高速铁路隧道仰拱与地基土动力特性的模型试验研究
摘 要
列车不同速度下的动态模型试验（CL=4），即采用不同的加载频率，研究高速铁路隧道仰拱及其地基土的动力特性。重点分析了隧道仰拱和地基土的动力系数、动应力，着重讨论了它们与列车速度之间的关系。通过实验室测试，得到了振动向上传播的衰减规律，初步建立了隧道仰拱速度影响系数的计算公式。本研究还确定了振动对地基土深度的影响，结果表明：隧道仰拱和地基土对列车振动的响应随列车运行速度的增加而略有增加；仰拱底部的周向应力为拉应力，最大应力出现在钢轨底部；地基的动土压力随着钢轨到隧道仰拱距离的减小而迅速减小，两者之间存在指数关系。
关键词：高速铁路隧道；动力特性；模型试验；底部结构。
1 简介
早在20世纪70年代，城市地下铁路引起的地面振动便引起了公众的关注。过去对振动的研究是用各种方法相继进行的，例如分析方法、数值模拟和现场测量。
通过一些必要的简化，分析性的解决方案通常可以深入了解问题的基本性质。Metrikine和Vrouwenvelder(2000)提出了一个由粘弹性层和伯努利-欧拉梁组成的预测地下铁路振动的二维模型，提出了一种求解车辆-板式轨道-隧道-土相互作用的有效方法(Muuml;ller et al., 2008)。或者，采用有限元（FE）或耦合有限元-边界元（FE-BE）数值模型计算隧道的振动(Forrest and Hunt, 2006; Husseina and Hunt, 2007; Gupta et al., 2010; Yang et al., 2013)。Sheng(2003)等人基于格林函数，探讨了隧道振动传播的机理。Deng等人采用三维弹塑性有限差分模型分析了地铁振动荷载作用下软土盾构隧道的动力响应。现场测量对于研究振动是非常直接和有效的。在CONVURT项目框架内，Clouteau和Degrande在伦敦地铁贝克鲁线上的摄政公园，以20 km/h至50 km/h(Clouteau et al., 2005; Degrande et al., 2006)的速度进行了振动测量。2006年，Yan等人(Yan et al., 2006)已经在中国一些城市的地铁中进行了现场测量，根据现场实测资料，建立了地下铁道振动的经验预测模型(Liu et al., 2013)。
铁路隧道底部的仰拱作为隧道支护体系的重要组成部分，不仅关系到隧道的施工安全，而且关系到隧道的整体稳定性和耐用性。因为铁路隧道的底部直接承受火车荷载，所以铁路隧道的仰拱是最常见出现裂缝、下沉和翻浆等问题的部位，因为铁路隧道的仰拱直接承受火车荷载。据成都铁路局对西安-黔线、贵昆线等国内几条铁路干线的统计调查，超过25%的隧道底部结构受损，严重威胁了铁路的安全和效率。列车振动荷载的反复激扰是造成铁路隧道损坏的主要原因之一。Li和Gao(1999)采用二维有限元模型分析了隧道顶点的振动衰减效应。Ding(2012)等人基于在大瑶山隧道中观察到的损伤类型以及在模型试验、现场试验的基础上，对隧道顺层结构的动力响应和破坏机理进行了研究(Huang et al., 2009)。然而，这些研究仅涉及高速铁路隧道。
由于空气动力学效应，在高速铁路隧道的设计中总是首选大的或超大的截面。由于铁路隧道底部应力状态很复杂，列车运行速度越快，对隧道仰拱的稳定性和通行能力要求就越高。尽管地下铁路振动的数值模型已经有了充分了解，但相应的测试和验证不足。因此，对隧道仰拱及其地基土的振动响应进行实验研究具有十分重要的意义。
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