，根据上式可得出如下激振频率： 表2 - 1i c e1 型列车激振频率表 从上表可见，对线下结构产生激振作用的主要频率段在l - 4 0 h z 之间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 曼_ 一i i i i ；一； ii iiii i i 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼 2 1 2 激振应力幅值 研究表明可以用反映不平顺、附加动荷和轨面波形磨耗效应的激励力来模拟轮轨 之间的相互作用力( 列车荷载) ，以下是其表达式【1 7 2 1 】 f ( t ) = k l k 2 像+ 互s i n q t + 罡s i l l q f + 只s i i l 呜f ) ( 2 2 ) 式中k ，一反映相邻轮轨间的叠加作用的叠加系数，主要与车轮间距、车轮个 数、轮重等有关； k z 一反映钢轨、轨枕的传递和分散作用的分散系数； 咒一车辆的轴重，只、最、忍、分别对应不平稳性、作用在线路上的 动力附加动载、波形磨耗引起的荷载 只= m o a ，q 。，( 斟) ： 口f 一相应于不平稳控制条件下的几何不平顺失高； q 一振动圆频率； 皑= 2 m , 厶 厶一为几何不平顺曲线的波长，由表2 2 可查得； 一簧下质量( 1 洲) ； 我国目前所研制的高速车辆的轴重一般为1 7 2 1 t ，簧下质量取为m o = 7 5 0 k g ，k l 一般为1 2 1 7 ，1 【2 一般为0 6 - - - - 0 9 。 表2 - 2 各控制条件对应波长与正矢 考虑我国高速列车采用c r h ( c h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d ) 系列车型，c i m 3 为参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 车辆静载1 6 吨，簧下质量7 5 0 k n ，取典型的不平顺振动波长和相应的矢高为：l l = | 0 m ， a 1 = 35 m m ，l 2 = 2 m ，a 2 = o4 h a m l 3 = 0 5 m ，a 3 = 00 8 m m 。考虑时速v = 2 0 0 1 m 汕和v = 3 5 0 k m h 列车振动荷载，模拟出机车前5 秒的激振荷载时程曲线如下图所示。 懒怡 图2 - 1 , m 2 0 0 k m h 荷栽时程曲线田2 也, , = 3 5 0 k m h 荷栽时程曲线 按该数定裹选式计算得到激振力最大值在1 4 0 k n 左右。 21 3 激振设备选择 图 3d t s - 型动态试验系统 d t s 型动态试验系统，由西南交通大学自主研制。具有八种不同的偏心块组台形 式，对应不同的频率范围在同一频率条件下通过谒整不同的偏心块组合形式，输 出高幅值变化的激振力。 d t s 1 型动态试验系统主要由振动架、增速器及偏心块、万向联轴器、电器安装 台车等部件组成。系统振动的激励是采用双轴质量可调偏心块组件相对( 反) 旋转产 生离心惯性力原理。当两偏心块反向同速旋转时，在竖向两个分力合成一个按正弦规 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 量皇曼曼曼曼曼舅舅曼i , l ：a ii !蔓i iii -：_|,i l l 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼寡 律变化的振动力。改变偏心质量的大小，并在其相对应的频率范围内调整激振频率， 可以不同频率、大小的激振力。系统产生激振力频率范围5 4 2 h z ，激振力大小如下表 所示： 表2 3 激振机性能参数表 通过改变配重组合，最大激振力可达1 6 6 k n ，符合要求。 2 2 试验点布置及实验方案 2 2 1 试验点布置 本课题选择郑西客运专线张茅隧道d k 2 2 5 1 4 0 至d k 2 2 5 1 5 0 进行试验研究，如图2 4 至图2 7 所示，隧道断面面积1 7 0 m 2 ，轨道板底据隧道顶部净高9 3 m ，边墙最大净距1 3 5 m 。振动速度传感器9 个，土压力传感器9 个，孔隙水压力传感器4 个，应变传感器6 个。 ( 1 ) 振动传感器的布置 垂直振动速度传感器9 个，编号为： 激c z z d 一1 、激一c z z d 2 、激c z z d 3 、：激c z z d _ 4 、激c z z d 5 、 激一c z z d 6 、激c z z d 7 、激c z z d 8 、激一c z z d 9 ； ( 2 ) 土压传感器的布置 图2 4 振动传感器的布置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 土压力传感器9 个，编号为：激一j t y j 1 、 激j t y j 2 、激_ j t y j 3 、激- j t y j 4 、激 - j t y j 5 、激j t y j 6 、激一j t y j 7 、激- j t y j 8 、激一j t y j 9 ； ( 3 ) 孔隙水压力计的布置 孔隙水压力传感器4 个，编号为：激一j s y j 1 、激 _ j s y j 一2 、激一d s y j 3 、激一d s y j - 4 ； ( 4 ) 应变传感器的布置 应变传感器6 个，编号为：激y b j 1 、激 y b j 2 ，激y b j 3 ，激y b j 4 、激y b j 一5 ，激 y b j 6 。 ( 5 ) 各传感器平面布置图 删， 一 & 憎 j 一嘎j 7 图2 5 土压传感器的布置图 图2 - 6 孔隙水压力计的布置图 图2 7 应变传感器的布置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ! i i = i i i = i ：i ：u 皇曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼量曼鼍曼皇曼鼍曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼鼍皇毫曼鼍曼量曼! 曼曼皇曼皇皇皇曼曼舅蔓蔓曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼 2 5 02 5 0 2 8 21 r n1 2 q i 卜寺i ， 毒 苫三 耋已 卜7 5 n o q , j o d i l 一 一 下一f 一“卜 i b 一之b譬一一j i 一2 0 0 2 弼 2 2 2 试验方案 图2 - 8 各传感器平面布置图 群勰孔 应耕 土压力盒 垂熊褪船豁 ( 1 ) 疲劳加载试验 模拟列车加载振动2 3 0 万次，检验隧道基底黄土的稳定性。 ( 2 ) 扫频加载试验 模拟列车5 h z 、7 h z 、9 h z 、11 h z 、1 3 h z 、1 5 h z 、1 7 h z 、1 9 h z 、2 1 h z 、2 3 h z 、2 5 h z 、2 7 h z 频率加载作用下，各测点的垂直振动速度、动土压、动应力、动水压、的变 化情况。 ( 3 ) 现场土工试验 激振试验加载完成后，在埋管断面一、埋管断面二采取土样，具体为： 试验前的土样，在埋管断面二采取，隧道中心线附近和边沟附近各选取一个孔， 所采土样用于静三轴试验，另外两个孔先进行轻型动力触探，然后采样，用于颗粒分 析( 级配) 试验和直剪试验。 试验后的土样，在埋管断面一采取，两个孔所采土样用于静三轴试验，另外两个 孔先进行轻型动力触探，然后采样，用于颗粒分析( 级配) 试验和直剪试验。 ， 一 凸吉 、 ? 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 振动速度的评价指标 作为振动幅值的评判标准，可采用激振作用下的振动位移、振动速度或振动加速 度来描述。对于工程结构物和土体而言，宜采用国际通用的振动速度v ( m m s ) 加以 描述m 4 5 1 。因此，这里采用振动速度进行分析评价。 当动载作用在土体中引发的振动速度接近或达到土的临界振速时，产生共振现 象，土体结构将遭到破坏，严重时会导致地基失效，其上的建筑物不能正常使用。因 此，确定土的临界振速就显得十分重要，但是，由于土是典型的地质材料，性质非常 复杂，目前关于土的临界振速的确定还有诸多困难。岩土工程界现行常规方法【4 3 采用 对不同土的种类区别对待的方法而近似地取土体临界振动速度： y 临界= ，参考1 - i l ) l 5 ( 2 - 3 ) 式中i 广土的液性指数； y 参考一固结粘性土，取为4 0 删州s ； 欠固结粘性土，取为2 5 m m s ； 有机软土，取为3 m m s 。 对本试验工点而言，从表1 1 可得i l = ( w w p ) ( w l - w p ) = ( 2 3 - 2 2 ) ( 3 7 一2 2 ) = 0 0 6 6 7 。隧道测试断面埋深约为l o o m ，老黄土为周结状态粘性土，建议其临界振速取为： v 临界= ，参考( 1 一l ) l = 4 0 x ( 1 0 0 6 6 7 ) 1 知3 6 m m s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章现场试验数据分析整理 31 不同振动频率下基底动应力时程曲线 本次激振试验中激振频率涉及到各个频率，其中我们对得到数据中的5 h z ，7 h z ， 9 h z ，1 l h z 1 3 h z ，1 5 h z 下振动分别进行分析。 本次试验进行了一次较大规模变频率的振动，振动频率从5 h z 开始依次提升至7 h z ，9 h z ，1 1 h z ，1 3 h z ，1 5 h z ，每个频率之下持续振动2 0 分钟。我们从各频率下的2 0 分钟振动中选出5 4 测点进行分析 i b 兰：= 羔翁j l | | ：