王祥秋, 張火軍, 謝文璽

(佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院， 廣東 佛山 528000)

高速鐵路隧道結構動力累積損傷模型試驗研究

王祥秋, 張火軍, 謝文璽

(佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院， 廣東 佛山 528000)

為探討高速鐵路隧道襯砌結構在列車振動荷載長期作用下的動力累積損傷特征，闡述混凝土結構動力相似材料模型試驗原理，以武廣高速鐵路金沙洲隧道為原型，利用微?；炷磷鳛橄嗨撇牧?，構建隧道與圍巖動力相互作用全斷面試驗模型，施加高速列車振動荷載對相似材料模型進行動力累積損傷試驗； 試驗過程中同步測試隧道襯砌結構各特征點動應變、超聲波速度以及隧道底部圍巖接觸應力的時程響應數據，分析隧道襯砌結構動力響應特征與累積損傷規(guī)律。得出了在設計使用壽命期內，高速列車振動荷載長期作用下，隧道襯砌結構動力累積損傷效應不明顯，而隧道底部圍巖累積損傷破壞則應引起足夠重視等研究結論。

武廣高速鐵路； 金沙洲隧道； 微?；炷?； 全斷面隧道模型； 動力累積損傷

0 引言

從20世紀90年代末期開始，我國開始大力發(fā)展高速鐵路技術，目前高速鐵路通車里程以及建造水平均處于世界領先地位。我國許多學者針對普通鐵路隧道以及地鐵隧道結構在列車振動荷載作用下的動力響應特性進行了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，為確保普通鐵路與地鐵隧道的運營安全提供了重要依據；但針對普通鐵路與地鐵隧道結構動力累積損傷機制的研究尚未見報道。高速列車振動特性與普通列車存在較大差異，高速鐵路隧道結構受力更復雜、技術要求更高。目前我國針對高速鐵路運營管理的經驗與水平尚有待提高，關于高速鐵路隧道動力累積損傷以及長期穩(wěn)定性的研究才剛剛開始。國內外關于高速鐵路隧道結構動力損傷特性的研究具有代表性的工作主要有：文獻[1-2]根據能量原理，推導隧道結構損傷狀態(tài)下的能量反應方程，并基于損傷能量方程對隧道結構進行非線性地震反應分析；文獻[3]基于疲勞累積損傷理論，對列車荷載作用下隧道鋪底結構疲勞壽命及其損傷度進行了研究；文獻[4]基于有限元分析方法與室內模型試驗，對高速鐵路隧道結構振動響應特性及疲勞壽命進行了分析研究；文獻[5-13]基于模型試驗與有限元分析對高速鐵路隧道底部圍巖動力累積損傷特性進行了研究；文獻[14-15]針對高速列車氣動效應對隧道襯砌結構動力損傷特性的影響進行了初步研究。上述各項研究工作開創(chuàng)了隧道結構動力損傷研究的新領域，但關于高速列車長期振動荷載作用下隧道襯砌結構動力累積損傷機制與控制理論和方法的研究尚難以滿足高速鐵路健康發(fā)展與安全運營的需要。

為此，本文基于動力相似材料模型分析原理，選擇適宜的相似材料，構建隧道圍巖-仰拱-整體道床動力相互作用相似材料模型，利用MTS動力加載系統對模型施加高速列車振動荷載，分析研究高速鐵路隧道動力累積損傷模型，并采用RSM-SY6型智能聲波檢測儀同步監(jiān)測相似材料模型動力損傷發(fā)展過程，以此分析研究高速鐵路隧道的動力累積損傷特性。

1 隧道動力相似材料模型

1.1 模型設計思路

本文以武廣高速鐵路金沙洲隧道為研究對象，縮尺模型試驗均以該隧道斷面尺寸與圍巖條件為設計原型。根據動力相似材料模型原理，動力模型設計應滿足物理、邊界、幾何、動力平衡以及運動初始5個相似條件。在對實際模型設計時，要滿足全部相似條件困難很大。考慮到本次試驗主要研究隧道結構動力累積損傷問題，研究對象處于靜力平衡狀態(tài)，高速列車運行引起的振動力起主要控制作用。為此，相似材料模型試驗設計遵循如下基本原則： 1)圍巖與襯砌結構幾何形狀滿足幾何相似比； 2)圍巖與結構襯砌主要力學參數(彈性模量、應力應變、荷載)滿足相似比例關系； 3)不考慮重力影響。

1.2 模型參數確定

基于試驗研究目的，綜合考慮試驗設備與空間條件，首先確定試驗模型的長度相似比Cl=8.0，彈性模量相似比CE=1.0，然后遵循上述模型設計思路，利用量綱分析方法確定高速鐵路隧道結構動力累積損傷試驗模型其他物理力學參數相似比，如表1所示。

表1 模型相似比例關系

1.3 配筋設計

隧道襯砌結構及軌道板模型配筋設計均以武廣高速鐵路金沙洲隧道實際配筋量為計算依據，根據鋼筋抗拉強度和混凝土抗壓強度相似比，基于強度等效原則確定模型的配筋用量，具體的計算公式如下：

(1)

式中：Aps、fpy為隧道襯砌結構或軌道板原型配筋面積和抗拉強度；Apc、fpc為隧道襯砌結構或軌道板原型混凝土截面面積和抗壓強度；Ams、fmy為隧道襯砌結構或軌道板模型構件配筋面積和抗拉強度；Amc、fmc為隧道襯砌結構或軌道板模型構件混凝土截面面積和抗壓強度。

本次試驗采用渡鋅鐵絲作為隧道襯砌以及隧道板的配筋材料，通過對渡鋅鐵絲進行拉伸試驗測定鐵絲抗拉強度為75 MPa。依據武廣高速鐵路金沙洲隧道襯砌結構實際配筋量，運用式(1)計算確定模型隧道配筋量為橫向鋼筋φ10@200、縱向鋼筋φ12@250、箍筋φ8@250。軌道板配筋量則根據高速鐵路設計規(guī)范計算確定，其中軌道板縱向配筋為φ4@40、橫向配筋為φ4@30。

1.4 隧道模型制作

為了確保隧道襯砌結構混凝土骨料滿足幾何相似比要求，考慮到微?；炷镣瑯佑伤唷⑺腿斯づ渲频倪B續(xù)骨料按適當比例拌制而成，其力學性態(tài)與普通混凝土材料也非常相似，采用了微?；炷磷鳛樗淼滥Ｐ偷南嗨撇牧?。微粒混凝土采用中細砂作為原材料，經過篩分處理，取其中粒徑為2.5～5.0 mm的中等顆粒作為粗骨料(其體積占骨料總體積的60%)，粒徑小于1.25 mm的細小顆粒作為細骨料(其體積占骨料總體積的40%)，粗骨料與細骨料的體積比為3∶2。經過配比試驗確定模型隧道襯砌結構微?；炷僚浜媳葹樗盟唷眉毠橇稀么止橇?0.5∶1∶1.25∶1.875，混凝土強度等級為C35，其軸心抗壓強度為16.7 MPa,彈性模量為3.15×104MPa。隧道底部圍巖則以武廣高速鐵路金沙洲隧道某典型斷面隧道底部強風化泥質粉砂巖為原型，用適量配比的水泥土作為相似材料模擬隧道底部圍巖，圍巖容重為21.5 kN/m3,水泥土相似材料力學參數變形模量為395 MPa，單軸抗壓強度為 3.9 MPa，內摩擦角為45.1°，黏聚力為350 kPa,相當于隧道圍巖分類等級中的Ⅲ級圍巖。

基于上述各項隧道襯砌、軌道板以及隧道圍巖模型試驗參數，在室內制作了高速鐵路隧道動力損傷力學試驗的相似材料模型(如圖1所示)。隧道斷面形狀為曲墻拱形，截面最大高度為1.34 m，最大寬度為1.20 m，襯砌厚度為0.1 m。軌道板平面尺寸為500 mm×800 mm，厚度為50 mm。當隧道襯砌與軌道板模型達到28 d齡期后，預先澆注好模型箱底部水泥土相似材料圍巖(厚0.25 m),在水泥土相似材料達到一定強度尚未完全固化之前，將隧道襯砌模型吊裝到巖土模型箱內(箱體尺寸長4 m、寬1 m、高2 m)，以確保底部圍巖與隧道襯砌之間接觸良好。隧道模型側壁及上部空間用水泥砂充填密實，充填水泥砂之前，在巖土模型箱四周側壁固定10 cm厚EPE泡沫板，利用泡沫板所具有的黏彈性性能，模擬隧道與圍巖之間的黏彈性動力邊界條件。

(a) 隧道襯砌結構模型

(b) 隧道整體試驗模型

1.5 傳感器布設

為了全面采集高速鐵路隧道模型動力損傷試驗過程中的相關數據，根據試驗要求共布設了動應變(YB1-4)、土壓力(TY1-3)以及超聲波(SC1-4)3種監(jiān)測點，其中： 1)動應變監(jiān)測點布設于隧道端部與中部3個斷面，每個斷面分別在仰拱、拱腳、側墻以及拱頂布設1個監(jiān)測點，采用KFG通用箔式應變片，敏感柵長度為20 mm,溫度補償系數為5 με/℃。2)土壓力監(jiān)測點位于隧道襯砌底部圍巖之中，沿隧道底部環(huán)向共計布設3個土壓力監(jiān)測點，采用XHX410型土壓力盒，量程為1.0 MPa,分辨率≤0.05%F·S。3)超聲波監(jiān)測點布置于隧道端部2個斷面，具體位置與動應變監(jiān)測點一一對應，分別位于隧道襯砌結構仰拱(1#)、拱腳(2#)、側墻(3#)與拱頂部位(4#)，共計4個監(jiān)測點，采用ZBL-U520型非金屬超聲波檢測儀同步監(jiān)測隧道結構動力累積損傷全過程。隧道襯砌測點位置及各類傳感器具體布設方案如圖2所示。

(a) 監(jiān)測點布設示意圖

(b) 監(jiān)測點布設實物圖

2 動力損傷試驗

2.1 加載參數確定

2.1.1 加載峰值確定

根據高速列車運行荷載時程特征,結合MTS靜動力加載系統可提供的加載時程模式,確定采用正弦函數加載模式，試驗加載峰值根據國產CRH380A型高速列車設計參數，由列車軸重與荷載相似比按下式計算確定：

Fm=Fp/cF。

(2)

式中：Fm為試驗荷載峰值，kN；Fp為高速列車軸重，kN；cF為荷載相似比。

國產高速列車軸重一般小于200 kN，軌道板等線路底部結構以能承受300 kN設計動力軸重考慮，故本次試驗取高速列車動力軸重荷載為300 kN，由此可得動力荷載加載峰值為4.75 kN。

2.1.2 加載頻率確定

本次模型試驗采用8節(jié)列車車輛編組方式，根據國產CRH380A型高速列車設計參數，其輪對間距(軸距)為25.5 m。模型試驗加荷頻率主要根據列車運行速度、列車輪對間距(軸距)以及荷載頻率相似比計算確定，具體計算公式為

f=v/(cwl)。

(3)

式中：f為加載頻率，Hz；l為列車車輛軸距，m；v為高速列車行車速度,m/s。

按列車運行速度為200 km/h，計算可得加載頻率為17.36 Hz。

2.1.3 加載方式

試驗過程中，通過MTS液壓伺服加載系統對隧道模型施加正弦波激勵荷載，荷載振幅為4.75 kN，角頻率ω=109.0 rad/s。為了模擬列車輪軌間的相互作用，在隧道模型底部仰拱部位鋪設了整體道床結構，并在軌道板上安放了2條小鋼軌。隧道模型制作時，在隧道頂部預留直徑為75 mm的孔洞，并專門設計加工了一套荷載轉換裝置，通過隧道頂部預留孔洞，利用荷載轉換裝置與剛性分配梁將MTS激勵荷載對稱分配到2條小鋼軌上，由此模擬列車運行時輪對在軌道上的沖擊作用。由于小鋼軌的截面抗彎剛度與隧道襯砌結構以及線路底部結構總剛度相比很小，故小鋼軌可視為剛性地基上的柔性梁，MTS激勵荷載經過剛性分配梁均分到小鋼軌上的荷載可近似視為集中激勵荷載。

2.2 數據采集

因試驗布設的測點種類和數量多，需要采集的數據量大，故試驗過程中由TMR動態(tài)數據測試分析系統采集土壓力信號，DH5922N型動態(tài)信號測試分析系統采集動應變信號，采樣頻率設定為200 Hz。由智博聯非金屬混凝土損傷測試儀同步采集隧道襯砌結構超聲波速信息，試驗過程如圖3所示。

(a) 試驗加載控制系統

(b) 超聲波測試

3 試驗數據處理與分析

3.1 隧道襯砌結構動應變特性

通過對隧道襯砌結構各測點動應變試驗數據進行分析，可得各特征點動應變幅值的變化規(guī)律如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，高速列車在振動荷載作用下，隧道襯砌結構不同部位表現出不一樣的振動響應特征。

隧道中部斷面(位于隧道軸線方向中心點處，至隧道兩端的距離均為0.5 m)，沿隧道軸線方向的動應變(即軸向應變)在仰拱、拱腳以及拱頂表現為拉應變，且三者呈現出相似的變化規(guī)律，即在累積振動次數少于20萬次時，動應變幅值隨累積振動次數呈線性增大關系，隨累積振動次數的增加動應變幅值逐步趨于穩(wěn)定。不同部位動應變最大幅值卻不一樣，拱頂處軸向拉應變最大值為11.45×10-6，拱腳處軸向拉應變最大值為7.26×10-6，仰拱處軸向拉應變最大值為4.83×10-6；側墻部位則表現為壓應變，其軸向壓應變最大值為14.98×10-6。隧道中部斷面沿隧道襯砌結構環(huán)向方向的動應變(即環(huán)向應變)則表現出不同的變化規(guī)律，即在拱腳、側墻以及拱頂部位表現為壓應變，其中： 拱腳處環(huán)向壓應變最大值為5.81×10-6，側墻處環(huán)向壓應變最大值為11.63×10-6，拱頂處環(huán)向壓應變最大值為11.95×10-6；而在仰拱部位則表現為拉伸效應，仰拱處環(huán)向拉應變最大值為17.60×10-6。

(a) 隧道襯砌軸向動應變幅值

(b) 隧道襯砌環(huán)向動應變幅值

(a) 隧道襯砌環(huán)向動應變幅值

(b) 隧道襯砌軸向動應變幅值

Fig. 5 Variation curves of dynamic stress at ends of tunnel section

對于隧道端部斷面(即位于隧道模型兩端進出口處的斷面)，由于邊界約束條件改變，在高速列車振動荷載作用下，隧道襯砌結構各特征點的動應變發(fā)展規(guī)律與隧道中部斷面存在明顯差異。隧道端部環(huán)向應變在拱腳以及側墻部位表現為壓應變，而在仰拱部位則表現為拉應變，各部位的動應變幅值均隨累積振動次數的增加而不斷增大，當累積振動次數達到800萬次以上時，應變幅值基本趨于穩(wěn)定，其中： 仰拱處最大環(huán)向拉應變值為27.62×10-6，拱腳處最大環(huán)向壓應變值為13.50×10-6，側墻處最大環(huán)向壓應變值為7.60×10-6。隧道端部軸向應變在仰拱、拱腳以及側墻部位均表現為拉應變，且各部位拉應變幅值均隨累積振動次數的增大而不斷增加，存在明顯的動力累積損傷效應，當累積振動次數達到800萬次以上時，拉應變幅值趨于穩(wěn)定，其中： 仰拱處最大軸向拉應變值為13.98×10-6，拱腳與側墻處最大軸向拉應變值均為 5.2×10-6。由此可見，高速列車在振動荷載作用下，隧道端部仰拱部位軸向與環(huán)向均產生了明顯拉伸效應，最容易產生動力累積損傷破壞。

與此同時，由圖4和圖5可知，各特征點的動力變幅值隨累積振動次數呈現出相似的變化規(guī)律，即在振動初期，動應變幅值隨累積振次的增大而不斷增加，當累積振次超過800萬次以上，動應變幅值逐步趨于穩(wěn)定，表明隧道襯砌結構的累積損傷增量逐步降低。

3.2 隧道襯砌結構超聲波特性分析

為了同步監(jiān)測隧道襯砌結構在動力加載試驗過程中的累積損傷情況，在隧道襯砌端部沿環(huán)向分別于仰拱、拱腳、側墻以及拱頂埋設了4對超聲波速監(jiān)測點，對隧道襯砌結構各特征點超聲波波速進行同步測試。各特征點超聲波波速隨累積振動次數的衰減規(guī)律如圖6所示。基于彈性介質超聲波變化速率與其損傷程度的相關關系，可知仰拱、拱腳、側墻以及拱頂部位襯砌結構的累積損傷呈現出相似的變化規(guī)律；但隧道仰拱、拱腳的累積損傷程度相比側墻與拱頂部位較大，說明理論分析與工程實際現象相吻合。

圖6 隧道襯砌超聲波波速變化規(guī)律

3.3 隧道襯砌結構累積損傷特性分析

根據彈性介質損傷理論，當混凝土產生損傷時其超聲波波速改變與混凝土損傷參量D存在如下關系，即：

(4)

由試驗可知，混凝土未損傷時的超聲波波速為4.12 km/s，根據不同累積振次荷載作用下隧道襯砌結構超聲波檢測數據，利用式(4)計算可得各特征點損傷參量,采用指數函數擬合可得隧道襯砌結構累積損傷隨累積振動次數的發(fā)展規(guī)律，如圖7所示?？梢钥闯觯淼酪r砌結構各特征點動力累積損傷發(fā)展規(guī)律基本一致。

(a) SC-1仰拱

(b) SC-2拱腳

(c) SC-3側墻

(d) SC-4拱頂

Fig. 7 Developing curve of cumulative damage of tunnel lining structure

3.4 隧道與圍巖接觸應力分析

為分析研究隧道襯砌結構與底部圍巖之間的動力相互作用特性，本次試驗在隧道底部圍巖內布設了3個土壓力盒，用以同步監(jiān)測動力加載過程土壓力變化情況，由土壓力測試數據分析可得各測點土壓力峰值隨累積振次的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 隧道與圍巖接觸壓力變化規(guī)律

Fig. 8 Variation rule of contact stress between tunnel and surrounding rock

由圖8可知，隧道底部圍巖內各測點動土壓力峰值基本保持不變，各測點動土壓力峰值主要取決于該點動力加載前的靜止土壓力值。隧道襯砌結構動力受荷過程中，仰拱中心點以下的隧道底部動土壓力峰值最大，向兩側隧道底部動土壓力逐步減小。與此同時，在試驗過程中也發(fā)現，盡管隧道圍巖應力幅值基本保持不變，但在隧道與圍巖接觸面處的圍巖卻發(fā)生了破壞(如圖9所示)，裂紋寬度為1.2～2.1 mm，長度為0.35 m，屬于張拉裂紋，這可能與隧道和圍巖接觸面處產生了周期性拉壓應力，導致圍巖產生拉伸破壞有關。這種現象表明，高速鐵路隧道在列車振動荷載作用下的長期穩(wěn)定性與隧道底部圍巖的累積損傷與破壞密切相關，在隧道設計與施工過程中應給予高度重視。

圖9 隧道底部圍巖接觸面損傷裂紋

Fig. 9 Damage cracks at contacting surface between tunnel and surrounding rock under tunnel

4 結論與討論

1)基于混凝土動力相似材料模型原理，以微?；炷磷鳛橄嗨撇牧蠘嫿ǜ咚勹F路隧道全斷面大型縮尺試驗模型，可真實有效地模擬高速鐵路隧道襯砌結構全斷面力學性態(tài)以及隧道與圍巖動力相互作用特性。

2)高速列車振動荷載引起隧道接觸面處圍巖的動力累積損傷相對于隧道襯砌結構本身更加顯著，在分析高速鐵路隧道長期動力穩(wěn)定性時，不能忽視隧道底部圍巖動力累積損傷特性。

3)高速鐵路隧道結構動力累積損傷特性在不同部位和不同斷面處存在較大差異，隧道仰拱和拱腳處的動力損傷相對于側墻與拱頂處更加明顯，隧道端部動力累積損傷相對于中間部位更加顯著。

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Experimental Study of Dynamic Cumulative Damage Model for High-speed Railway Tunnel

WANG Xiangqiu, ZHANG Huojun, XIE Wenxi

(SchoolofTransportationandCivilEngineering&Architecture,FoshanUniversity,Foshan528000,Guangdong,China)

The characteristics of dynamic cumulative damage of lining structure of high-speed railway tunnel under the long-term vibration load of train and the dynamic similar material model test for concrete structure should be well known. A full-face tunnel test model for the dynamic interaction between Jinshazhou Tunnel on Wuhan-Guangzhou High-speed Railway and surrounding rocks is established by using microconcrete as similar material; and then the vibration load of high-speed train is brought to bear on the model to carry out dynamic cumulative damage test; meanwhile, the characteristics of dynamic response and the cumulative damage law of tunnel lining structure are analyzed by collected data of dynamic strain of tunnel lining structure, velocity of ultrasonic and contact stress of surrounding rock under tunnel during test. The results show that under the long-term action of vibration load of high-speed train, the dynamic cumulative damage of tunnel lining structure is not obvious while that of surrounding rock under tunnel is obvious.

Wuhan-Guangzhou High-speed Railway; Jinshazhou Tunnel; microconcrete; full-face tunnel model; dynamic cumulative damage

2017-03-10;

2017-05-13

國家自然科學基金資助項目(51278121); 廣東省教育廳重大特色創(chuàng)新資助項目(2014KTSCX155)

王祥秋(1968—)，男，湖南衡陽人，2004年畢業(yè)于同濟大學，結構工程專業(yè)，博士，教授，主要從事巖土與地下結構工程的教學與科研工作。E-mail： tongji_wxq@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.004

U 45

A

1672-741X(2017)08-0939-07