李自強(qiáng)， 王明年， 于 麗， 許智凡

(1. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶 401331； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

目前，重載鐵路運(yùn)輸已成為國(guó)際公認(rèn)的鐵路貨運(yùn)發(fā)展方向，在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展[1-2]。重載鐵路因具備列車軸重大、總重大、行車密度和運(yùn)量特大的特點(diǎn)，普遍認(rèn)為發(fā)展重載運(yùn)輸可以有效的提高運(yùn)輸效率、取得良好的經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。對(duì)于處在富水條件下的重載鐵路隧道，底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布都會(huì)受到較大的影響。此外，重載列車長(zhǎng)期大軸重的碾壓振動(dòng)下，底部圍巖較普通鐵路隧道會(huì)受到更大的動(dòng)力作用并具備更劇烈的長(zhǎng)期效應(yīng)而更易出現(xiàn)損傷。通過(guò)對(duì)在役的重載鐵路隧道病害調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前重載鐵路隧道的病害是一般鐵路隧道的2.5倍，且主要集中在底部結(jié)構(gòu)，如翻漿冒泥、基底下沉、底部圍巖脫空等[6-7]。表明重載隧道底部結(jié)構(gòu)和圍巖的損傷與重載列車荷載作用密切相關(guān)，一旦底部圍巖出現(xiàn)損傷，隨著時(shí)間效應(yīng)的累積會(huì)加速基底結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生，嚴(yán)重影響到重載鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，因此有必要對(duì)重載鐵路隧道底部圍巖損傷機(jī)理進(jìn)行深入研究。

目前，關(guān)于重載列車荷載作用影響已取得了一定研究成果。肖世偉等[8]研究了重載列車動(dòng)力作用下路基基床的動(dòng)力響應(yīng)，提出了增加15 cm道床厚度可以降低約20%由重載列車產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力；晏偉光[9]利用數(shù)值模擬得出重載列車作用下，隧道底部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)較其他位置更大，疲勞壽命更短，此外隧道基底存在軟化或缺陷時(shí)會(huì)大大降低基底結(jié)構(gòu)的使用壽命。冷伍明等[10]通過(guò)大型動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)路基填料含水率增加，其在重載列車作用下動(dòng)力強(qiáng)度也越低，動(dòng)力作用越頻繁越容易發(fā)生破壞。綜上所述，可以得出重載鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)在存在自身缺陷、重載列車作用、地下水豐富的情況下更易破壞，但目前的研究成果大多依靠有限元模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，且對(duì)于底部圍巖在三者相互影響下的損傷機(jī)理研究甚少。本文以瓦日線太行山隧道為工程依托，根據(jù)底部圍巖表面的接觸壓力和水壓力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出二者在重載列車作用下的變化及相互影響規(guī)律，結(jié)合底部圍巖出現(xiàn)的自身缺陷綜合分析得出重載鐵路隧道底部圍巖的損傷機(jī)理。

1 太行山隧道現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程概況

瓦日鐵路是連接我國(guó)東西部的重要煤炭資源運(yùn)輸通道，是我國(guó)第一條按照30 t重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。太行山隧道為瓦日重載鐵路通道中最長(zhǎng)的雙洞單線重載鐵路隧道。左線隧道全長(zhǎng)18.125 km(DK578+875～DK597+000)，右線隧道全長(zhǎng)18.108 km(DYK578+865～DYK596+973)。隧道采用無(wú)砟道床結(jié)構(gòu)型式，在進(jìn)、出口段設(shè)置有曲線，其余地段均為直線。該隧道所在地段均為Ⅲ級(jí)圍巖，襯砌斷面見圖1。

太行山隧道重載列車實(shí)際軸重為30 t，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，實(shí)際通車速度為80 km/h。自2014年12月30日通車，截止目前已通車一年以上[11]。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

(1) 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了測(cè)試基底圍巖水壓力和接觸壓力在重載列車荷載長(zhǎng)期作用下的分布形式和變化規(guī)律，在底部圍巖表面的拱腳、側(cè)溝底部、軌道正下方、線路中心對(duì)稱布設(shè)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)點(diǎn)見圖2。傳感器埋設(shè)斷面所處地質(zhì)條件為Ⅲ級(jí)圍巖，埋深981 m。

在太行山隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，圍巖表面土壓計(jì)(WT-1～WT-7)量程選用2 MPa，水壓計(jì)(WS-1～WS-7)量程選用700 kPa，采集頻率為100 Hz，即采樣時(shí)間間隔為0.01 s。

(2) 測(cè)試傳感器

鑒于太行山隧道水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，選擇測(cè)試傳感器時(shí)需要滿足抗干擾性強(qiáng)、長(zhǎng)期耐久性、測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定等要求[12]；因此本次長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)選用光纖光柵水、土壓力傳感器見圖3。

2 現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

因?yàn)樘猩綔y(cè)點(diǎn)是對(duì)稱分布，且接觸壓力和水壓力的長(zhǎng)期變化中顯現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律為左側(cè)較右側(cè)變化更為明顯，因此為了使圖表述清晰，僅列舉基底圍巖單側(cè)(左側(cè))測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期變化曲線見圖4。

由圖4可知，隧道基底圍巖表面的接觸壓力和水壓力隨時(shí)間不斷增加，其中拱底和左側(cè)溝底部的接觸壓力長(zhǎng)期增長(zhǎng)最為明顯，且由前期的平緩增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃?180 d以后)的變化幅度較大，表明此時(shí)基底圍巖的條件發(fā)生了某些改變影響了接觸壓力的長(zhǎng)期效應(yīng)。左軌下方水壓力在重載列車荷載作用下長(zhǎng)期增長(zhǎng)最為明顯，表明地下水加劇了對(duì)該位置圍巖的沖刷作用，為探究這種變化對(duì)基底圍巖的影響，因此分階段對(duì)基底圍巖的接觸壓力和水壓力進(jìn)行分析。

2.1 基底圍巖接觸壓力長(zhǎng)期變化

將基底圍巖表面接觸壓力值長(zhǎng)期變化規(guī)律分為四個(gè)特征階段(通車前、通車一個(gè)月、通車半年和通車一年)，見表1。

由表1可知，在太行山隧道投入使用以前，基底圍巖表面各測(cè)點(diǎn)的接觸壓力分布較為均勻，其中左軌下方接觸壓力相對(duì)最大為51.419 kPa。其次為右側(cè)溝底部為48.901 kPa。對(duì)于單線鐵路隧道，理論上基底接觸壓力的橫向分布應(yīng)該是對(duì)稱的，但是由于現(xiàn)場(chǎng)施工方法的影響和地質(zhì)條件的特殊性，會(huì)造成仰拱結(jié)構(gòu)和底部圍巖并非完全密實(shí)貼合而使接觸壓力橫向分布有所偏重。

表1 太行山隧道基底圍巖接觸壓力 kPa

通車一個(gè)月后，底部圍巖各測(cè)點(diǎn)接觸壓力持續(xù)增加，左幅的接觸壓力基本大于右幅的；對(duì)于橫向分布規(guī)律，左軌位置的接觸壓力仍最大為61.445 kPa。表明在接觸壓力較大的位置即仰拱結(jié)構(gòu)與底部圍巖之間可能存在損傷，同時(shí)在重載列車大軸重的影響下，這種損傷受到反復(fù)碾壓而加劇形成局部脫空。

通車半年后，圍巖表面左側(cè)溝底部位置的接觸壓力增長(zhǎng)到最大為89.129 kPa。左軌測(cè)點(diǎn)相鄰位置(左側(cè)溝底部和拱底)的接觸壓力增幅分別為195.9%和100.5%。表明重載列車長(zhǎng)時(shí)間大軸重碾壓下，底部圍巖軌道測(cè)點(diǎn)鄰近位置長(zhǎng)期效應(yīng)也會(huì)加劇。

通車一年后，左側(cè)溝底部測(cè)點(diǎn)的接觸壓力增長(zhǎng)最大，由30.118 kPa增加到142.505 kPa；拱底測(cè)點(diǎn)由36.410 kPa增長(zhǎng)到137.812 kPa。底部圍巖表面各位置的接觸壓力在通車以后長(zhǎng)期效應(yīng)均不相同，具體表現(xiàn)為左幅的底部圍巖表面接觸壓力一年內(nèi)的增量明顯于右幅，左幅受力高于右幅而極易造成基底結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.2 基底圍巖水壓力長(zhǎng)期變化

2.1節(jié)顯示了太行山隧道基底圍巖表面的接觸壓力橫向分布并不對(duì)稱，為深入研究造成左幅接觸壓力普遍大于右幅的原因，對(duì)基底圍巖的土壓力測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水壓力變化進(jìn)行分析，將對(duì)應(yīng)四個(gè)階段(通車前、通車一個(gè)月、通車半年和通車一年)的動(dòng)水壓力見表2。

表2 太行山隧道基底圍巖水壓力 kPa

由表2可知，在太行山隧道運(yùn)營(yíng)前，左軌下方動(dòng)水壓力較大為111.765 kPa，造成該測(cè)點(diǎn)水壓力較大的主要原因是由于在施工過(guò)程中，基底圍巖在隧道仰拱開挖后存在虛碴，清底不徹底則會(huì)使該位置出現(xiàn)較大的空隙，加重了地下積水從而引起了較高的動(dòng)水壓力。比較通車前底部圍巖接觸壓力發(fā)現(xiàn)，左軌下方接觸壓力也相對(duì)較大，表明底部圍巖的空隙形成的脫空會(huì)增加損傷位置的接觸壓力和水壓力。

通車一個(gè)月后，各測(cè)點(diǎn)水壓力均增加。其中左軌下方因存在局部脫空而使該位置的水壓力最大，為184.804 kPa。拱底位置水壓力增幅最大為143.2%。

通車半年后，重載列車長(zhǎng)期作用下，軌道下方的圍巖損傷加劇，脫空發(fā)育，橫向分布上該位置的水壓力最大為239.804 kPa。

通車一年后，左軌測(cè)點(diǎn)水壓力由111.765 kPa增加到250.931 kPa，其相鄰測(cè)點(diǎn)即左側(cè)溝底部和拱底位置的動(dòng)水壓力也不斷增加，增長(zhǎng)幅度最大的為拱底測(cè)點(diǎn)，由38.528 kPa增加到132.294 kPa，增長(zhǎng)243.4%。左幅圍巖表面動(dòng)水壓力增量整體大于右幅，造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于重載列車的長(zhǎng)時(shí)間大軸重碾壓，左軌下方地下積水在重載列車荷載作用下對(duì)基底圍巖不斷進(jìn)行沖刷，松散的巖石顆粒被地下水帶走從而使該位置的缺陷逐漸向兩側(cè)(相鄰位置)發(fā)展，時(shí)間越長(zhǎng)，基底圍巖越易出現(xiàn)由缺陷引起的局部脫空。

在底部圍巖出現(xiàn)脫空以后，隨著脫空程度的發(fā)展，拱底測(cè)點(diǎn)水壓力增長(zhǎng)幅度最大，這表明隨著基底圍巖空隙的發(fā)育和擴(kuò)展，地下水積累加劇，鑒于水向地勢(shì)較低的地方流動(dòng)，因此對(duì)于單線鐵路隧道，這種現(xiàn)象在底部圍巖拱底位置最為明顯。

2.3 基底圍巖接觸壓力與水壓力相互關(guān)系

將基底圍巖表面動(dòng)水壓力和接觸壓力在四個(gè)階段(通車前、通車一個(gè)月、通車半年和通車一年)下的相互關(guān)系見圖5。

對(duì)比圖5動(dòng)水壓力和接觸壓力的關(guān)系圖可知：(1) 通車前底部圍巖表面接觸壓力分布較為平均，左右幅基本對(duì)稱，左軌位置因施工存在虛碴而出現(xiàn)局部脫空導(dǎo)致該位置的接觸壓力和水壓力較其他測(cè)點(diǎn)更大；(2) 通車一個(gè)月后底部圍巖左軌損傷位置的動(dòng)水壓力不斷增加，同時(shí)引起相鄰測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力的增加，這種現(xiàn)象說(shuō)明：因底部圍巖的損傷而出現(xiàn)的局部脫空在地下水較為豐富的條件下，會(huì)加劇其沖刷作用使相鄰測(cè)點(diǎn)的圍巖變得不穩(wěn)定，這種影響反復(fù)進(jìn)行，對(duì)底部圍巖較為不利；(3) 在損傷位置高水壓力影響下，基底圍巖的接觸壓力分布變得不均勻，增長(zhǎng)率較高水壓力測(cè)點(diǎn)會(huì)引起相鄰測(cè)點(diǎn)接觸壓力的增加，如左軌測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力長(zhǎng)期作用下，左側(cè)溝底部和拱底位置的接觸壓力增長(zhǎng)較快，單線鐵路隧道左幅接觸壓力整體大于右幅，底部圍巖損傷加劇引起脫空發(fā)育，不利于仰拱結(jié)構(gòu)受力，極易發(fā)生病害；(4) 根據(jù)動(dòng)水壓力和接觸壓力的長(zhǎng)期效應(yīng)變化規(guī)律，可將底部圍巖的損傷簡(jiǎn)化為三個(gè)階段：貼合密實(shí)(貼合較密實(shí))、局部脫空和脫空貫通[13]。

3 數(shù)值模擬

第2節(jié)主要針對(duì)太行山隧道底部圍巖接觸壓力和水壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了底部圍巖脫空的客觀性，同時(shí)將單線重載鐵路隧道底部圍巖的損傷簡(jiǎn)化為三個(gè)階段。本節(jié)利用FLAC3D中滲流模塊進(jìn)行與圍巖-結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的流固耦合分析。

青海省委、省政府積極貫徹落實(shí)黨的十八大精神，立足青海獨(dú)特的生態(tài)地位，適時(shí)提出生態(tài)文明先行區(qū)建設(shè)。作為生態(tài)文明建設(shè)的主力軍，青海省各級(jí)水保部門緊緊抓住水利部開展水土保持國(guó)策宣傳教育行動(dòng)的大好機(jī)遇，以提高全民水土保持意識(shí)、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)為目標(biāo)，按照水利部的統(tǒng)一部署和廳黨組的統(tǒng)一安排，及時(shí)調(diào)整宣傳思路，制定宣傳工作計(jì)劃，將其納入重要議事日程，列入年度目標(biāo)管理考核體系，并落實(shí)了宣傳責(zé)任。由于組織領(lǐng)導(dǎo)到位、工作落實(shí)到位、經(jīng)費(fèi)保障到位，宣傳工作取得了顯著效果。

3.1 有限元參數(shù)

(1) 模型尺寸

模型左右邊界至隧道結(jié)構(gòu)斷面的距離各取3倍洞徑，則模型橫向長(zhǎng)度約為46 m；模型上邊界至隧道頂面取15 m；模型下邊界至基底取3倍洞高為24 m；模型的縱向長(zhǎng)度取為1個(gè)重載列車車輛的定距，則取11 m[14]；由此建立的模型尺寸為46 m×48 m×11 m。隧道埋深980 m，通過(guò)等效重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)模擬。在仰拱結(jié)構(gòu)與底部圍巖之間設(shè)置接觸單元和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。建立的有限元模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置見圖6。

(2) 模型參數(shù)

按照TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)確定了圍巖各項(xiàng)物理參數(shù)，結(jié)合太行山隧道設(shè)計(jì)資料，各結(jié)構(gòu)物理參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)的主要物理力學(xué)參數(shù)

圍巖和混凝土力學(xué)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，隧道混凝土結(jié)構(gòu)視為不透水結(jié)構(gòu)[16]。兩側(cè)和上邊界視作透水邊界，底部邊界視作不透水邊界[17]，初始水頭高度按照通車前隧道底部實(shí)測(cè)水壓力111.765 kPa進(jìn)行反算所得的11.18 m且在計(jì)算過(guò)程中保持水位線不變。

(3) 列車荷載

重載列車荷載按照太行山隧道通車資料按照軸重30 t進(jìn)行設(shè)定，如圖7將其簡(jiǎn)化為等效荷載按照速度為80 km/h施加沖擊荷載在道床表面軌道位置[14,18]。

(4) 計(jì)算工況

數(shù)值模擬底部圍巖損傷機(jī)理的工況主要按照上述討論的簡(jiǎn)化后的三個(gè)階段(貼合密實(shí)、局部脫空和脫空貫通)即三種工況見表4、圖8。

表4 底部圍巖損傷計(jì)算工況

3.2 貼合密實(shí)計(jì)算結(jié)果

提取底部圍巖不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接觸壓力和水壓力見表5。

由表5可知，貼合密實(shí)下底部圍巖接觸壓力橫向分布較為均勻，除拱底測(cè)點(diǎn)外，數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果較為接近。有限元計(jì)算軌道位置的接觸壓力最大為50.028 kPa。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中為左軌位置的接觸壓力最大為51.419 kPa，右幅實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果相差較大，這是由于在實(shí)際情況中，仰拱結(jié)構(gòu)的施工與設(shè)計(jì)圖紙存在不可避免的差異，同時(shí)綜合人員安裝傳感器時(shí)存在誤差，同時(shí)地質(zhì)條件絕非完全理想狀態(tài)，因此兩者會(huì)存在差異。

表5 工況一底部圍巖不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kPa

對(duì)于貼合密實(shí)下底部圍巖水壓力，有限元計(jì)算結(jié)果極值為100.891 kPa，實(shí)測(cè)為111.765 kPa，均出現(xiàn)在線路軌道位置，同時(shí)隨著底面高度的增加而逐漸減小。水壓力和接觸壓力的極值位置一致，表明重載列車的荷載作用會(huì)增加線路軌道位置水壓力和接觸壓力的量值。

3.3 局部脫空計(jì)算結(jié)果

在太行山隧道投入運(yùn)營(yíng)后，隨著重載列車長(zhǎng)時(shí)間荷載作用左軌下方和右側(cè)溝底部出現(xiàn)相應(yīng)的脫空，圍巖局部脫空下底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布云圖，見圖10。

提取局部脫空下底部圍巖不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接觸壓力和水壓力見表6。

表6 工況二底部圍巖不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kPa

由表6可知，隨著基底圍巖出現(xiàn)局部脫空，各測(cè)點(diǎn)的接觸壓力較工況一明顯增加，其中脫空位置附近接觸壓力增長(zhǎng)程度最大。由圖10(a)可知，隨著基底圍巖脫空的產(chǎn)生，相鄰位置的接觸壓力開始集中，脫空一定程度上提升了附近測(cè)點(diǎn)的接觸壓力。

對(duì)比局部脫空狀態(tài)下接觸壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，接觸壓力極大值主要集中在左軌至右軌位置，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中左軌測(cè)點(diǎn)接觸壓力最大為84.887 kPa；數(shù)值模擬中拱底測(cè)點(diǎn)接觸壓力最大為85.022 kPa；兩者量值較為接近，但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明接觸壓力集中現(xiàn)象更為明顯，表明水壓力對(duì)于底部圍巖測(cè)點(diǎn)接觸壓力的影響不可忽視。結(jié)合圖10(a)接觸壓力分布云圖，可以提取相應(yīng)等值線得出左軌下方接觸壓力最接近實(shí)測(cè)值的位置距離局部脫空邊緣約0.63 m，拱底距離約0.41 m，說(shuō)明太行山隧道通車半年后左軌位置接觸壓力增大是由于距離左軌測(cè)點(diǎn)和拱底測(cè)點(diǎn)約0.63、0.41 m的位置出現(xiàn)了基底的不密實(shí)接觸。

對(duì)比局部脫空狀態(tài)下水壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，底部圍巖的脫空會(huì)極大的增加相應(yīng)位置的水壓力，同時(shí)使得左右兩側(cè)的水壓力分布不均勻。兩者計(jì)算結(jié)果均為左軌測(cè)點(diǎn)水壓力最大，實(shí)測(cè)為239.804 kPa；數(shù)值模擬為187.824 kPa，表明底部圍巖的實(shí)際脫空情況比有限元模擬更明顯。

根據(jù)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬兩者相比可以得出：對(duì)于底部圍巖存在局部脫空情況下，重載列車的荷載作用會(huì)引起脫空相鄰位置接觸壓力和水壓力的增大，使接觸壓力和水壓力在脫空較大的位置處集中，引起基底結(jié)構(gòu)左右失穩(wěn)。

3.4 脫空貫通計(jì)算結(jié)果

在太行山隧道運(yùn)營(yíng)一年后，左軌下方的脫空在時(shí)間和重載列車共同作用下不斷發(fā)育，同時(shí)在地下水不斷的沖刷下，開始影響到其他測(cè)點(diǎn)從而形成脫空貫通，圍巖脫空貫通下底部圍巖的接觸壓力和水壓力分布云圖，見圖11。

提取底部圍巖脫空貫通狀態(tài)下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接觸壓力和水壓力見表7。

由表7可知，當(dāng)?shù)撞繃鷰r脫空貫通時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的接觸壓力大幅度增加，有限元計(jì)算結(jié)果顯示脫空部分的左幅接觸壓力整體大于右幅相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，最大值仍位于拱底測(cè)點(diǎn)為142.410 kPa，其次在左軌下方為133.024 kPa。根據(jù)圖11(a)可以看出，隨著脫空發(fā)展，其影響范圍也不斷增大，提取接觸壓力等值線后發(fā)現(xiàn)左軌下方接觸壓力最接近實(shí)測(cè)值的位置距離脫空邊緣約0.46 m，拱底位置距離約0.28 m相較于局部脫空時(shí)距離縮小，預(yù)測(cè)實(shí)際情況中重載鐵路隧道運(yùn)營(yíng)一年后底部脫空空間尺寸約擴(kuò)大了0.23 m和0.13 m。

表7 工況三底部圍巖不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬接觸壓力對(duì)比 kPa

有限元計(jì)算結(jié)果顯示底部圍巖脫空貫通后，水壓力在重載列車作用下量值同樣急劇增加，其中左軌位置的水壓力極值最大為224.258 kPa，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為250.931 kPa，兩者極值位置相同。左幅水壓力整體大于右幅。

對(duì)比脫空貫通狀態(tài)下基底圍巖接觸壓力和水壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)明，隨著左幅底部圍巖脫空的發(fā)展，其接觸壓力和水壓力集中現(xiàn)象加劇，整體大于右幅。脫空半副的實(shí)測(cè)和有限元模擬數(shù)值大體接近，表明底部圍巖脫空確實(shí)存在且會(huì)引起相應(yīng)的應(yīng)力集中。其中，右拱腳的實(shí)測(cè)接觸壓力遠(yuǎn)小于有限元計(jì)算結(jié)果，表明在實(shí)際中基底結(jié)構(gòu)左幅失穩(wěn)的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，左幅水壓力會(huì)對(duì)底部圍巖接觸壓力形成較大的影響。

4 討論

將太行山隧道底部圍巖損傷過(guò)程的有限元模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)底部圍巖表面的地下水會(huì)在時(shí)間和重載列車綜合作用下會(huì)帶走原本松散的巖石顆粒，見圖12。

隨著地下水的這種沖刷作用的進(jìn)行，基底圍巖會(huì)受到影響而出現(xiàn)脫空引起附近位置接觸壓力的增大而導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)的可能。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬證明了這一觀點(diǎn)的客觀性，同時(shí)預(yù)測(cè)的脫空發(fā)展規(guī)律也基本類似。因此可以將底部圍巖損傷機(jī)理簡(jiǎn)化為三個(gè)階段：

第一階段(貼合密實(shí)見圖13)：在該階段為隧道修筑完畢后，正式通車以前，隧道仰拱結(jié)構(gòu)和底部圍巖貼合較為密實(shí)，因施工或地質(zhì)條件等因素存在部分虛碴而出現(xiàn)部分空隙。此時(shí)接觸壓力的分布較為均勻，水壓力在空隙位置較大。

第二階段(底部圍巖局部脫空見圖14)：在該階段，隨著時(shí)間推移，空隙位置的地下水在重載列車荷載作用下不斷沖刷底部圍巖從而形成一定程度的脫空并隨時(shí)間發(fā)育，底部圍巖條件開始改變；此外，鑒于重載列車軸重較大的特點(diǎn)，在軌道下方極易形成新的脫空，相鄰位置的水壓力和接觸壓力均受到脫空影響而量值變大。

第三階段(脫空貫通階段見圖15)：在該階段，仰拱結(jié)構(gòu)和底部圍巖的不完全接觸持續(xù)發(fā)展，同時(shí)底部圍巖脫空出現(xiàn)貫通，極大的影響了底部圍巖接觸壓力的分布，使隧道基底結(jié)構(gòu)接觸壓力分布不平衡而極易形成相應(yīng)的病害。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)瓦日重載線路中太行山隧道底部圍巖長(zhǎng)期一年多的接觸壓力和水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)：在重載列車長(zhǎng)期大軸重碾壓條件下，底部圍巖表面的接觸壓力和水壓力不斷增加；同時(shí)左幅兩項(xiàng)物理量的增量均明顯于右幅。

(2) 根據(jù)底部圍巖表面接觸壓力和水壓力左右幅長(zhǎng)期效應(yīng)存在差異的現(xiàn)象，利用FLAC3D流固耦合模擬了底部圍巖接觸壓力和水壓力在重載列車作用下的相互影響，驗(yàn)證了底部圍巖在施工完畢后難以避免會(huì)出現(xiàn)損傷的客觀性。此外，證實(shí)了底部圍巖在重載列車作用下除原有的局部還會(huì)形成新的脫空引起相應(yīng)位置地下水累積，最后形成較高的動(dòng)水壓力使相鄰位置的接觸壓力和水壓力長(zhǎng)期效應(yīng)加劇。

(3) 將底部圍巖損傷的發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)化為三個(gè)階段：①貼合密實(shí)階段：隧道在修筑完畢后，因?yàn)槭┕し绞骄窒扌曰虻刭|(zhì)條件的變化使得底部圍巖存在局部缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。②局部脫空階段：底部圍巖原有的損傷程度加劇，軌道下方極易形成新的損傷。③脫空貫通階段：底部圍巖損傷持續(xù)增加，脫空貫通影響基底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(4) 揭示了重載鐵路隧道底部圍巖的損傷機(jī)理，解釋了底部圍巖在泵吸作用下圍巖漸進(jìn)劣化的過(guò)程：底部圍巖在隧道施工完畢后存在缺陷-地下水累積形成高水壓力-重載列車大軸重、大運(yùn)量條件下使地下水不斷沖刷脫空處圍巖-圍巖顆粒隨地下水流失-脫空發(fā)育貫通引起圍巖損傷加劇。

(5) 底部圍巖空隙水壓力的大小和沖刷作用的強(qiáng)弱取決于重載列車的軸重大小，在大軸重影響下泵吸作用尤為明顯，仰拱結(jié)構(gòu)也極易出現(xiàn)細(xì)小裂縫，也為地下水滲入基底結(jié)構(gòu)造成基底翻漿冒泥提供了條件。因此重載列車長(zhǎng)時(shí)間的大軸重碾壓是底部圍巖損害的主要原因。