王海龍，董 捷，武志輝，王志崗

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000; 2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

隨著我國(guó)交通線網(wǎng)密度的逐年增加，各類高風(fēng)險(xiǎn)交叉隧道工程逐年增多。其中，小凈距重載鐵路交叉隧道因上部重載列車軸重大、荷載持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、沖擊荷載幅值高等因素的影響，交叉段下部新建隧道施工給上部既有重載鐵路安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。

眾多學(xué)者針對(duì)地鐵列車運(yùn)行引起隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]基于有限元數(shù)值方法，針對(duì)地鐵振動(dòng)荷載作用下近距離平行隧道結(jié)構(gòu)的二維彈塑性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬，分析隧道結(jié)構(gòu)體系的加速度和內(nèi)力響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)建立交疊隧道三維計(jì)算模型，分析了地鐵列車荷載作用下的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)及其頻譜特性。文獻(xiàn)[4]建立車輛-輪軌模型，研究地鐵運(yùn)營(yíng)期間列車振動(dòng)荷載對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[5-8]結(jié)合二維或三維數(shù)值模擬結(jié)果，研究列車振動(dòng)荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)普通鐵路隧道，以隧道立體交叉工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法，開展列車動(dòng)荷載作用下不同立體交叉結(jié)構(gòu)位移、加速度、內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律的研究。文獻(xiàn)[10]利用分層法研究了列車移動(dòng)荷載作用下隧道交叉斷面處隧道結(jié)構(gòu)及圍巖振速與動(dòng)位移的響應(yīng)規(guī)律。采用列車激振力函數(shù)模擬高速列車豎向荷載，運(yùn)用彈塑性有限元方法及數(shù)值模擬對(duì)大斷面隧道結(jié)構(gòu)[11]、交叉隧道結(jié)構(gòu)[12]在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了深入的分析。文獻(xiàn)[13-14]以列車振動(dòng)荷載現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果為基礎(chǔ)，獲得隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移、豎向加速度的響應(yīng)特性。

相比而言，重載列車激勵(lì)荷載作用下鐵路隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究較少。文獻(xiàn)[15]將基底填充層表面實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線作為激振荷載，運(yùn)用Ansys軟件進(jìn)行重載列車作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力分析。針對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受列車荷載作用更大的特點(diǎn)，部分學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究重載列車荷載作用下鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的位移、加速度[16]、動(dòng)壓力[17]及動(dòng)應(yīng)力分布特點(diǎn)[18]。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，以往研究?jī)?nèi)容多涉及地鐵或山區(qū)普通鐵路交叉隧道，而下穿隧道近接施工過(guò)程中，受上部隧道重載列車荷載的影響，交叉段圍巖受力狀態(tài)、既有隧道沉降變形及動(dòng)力響應(yīng)特性將異常復(fù)雜。基于此，本文以新建京張高速鐵路草帽山隧道下穿唐呼重載鐵路北草帽山隧道為例，重點(diǎn)研究下穿隧道施工及列車荷載作用下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形及動(dòng)力響應(yīng)特性，從而為類似重載鐵路交叉隧道工程提供技術(shù)支持及經(jīng)驗(yàn)參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程背景

新建京張高速鐵路草帽山隧道位于河北省張家口市沙嶺子鎮(zhèn)北，隧道采用單洞雙線形式，隧道進(jìn)口里程DK172+980，出口里程DK180+320，全長(zhǎng)7 340 m，設(shè)計(jì)速度250 km/h。

隧道在DK173+862—DK174+057段下穿唐呼鐵路，京張高速鐵路草帽山隧道與唐呼鐵路北草帽山隧道交接里程DK173+965(唐呼鐵路IDK25+620)，見圖1。相交段京張高速鐵路草帽山隧道設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，唐呼鐵路北草帽山隧道為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道周邊為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)熔巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖石裂隙發(fā)育，氣孔發(fā)育，呈散體狀結(jié)構(gòu)。新建隧道拱頂距唐呼鐵路隧道底約16.39 m，隧道平面交角76°，該隧道底層為全強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。為保證隧道施工順利進(jìn)行和唐呼鐵路運(yùn)營(yíng)安全，隧道下穿唐呼鐵路段施工以“預(yù)加固，短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”的原則進(jìn)行。

圖1 交叉隧道示意(單位：mm)

1.2 測(cè)試概況

振動(dòng)測(cè)試采用TC-4850N高精度測(cè)振儀，內(nèi)置4G和WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，可以將傳感器采集到的襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)傳到互聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)器上，并與4850N-Software結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的處理。沉降監(jiān)測(cè)元件采用精度為0.001 mm的液壓式靜力水準(zhǔn)儀(PT124B-226)，設(shè)置自動(dòng)采樣頻率5 min一次，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意見圖2。

圖2 既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)(單位：m)

2 重載列車振動(dòng)荷載模擬

重載列車作用于軌道上的輪軌作用力主要由兩部分組成，一部分是列車自重產(chǎn)生的靜載，另一部分是列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)荷載。目前，在列車荷載模擬研究過(guò)程中，文獻(xiàn)[19]采用解析法建立了軌道結(jié)構(gòu)耦合分析模型，用移動(dòng)常荷載或移動(dòng)簡(jiǎn)諧荷載模擬地鐵列車。文獻(xiàn)[20]建立車-軌-隧道-地基豎向耦合動(dòng)力模型，計(jì)算列車荷載作用下軌道道床接觸點(diǎn)荷載時(shí)程。大多學(xué)者[2,6,9,11,21-22]主要采用激勵(lì)力函數(shù)來(lái)模擬地鐵及高速列車荷載，該函數(shù)數(shù)定表達(dá)式為

F(t)=k1k2(P0+P1sinω1t+P2sinω2t+P3sinω3t)

( 1 )

式中：k1為相鄰輪軌力疊加系數(shù)，取值為1.2～1.7；k2為鋼軌分散系數(shù)，取值為0.6～0.9；P0為列車靜載。

Pi=M0aiωi2

( 2 )

式中：M0為列車簧下質(zhì)量；ai為軌道幾何不平順控制條件的矢高；ωi為軌道不平順控制條件下的振動(dòng)圓頻率，表達(dá)式為ωi=2πv/Li，v為列車速度，Li為幾何不平順曲線的典型波長(zhǎng)，具體見文獻(xiàn)[6,9]中引用的英國(guó)鐵路中心軌道幾何不平順控制值。

目前普通列車或高速列車振動(dòng)荷載譜大多采用該經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)定模擬，部分學(xué)者[18,23-24]采用激振力函數(shù)來(lái)模擬重載列車振動(dòng)荷載。研究發(fā)現(xiàn)，選用該模型模擬重載列車荷載時(shí)并不完全適用。例如，滿載C80B重載列車，單邊軸重12.5 t，簧下質(zhì)量約為2 t，得到該重載列車以80 km/h速度行駛時(shí)的振動(dòng)荷載波形，見圖3。

圖3 列車荷載模擬時(shí)程

該模型中列車動(dòng)荷載波動(dòng)幅值較小，最大值約165 kN，最小值約110 kN，即列車運(yùn)行過(guò)程中，軌道結(jié)構(gòu)時(shí)刻承受著來(lái)自列車的激勵(lì)荷載。該模型忽略了車廂轉(zhuǎn)向架間軸距對(duì)列車附加振動(dòng)荷載的影響。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)大量的實(shí)測(cè)分析認(rèn)為，列車荷載直接由輪下的一根軌枕和前后各兩根軌枕共同承擔(dān)，相應(yīng)的分擔(dān)比為0.1∶0.2∶0.4∶0.2∶0.1[25]。因此，在列車行駛過(guò)程中，位于每節(jié)車廂正下方的部分軌枕將不受列車輪載作用，即該時(shí)刻部分軌枕受到的列車振動(dòng)荷載基本為0，與目前列車荷載數(shù)定模型有一定偏差，可見該模型不能完全適用于重載列車動(dòng)力荷載的模擬。

當(dāng)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)軌道結(jié)構(gòu)傳遞到軌枕等支承結(jié)構(gòu)上，通過(guò)道床表層再以波的形式經(jīng)由隧道襯砌結(jié)構(gòu)向周邊傳播，引起襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖振動(dòng)。為了分析列車-軌道-道床豎向振動(dòng)特性，計(jì)算軌枕傳遞給道床表層的動(dòng)荷載，采用圖4所示的振動(dòng)分析模型。

圖4 軌道振動(dòng)荷載分析模型

該動(dòng)力分析模型是由列車、軌道、道床耦合組成的，基于既有列車振動(dòng)荷載數(shù)定模型，充分考慮重載C80B列車軸重、車速及編組的影響，結(jié)合輪下軌枕對(duì)列車振動(dòng)荷載的有效承擔(dān)比，并參考文獻(xiàn)[18,26]中重載鐵路激勵(lì)荷載幅值，修正后的滿載C80B列車振動(dòng)荷載模擬波形見圖5。

圖5 重載列車激勵(lì)荷載修正時(shí)程

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，可將每根軌枕處道砟層振動(dòng)荷載作為激勵(lì)振源，本次數(shù)值模擬振源選取修正的重載列車荷載時(shí)程，見圖5。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

以京張高速鐵路草帽山隧道下穿唐呼鐵路北草帽山隧道交叉段為分析對(duì)象，分別建立全斷面法、臺(tái)階法及三臺(tái)階開挖施工動(dòng)力分析模型，具體開挖工法如下。距離為負(fù)值表示近接交叉斷面施工開挖，正值表示遠(yuǎn)離交叉斷面施工開挖。

(1)全斷面法開挖：掌子面施工至距交叉點(diǎn)0、±6、±13、±20、±30、±50 m。

(2)臺(tái)階法開挖：臺(tái)階長(zhǎng)度10 m，上下臺(tái)階高度分別為6.5 m和5.5 m，上臺(tái)階掌子面施工至距交叉點(diǎn)0、±6、±13、±20、±30、±50 m。

(3)三臺(tái)階法開挖：臺(tái)階長(zhǎng)度6 m，上臺(tái)階高度取2.5 m，中臺(tái)階和下臺(tái)階高度取3.5 m，仰拱滯后下臺(tái)階8 m后閉合，上臺(tái)階掌子面施工至距交叉點(diǎn)0、±6、±13、±20、±30、±50 m。

為了提高動(dòng)力計(jì)算效率，減少動(dòng)力計(jì)算時(shí)間，錨桿對(duì)圍巖的加強(qiáng)作用通過(guò)提高錨固區(qū)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，提高錨固區(qū)圍巖彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角約1.3倍可較好模擬錨桿作用[27-28]。在靜力分析階段，模型四周邊界約束法向位移，模型底部設(shè)為固定約束，上表面為自由面；動(dòng)力分析過(guò)程中，模型四周及底部設(shè)置靜態(tài)邊界，可有效吸收模型邊界處的入射波，從而減少入射波在模型邊界處的反射，提高數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。

靜態(tài)邊界條件使用阻尼器來(lái)消耗邊界法向和切向的能量，阻尼器提供的法向和切向黏性力分別為tn、ts,計(jì)算式為

tn=-ρCpvnts=-ρCsvs

( 3 )

( 4 )

式中：ρ為巖土體密度；Cp為壓縮波波速；Cs為剪切波波速；vn、vs分別為邊界處法向速度、切向速度，模型動(dòng)力求解過(guò)程中，其值依據(jù)相鄰實(shí)體單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度值計(jì)算，分別為邊界網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度的法向分量及切向分量，且模型計(jì)算過(guò)程中隨著節(jié)點(diǎn)速度不斷變化而變化。

交叉隧道三維模型中，下部隧道拱頂與上部隧道拱底間凈距約16 m，以隧道交叉點(diǎn)為中心，沿隧道前后、左右各取50 m，其中上部隧道拱頂距模型上部邊界30 m，向下取距離新建隧道仰拱底20 m，選取既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂、邊墻及隧底三個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行分析，數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)見圖6。

交叉隧道圍巖采用Mohr-Coulomb模型模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬。模型采用瑞利阻尼，由于巖土體材料進(jìn)入塑性流動(dòng)階段時(shí)大量能量得以消耗，對(duì)于許多牽涉大變形的動(dòng)力分析來(lái)說(shuō)，最小臨界阻尼比ξmin取0.5%就能滿足要求，同時(shí)最小中心頻率ωmin近似取為模型的自振頻率2.0 Hz。模型分析中襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖按連續(xù)、均勻介質(zhì)考慮，結(jié)合京張高速鐵路草帽山隧道隧道與唐呼鐵路北草帽山隧道襯砌支護(hù)參數(shù)，根據(jù)隧道交叉段實(shí)際圍巖級(jí)別及特性，并參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》得到模型具體計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

3.2 數(shù)值模型有效性驗(yàn)證

模型計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊墻處沉降值和振速隨下穿隧道采用三臺(tái)階法近接施工的變化情況，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型研究的可靠性。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)既有唐呼重載鐵路北草帽山隧道交叉點(diǎn)斷面(IDK25+620)進(jìn)行沉降與振動(dòng)監(jiān)測(cè)，見圖7。隧道交叉段施工期間，唐呼重載鐵路北草帽山隧道C80列車運(yùn)行速度約為80 km/h，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)列車正常運(yùn)行過(guò)程中，上部隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速隨下穿隧道開挖掘進(jìn)的變化情況，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)既有隧道沉降隨下穿隧道掌子面距交叉點(diǎn)不同距離的變化幅值，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8。

圖7 沉降及振動(dòng)監(jiān)測(cè)示意

圖8 既有隧道沉降曲線對(duì)比

由圖8可知，數(shù)值計(jì)算模型中交叉點(diǎn)處沉降變形規(guī)律與實(shí)際測(cè)量情況基本一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果差異較小。

通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，得到列車運(yùn)行過(guò)程中交叉點(diǎn)處既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊墻振速響應(yīng)值，包括x方向(平行于隧道)振速、y方向(垂直于隧道)振速和z方向(鉛垂向)振速，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,見圖9。

圖9 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速對(duì)比

由圖9可知，在既有重載鐵路正常運(yùn)營(yíng)條件下，隨著下穿隧道掌子面的不斷向前推進(jìn)，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)x方向振速為0.235～0.736 mm/s，y方向振速為0.823～1.448 mm/s，z方向振速為0.415～0.956 mm/s；而后續(xù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，襯砌結(jié)構(gòu)x方向振速為0.55～0.61 mm/s，y方向振速為1.156～1.243 mm/s，z方向振速為0.75～0.84 mm/s。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均反映既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)x、y與z三個(gè)方向的振速隨著下穿隧道的開挖而逐漸增大，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究的可行性，從而為后續(xù)研究奠定了可靠的基礎(chǔ)。

3.3 沉降變形結(jié)果分析

下穿隧道施工過(guò)程中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移變化情況是分析隧道穩(wěn)定性的重要依據(jù)，針對(duì)下穿隧道三種不同施工方法，分析既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)沉降變形隨下穿隧道近接施工的變化規(guī)律，沉降變形曲線見圖10。

圖10 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形曲線

由圖10可知，下穿隧道采用三種不同施工方法開挖，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂、邊墻及隧底的沉降變化規(guī)律基本一致，沉降值在下穿隧道掌子面距交叉點(diǎn)-30～ -20 m時(shí)緩慢變化；當(dāng)掌子面距交叉點(diǎn)-20 m時(shí)，隨著掌子面的不斷向前推進(jìn)，既有隧道沉降趨勢(shì)逐漸增大，由于下穿隧道的開挖破壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巖體釋放大量的能量，進(jìn)一步造成圍巖的破壞，于是下穿隧道開挖對(duì)既有隧道沉降影響較大；當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)30 m后，沉降逐漸趨于穩(wěn)定，下穿隧道開挖卸荷對(duì)既有隧道的沉降影響逐漸減弱。其中，既有隧道交叉斷面處各特征點(diǎn)豎向位移均表現(xiàn)為隧底最大，邊墻次之，拱頂最小。采用三臺(tái)階法開挖引起既有隧道沉降變形值最小，隧底沉降值約為14.9 mm，臺(tái)階法約為15.9 mm，采用全斷面開挖引起的沉降值最大，約為16.7 mm。顯然下穿隧道開挖卸載速度會(huì)影響交叉段巖體的力學(xué)特性，從而造成上部既有隧道不同的沉降量，由于三臺(tái)階開挖的卸載速度在三種施工方法中最慢，所以對(duì)既有隧道的影響最小。

新建隧道下穿既有重載鐵路隧道，實(shí)際兩隧道間圍巖夾層厚度為新建隧道跨度的1.1倍，分別以圍巖夾層厚度取0.5B、1.1B、1.5B、2.0B(B為新建隧道洞跨)進(jìn)行研究分析，圖11為交叉隧道圍巖夾層不同厚度對(duì)既有隧道交叉段整體沉降變形的影響規(guī)律。

圖11 隧道交叉段整體沉降曲線

由圖11可知，既有隧道沉降值隨著圍巖夾層厚度的增加而減小。當(dāng)夾層厚度為2.0B時(shí)，既有隧道最終沉降量為7.99 mm；當(dāng)夾層厚度減小為1.5B、1.1B、0.5B時(shí)，沉降量分別增至10.9、15.1、21.9 mm。分析可知，當(dāng)夾層厚度大于1.1B時(shí)，既有隧道沉降值隨夾層厚度的變化基本呈線性關(guān)系。隨著夾層厚度的不斷減小，沉降量明顯增大，變形發(fā)生突變，表明既有隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)，應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。通過(guò)對(duì)既有隧道沉降量隨夾層厚度變化的分析可知，新建隧道下穿既有重載鐵路隧道的最小安全距離約為1.0B的范圍，當(dāng)隧道凈距小于該范圍時(shí)，新建下穿隧道施工過(guò)程中，必須采取相應(yīng)的措施，確保既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)及新建隧道的正常施工。

3.4 振動(dòng)速度結(jié)果分析

下穿段隧道采用三臺(tái)階法開挖盡可能減輕對(duì)圍巖及既有隧道的振動(dòng)，下穿隧道爆破施工過(guò)程中，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速容許值為2.5 cm/s，隧道施工采用光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)。根據(jù)圍巖情況，及時(shí)修正爆破參數(shù)，最大循環(huán)進(jìn)尺為1.5～2 m，并相應(yīng)調(diào)整最大裝藥量，以達(dá)到最佳爆破效果。爆破采用非電毫秒雷管起爆系統(tǒng)，引爆采用電雷管，炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，選用φ32藥卷。

由于上臺(tái)階隧道掌子面爆破產(chǎn)生振動(dòng)最大，重點(diǎn)選取上臺(tái)階爆破既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與重載列車車致振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。下穿隧道爆破掘進(jìn)期間所引起的上跨既有隧道襯砌振動(dòng)速度值如表2所示。隨著掌子面逐漸遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與爆源間距離逐漸增大，施工爆破對(duì)既有隧道振動(dòng)影響逐漸減弱，相比而言，重載列車引起既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速幅值卻逐漸增大。隧道爆破施工對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響具有瞬時(shí)性，且持續(xù)時(shí)間較短，而重載列車通過(guò)隧道引起振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性造成較大影響。因此，基于重載列車荷載激勵(lì)，重點(diǎn)展開對(duì)下穿隧道施工過(guò)程中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特性的研究。

表2 既有隧道振速對(duì)比分析

針對(duì)下穿隧道的三種不同施工方法，通過(guò)對(duì)比分析既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)振速隨下穿隧道開挖步的變化情況，探究重載列車振動(dòng)荷載作用下不同施工方案對(duì)上部既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。

圖12為下穿隧道采用三臺(tái)階法開挖，在重載列車振動(dòng)荷載作用下，上部既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊墻處x、y和z三個(gè)方向振速時(shí)程曲線。

圖12 既有隧道邊墻振速時(shí)程圖

受重載列車激勵(lì)荷載的影響，襯砌結(jié)構(gòu)振速迅速增大至峰值，然后趨于穩(wěn)定，隨著列車荷載施加結(jié)束，振速逐漸趨于0。其中，x方向振速峰值為0.6 mm/s，y方向振速峰值為1.2 mm/s，z方向振速峰值為0.8 mm/s。由此可知，在列車激勵(lì)荷載作用下，交叉斷面邊墻振速峰值由大到小依次為：y方向、z方向、x方向。

圖13反映了既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊墻處振速大小隨下穿隧道開挖的變化情況。

圖13 既有隧道邊墻振速對(duì)比

由圖13可知，新建隧道采用三種不同施工方法開挖，當(dāng)下穿隧道掌子面開挖至距交叉點(diǎn)-20 m附近時(shí)，x、y和z方向振速分別為0.55、1.156、0.75 mm/s，隨著掌子面的不斷向前推進(jìn)，邊墻處振速值逐漸增大；在下穿隧道掌子面遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)30 m后，三方向振速分別為0.608、1.241、0.836 mm/s，相比分別提高10.5%、7.3%、11.5%；掌子面遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)30 m后，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)受下穿隧道開挖的影響較小，襯砌結(jié)構(gòu)振速基本趨于一致。其中，相比于臺(tái)階法及全斷面法開挖，下穿隧道采用三臺(tái)階法開挖時(shí)，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速響應(yīng)最小。

3.5 振動(dòng)加速度結(jié)果分析

以下穿隧道采用三臺(tái)階法施工為研究對(duì)象，分析既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測(cè)部位加速度響應(yīng)情況(圖14)。

圖14 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度

由圖14可知，受重載列車激勵(lì)荷載的影響，隨著下穿隧道的開挖，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度逐漸增大，振動(dòng)加速度響應(yīng)表現(xiàn)為隧底最大，邊墻次之，拱頂最小。

分別以軸重21、25、27、30 t為列車荷載激勵(lì)，其中普通鐵路列車軸重約為21 t[29]，選取既有隧道隧底加速度響應(yīng)為研究對(duì)象，對(duì)比分析不同列車軸重對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的影響規(guī)律，見圖15。

圖15 不同軸重列車荷載激勵(lì)下振動(dòng)加速度對(duì)比

由圖15可知，受列車激勵(lì)荷載的影響，隨著列車軸重的不斷增加，隧底振動(dòng)加速度幅值明顯增大，重載列車引起的振動(dòng)響應(yīng)幅值明顯大于普通鐵路列車。當(dāng)下穿隧道掌子面遠(yuǎn)離交叉斷面50 m時(shí)，普通鐵路列車引起的加速度為1.19 m/s2，重載列車軸重分別為25、27、30 t時(shí)，相應(yīng)的加速度幅值分別為1.49、1.62、1.78 m/s2，與普通列車相比，加速度分別提高了25.2%、36.1%、49.0%。

綜合數(shù)值計(jì)算中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度及振速的變化規(guī)律可知，可能由于上部既有隧道重載列車激勵(lì)荷載、下穿隧道的開挖卸荷耦合作用的影響，導(dǎo)致隧道交叉段夾層巖體內(nèi)微裂隙起裂、傳播和連接貫通，造成巖石強(qiáng)度的降低，并進(jìn)一步減小了交叉段巖體的剛度，所以重載列車行駛過(guò)程中，振動(dòng)波在夾層巖體中反射強(qiáng)度逐漸增大。因此，在重載列車荷載作用下，上部隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度隨著下穿隧道的逐漸開挖而增強(qiáng)。

4 結(jié)論

以新建京張高速鐵路草帽山隧道下穿既有唐呼重載鐵路北草帽山隧道為工程背景，建立基于修正重載列車振動(dòng)荷載輸入的隧道近接施工三維動(dòng)力仿真模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)比研究了不同施工方法、不同夾層厚度、不同列車軸重對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形及動(dòng)力響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)相比于全斷面法和臺(tái)階法開挖，下穿隧道采用三臺(tái)階法開挖引起既有隧道沉降值較小；新建隧道下穿既有重載鐵路隧道的最小安全距離約為1.0B的范圍，下穿隧道掌子面距交叉點(diǎn)約30 m范圍內(nèi)，既有隧道沉降受新建隧道施工影響較大。

(2)綜合數(shù)值計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，受重載列車激勵(lì)荷載的影響，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)邊墻處y方向(垂直于隧道)振速較大，z方向(鉛垂向)次之，x方向(平行于隧道)振速最小；隨著下穿隧道掌子面的不斷向前推進(jìn)，邊墻處振速值逐漸增大；掌子面遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)30 m后，既有隧道振速受下穿隧道開挖的影響逐漸減小。

(3)重載列車激勵(lì)荷載作用下，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)交叉斷面處振動(dòng)加速度響應(yīng)表現(xiàn)為隧底最大，邊墻次之，拱頂最小。隨著列車軸重增大，振動(dòng)加速度幅值明顯增大，與普通鐵路列車相比，重載列車引起的振動(dòng)響應(yīng)幅值明顯增大，加速度最大增幅約為49.0%。