胡博韜， 張小會， 王炳龍， 周順華， 司金標(biāo)

（1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

我國鐵路與城市軌道交通的建設(shè)與運(yùn)營均處在飛速發(fā)展階段，中國內(nèi)地共計(jì)45個(gè)城市開通城市軌道交通線路233條，運(yùn)營線路總長度達(dá)7 978km，其中地鐵6 302km，占比79%。隨著鐵路網(wǎng)和地鐵線網(wǎng)密度的不斷增加，二者網(wǎng)絡(luò)的交叉點(diǎn)越來越多，其中地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路路基是一種常用的交叉穿越形式。

地鐵盾構(gòu)隧道開挖造成周圍土體應(yīng)力釋放，進(jìn)一步引起上方鐵路路基不均勻沉降［1-6］。受鐵路列車動荷載影響，地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路施工控制難度增大。為保障下穿施工安全，通常在下穿施工前對穿越區(qū)域地基進(jìn)行加固處理。眾多學(xué)者針對下穿區(qū)域加固范圍、方法和參數(shù)等展開研究。黃龍［7］以寧波軌道交通1號線區(qū)間隧道下穿北環(huán)線為背景，研究了下穿區(qū)域地基采用旋噴樁進(jìn)行加固的效果，發(fā)現(xiàn)采用規(guī)范法計(jì)算得到的地基沉降數(shù)值偏小，進(jìn)一步基于實(shí)測數(shù)據(jù)對規(guī)范方法進(jìn)行了修正。高志剛［8］基于實(shí)際地鐵隧道下穿鐵路工程，建立下穿體系的三維有限元模型，分析了鐵路地基的加固效果，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了地基加固方法的適用性。霍軍帥［9］依托蘇州某地鐵隧道下穿滬寧城際鐵路工程，分析了板樁組合結(jié)構(gòu)的加固效果。

目前關(guān)于地鐵隧道下穿鐵路路基區(qū)域加固方案的研究主要集中于施工期，然而在運(yùn)營期，加固后的下穿節(jié)點(diǎn)一方面會導(dǎo)致鐵路線路支撐剛度在縱向上的不均勻變化，放大鄰近地表振動，另一方面由于加固體對地鐵隧道的保護(hù)作用，會在一定程度上降低地鐵隧道結(jié)構(gòu)的附加動應(yīng)力。相關(guān)學(xué)者針對動荷載作用下交叉穿越結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)展開了研究：于鶴然［10］依托六沾線烏蒙山隧道與新梅花山隧道交叉工程，通過三維有限元仿真計(jì)算，研究了列車動荷載作用下交叉結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)規(guī)律。黃希［11］以實(shí)測振動荷載施加于交叉盾構(gòu)隧道的有限元模擬中，同時(shí)考慮混凝土非線性特性，研究了不同列車行駛工況下盾構(gòu)隧道的動力響應(yīng)及損傷特性。晏啟祥［12］通過三維有限元模擬，對列車荷載作用下近距離交疊隧道的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究。同時(shí)，部分學(xué)者通過現(xiàn)場實(shí)測及模型試驗(yàn)等方法研究了動荷載下隧道結(jié)構(gòu)及周邊土體動力響應(yīng)規(guī)律［13-21］。既有研究多集中于單一隧道或交疊隧道的車致動力響應(yīng)，有關(guān)地鐵隧道下穿鐵路路基系統(tǒng)的車致振動研究較少。

因此，本文基于上海地鐵11號線某區(qū)間隧道下穿既有京滬鐵路路基工程，結(jié)合實(shí)地測量和三維有限元模擬，研究了鐵路列車行車作用下地鐵隧道-鐵路路基系統(tǒng)的動力響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)一步針對下穿節(jié)點(diǎn)地基加固參數(shù)問題，研究了加固體彈性模量、加固深度和局部加固位置對地表振動及地鐵隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響。

1 現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

上海地鐵11號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京滬鐵路路基工程平面如圖1所示，京滬鐵路為客貨共線國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路，下穿節(jié)點(diǎn)處京滬鐵路線路中心間距為6.70m，與下穿隧道相交角度為85°，下穿節(jié)點(diǎn)處京滬鐵路軌道結(jié)構(gòu)形式為有砟軌道，道床梯形上部寬度3.1m，道碴厚度50cm，道砟下部為50cm的砂墊層，道床坡度1：1.75，道床厚度為0.35m；采用鐵路用標(biāo)準(zhǔn)混凝土軌枕，寬2.6m，間距0.6m布置；扣件類型為彈條III型扣件，鐵路列車通過下穿節(jié)點(diǎn)時(shí)行駛速度約為120km·h-1。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿鐵路平面圖Fig.1 Intersection of the railway embankment and the metro tunnel

上海地鐵11號線該區(qū)間隧道為常規(guī)單圓盾構(gòu)隧道，隧道頂埋深11.1m，隧道襯砌外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，上下行線盾構(gòu)隧道中心間距為12.4m。

根據(jù)施工勘探資料，本場地自地表至40.0m深度范圍內(nèi)土層可分為8層，其中第②、③、⑤、⑥、⑧層按其土性及土色差異又可分為若干亞層，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 下穿節(jié)點(diǎn)巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of the soil

為控制下穿點(diǎn)地基變形、保證盾構(gòu)掘進(jìn)施工安全，對穿越位置進(jìn)行了鐵路線路主動加固。加固措施及范圍如下：鐵路兩側(cè)采用二重管高壓旋噴樁加固；旋噴樁之間為主加固區(qū)，采用劈裂注漿加固；旋噴樁外側(cè)各10m為次加固區(qū)，采用壓密注漿加固。旋噴樁加固區(qū)自地面至⑥2層內(nèi)1m，樁長18.28m，主加固區(qū)和次加固區(qū)加固深度為③1層頂至⑥1層頂，即地面以下3.8m～14.0m。旋噴加固區(qū)由3排直徑為1.5m的旋噴樁相互咬合形成，咬合量為0.2m，旋噴樁起加固、隔斷及控制變形的作用。加固區(qū)的技術(shù)要求如下：①旋噴加固28d后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0MPa；②主加固區(qū)，注漿加固后PS≥1.0MPa；③次加固區(qū)，注漿加固后PS=1.0MPa。主加固區(qū)與次加固區(qū)之間在強(qiáng)度及剛度上要求逐漸降低，形成過渡。加固區(qū)平、剖面見圖2。

1.2 測點(diǎn)布置

本次測試以振動加速度作為測試物理量，在鐵路軌枕、路肩及臨近地表布置加速度傳感器，沿隧道中軸線上方地表布置測點(diǎn)A1～A5，其中，A1點(diǎn)位于鐵路軌枕中心，A2點(diǎn)位于路肩邊緣，A3位于路基坡腳外側(cè)，A2～A5測點(diǎn)距京滬鐵路線路中心線分別為3.2、8、13和23m。測點(diǎn)平面布置如圖3所示。各測點(diǎn)傳感器現(xiàn)場安裝及固定方式如圖4所示，現(xiàn)場測試進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采樣頻率為5 000Hz。

圖3 加速度傳感器平面布置示意圖Fig.3 Arrangement of the acceleration sensor

圖4 傳感器現(xiàn)場安裝及固定方式Fig.4 In-situ arrangement of the sensors.

1.3 測試結(jié)果分析

以測試數(shù)據(jù)中某一典型客車通過的振動加速度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，客車編組為1節(jié)機(jī)車和16節(jié)車廂，列車通過測試斷面的速度為120km·h-1，整車通過時(shí)間約13s，各測點(diǎn)振動加速度時(shí)程曲線如圖5所示。其中，軌枕中心振動加速度最大值79.8m·s-2，路肩垂向振動加速度最大值0.683m·s-2，地表各測點(diǎn)垂向振動加速度最大值在0.017～0.079m·s-2。由圖5可知，A1～A3測點(diǎn)距離線路較近，振動加速度曲線中能夠觀察到明顯的車輛或轉(zhuǎn)向架作用特征。振動傳播至A4點(diǎn)經(jīng)過了大幅衰減，時(shí)程曲線已經(jīng)沒有了明顯的車輛作用特。隨著距鐵路中心線距離的增加，地表振動呈現(xiàn)先快速衰減，后緩慢衰減的規(guī)律。A1測點(diǎn)位于軌枕中心，本文主要針對臨近地表振動響應(yīng)進(jìn)行分析，故后續(xù)分析中主要針對A2～A5測點(diǎn)的振動響應(yīng)進(jìn)行研究。

圖5 各測點(diǎn)振動加速度時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of acceleration of measuring pints

2 地基加固對下穿系統(tǒng)振動的影響

現(xiàn)場測試能夠真實(shí)反映列車運(yùn)行引起的鐵路及地表某些點(diǎn)位的振動響應(yīng)，但受測點(diǎn)布置范圍及密度的限制，測得的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)有限，通過路基—土體—隧道三維有限元模擬，研究地基加固對下穿系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響規(guī)律。

2.1 有限元模擬

2.1.1 路基-土體-隧道有限元模型

建立鐵路路基—土體—隧道有限元網(wǎng)格圖如圖6所示，模型沿隧道方向長100m，鐵路方向長96m，豎向高度為70m，鐵路線路中心線距較近的模型邊界38.5m，與現(xiàn)場測點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)位距模型邊界最近為39.5m。既有研究表明，對于采用集中質(zhì)量矩陣的有限元模型，當(dāng)最小剪切波長λsmin大于6～8個(gè)單元長度時(shí)，能獲得較高的計(jì)算精度［22］；楊永斌［23］研究了網(wǎng)格劃分尺寸對單位簡諧荷載作用下半無限域動力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)單元長度L≤λsmin/12，可得到足夠精確的結(jié)果?；诖?，模型中重點(diǎn)研究區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.25m，逐漸過渡到遠(yuǎn)場網(wǎng)格尺寸4m，同時(shí)模型邊界施加黏彈性邊界條件，減小模型邊界對振動波的反射。

圖6 鐵路—隧道下穿有限元網(wǎng)格圖Fig. 6 Three-dimension finite element of intersection

模型中涉及到的道床、隧道等材料采用線彈性本構(gòu)模型，巖土體采用摩爾庫倫本構(gòu)，由于隧道采用整體建模，考慮模擬縱向接頭剛度的影響，對隧道剛度進(jìn)行折減，剛度折減系數(shù)取0.8，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。為方便建模及控制網(wǎng)格數(shù)量，將參數(shù)相近的加固體及土體參數(shù)進(jìn)行合并處理，地基土層參數(shù)如表1所示，土體及加固體的阻尼特性采用Rayleigh阻尼描述，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測地表振動加速度頻率分布情況，令5Hz和100Hz時(shí)的阻尼比為0.05，可得到阻尼系數(shù)α=2.991 993、β=1.515 761×10-4。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab. 2 Parameters of the material

2.1.2 荷載模擬

本文在軌枕上扣件對應(yīng)位置施加時(shí)程力，扣件力的獲取采用雷曉燕［24］提出的豎向分析動力計(jì)算模型。將車輛—軌道耦合系統(tǒng)分解為上部列車子系統(tǒng)和下部軌道子系統(tǒng)。鐵路列車使用附有二系彈簧阻尼的車輛模型，每節(jié)列車包含車體、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪對，車體和轉(zhuǎn)向架考慮沉浮振動和點(diǎn)頭振動，輪對考慮沉浮振動，單節(jié)列車共10個(gè)自由度，軌道結(jié)構(gòu)從上到下依次建立鋼軌、軌枕和道砟3層有砟軌道單元模型。鐵路列車采用與現(xiàn)場部分列車對應(yīng)的YZ22車型進(jìn)行分析，列車模型參數(shù)如表3所示。

表3 鐵路列車模型參數(shù)Tab.3 Train model parameters

數(shù)值模擬中高低不平順采用波長范圍在2～100m的長波不平順和波長范圍在0.35～0.5m的短波不平順疊加。長波不平順功率譜密度函數(shù)由中國鐵科院提出的60kg·m-1跨區(qū)間無縫線路軌道不平順功率譜密度函數(shù)計(jì)算得到。短波不平順功率譜密度函數(shù)借鑒中國鐵科院對石太線軌道垂向不平順的實(shí)測研究成果［25-26］。

計(jì)算模型中考慮了3節(jié)相同的車廂，有砟軌道長320m，列車從距離模型邊界80m的位置開始運(yùn)行，運(yùn)行總長度150m，列車振動荷載如圖7所示。把扣件支反力作為激勵(lì)，加載到有限元模型中鐵路軌枕扣件上，共 194個(gè)扣件位置施加時(shí)程力，扣件力加載位置距模型邊界最近為19.2m，采用動力隱式積分算法求解鐵路列車行駛的振動響應(yīng)，時(shí)間步長取為0.002s。

圖7 列車振動荷載時(shí)程圖Fig.7 Time history curve of the train load

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

為驗(yàn)證有限元模擬的正確性，圖8中對比了路肩及地表測點(diǎn)振動加速度功率譜計(jì)算值與實(shí)測值。從圖8中可看出，列車運(yùn)行引起的振動經(jīng)碎石道床及土體消散后頻率顯著降低，通過土體向外傳播的頻率主要是60Hz以下的振動。路肩（A2）振動能量主要集中在50～60Hz內(nèi)； A3～A5振動能量主要集中在10～20Hz、50～60Hz兩個(gè)頻帶內(nèi)，且隨著振動傳播距離的增加，主要振動頻帶能量由高頻（50～60Hz）轉(zhuǎn)向低頻（10～20Hz）。

圖8 計(jì)算與實(shí)測振動加速度功率譜對比Fig.8 Comparison of the power spectrum distribution

鐵路路肩及地表實(shí)測垂向振動功率譜峰值出現(xiàn)在11.9Hz、13.1Hz、15.6Hz、16.8Hz附近。而測試工況中2 400mm固定軸距的車廂占多數(shù)，由輪軸沿不同車廂分布激勵(lì)產(chǎn)生的振動頻率為1.3Hz，相鄰車廂的相鄰轉(zhuǎn)向架上輪軸激發(fā)的頻率為3.1Hz、4.0Hz和5.6Hz，機(jī)車同一轉(zhuǎn)向架上輪軸激發(fā)的頻率為7.9Hz、15.2Hz、16.5Hz，車廂同一轉(zhuǎn)向架相鄰輪軸激發(fā)的頻率為13.7Hz。由列車運(yùn)行速度和車體構(gòu)造參數(shù)計(jì)算得到的振動頻率與實(shí)測頻率在0～20Hz內(nèi)的峰值點(diǎn)基本一致。

對于測試工況，當(dāng)列車以120 km·h-1的速度運(yùn)行時(shí)，輪軸通過間隔0.6 m的相鄰軌枕引起周期性激勵(lì)的頻率為55.1Hz，而圖8中路肩和地表測點(diǎn)垂向振動加速度在50～60Hz頻帶內(nèi)的峰值位于55Hz附近，二者基本吻合?？紤]到既有線在長期的運(yùn)營維護(hù)中軌枕間距存在一定的偏差，實(shí)測數(shù)據(jù)功率譜分析的頻率分辨率也會引起一定誤差，由此導(dǎo)致實(shí)測由輪軸經(jīng)過相鄰軌枕激發(fā)的振動頻率是以55.1Hz為中心的一個(gè)頻帶。因此，對于該段有砟軌道，路肩及地表垂向振動峰值頻率主要由列車輪軸的空間周期分布及輪軸通過相鄰軌枕激發(fā)，車致地表振動的頻率主要集中在10～20Hz和50～60Hz兩個(gè)振動頻帶內(nèi)。

各測點(diǎn)振動加速度功率譜計(jì)算值與實(shí)測值在10～20Hz、50～60Hz兩個(gè)主要頻帶內(nèi)吻合較好，這兩個(gè)頻帶內(nèi)振動能量幅值隨傳播距離的衰減規(guī)律也基本一致。

圖9對比了實(shí)測點(diǎn)位與有限元模型中地表垂向振動加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，有限元計(jì)算中列車為3節(jié)相同車廂，故運(yùn)行時(shí)間短于實(shí)測數(shù)據(jù)，從振動幅值、振動頻率及時(shí)程曲線整體上看，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合。

圖9 計(jì)算與實(shí)測振動加速度時(shí)程曲線對比Fig.9 Comparison of the vertical vibration acceleration

表4為各測點(diǎn)主要振動頻帶能量占比實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比，可知，隨著振動傳播距離的增加，10～20Hz振動能量占比逐漸增加，而50～60Hz振動能量則迅速降低。A2和A3測點(diǎn)10～20Hz振動能量占比小于2%，而其50～60Hz振動能量占比分別超過35%和15%，而在A5測點(diǎn)10～20Hz振動能量超過60%，而其50～60Hz振動能量占比小于5%?？傮w而言，實(shí)測值和數(shù)值計(jì)算值在主要頻率振動能量占比方面吻合較好。

表4 主要振動頻帶能量占比對比Tab. 4 Comparison of the energy of vibration band

對比分析各測點(diǎn)垂向振動加速度頻率特性及主要頻帶能量占比，有限元模擬與現(xiàn)場實(shí)測的動力響應(yīng)基本一致，驗(yàn)證了模擬的正確性。鑒于此，數(shù)值模擬可用于下穿節(jié)點(diǎn)地基加固對系統(tǒng)動力響應(yīng)影響的相關(guān)研究。

3 地基加固參數(shù)對下穿系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響

使用車輛—軌道耦合動力模型及下穿節(jié)點(diǎn)路基—土體—隧道三維有限元模擬，從加固模量、加固深度及區(qū)域加固埋深出發(fā)，對下穿節(jié)點(diǎn)地基加固影響系統(tǒng)動力響應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行研究，選取下穿節(jié)點(diǎn)路基和地表垂向振動加速度及地鐵隧道拱頂豎向附加動應(yīng)力作為量化判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 地基加固體彈性模量

為探究加固體彈性模量對下穿系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測選取加固體彈性模量值為300MPa，補(bǔ)充未加固、500MPa、700MPa及1 000MPa加固體彈性模量結(jié)果進(jìn)行定性分析。

圖10為路基和地表垂向振動加速度最大值隨距鐵路線路中心線距離的變化關(guān)系，由圖可知，隨著距鐵路中心距離增加，下穿系統(tǒng)路基和地表垂向振動加速度曲線可分為3個(gè)階段：振動加速度隨距離增加而快速降低；振動加速度出現(xiàn)局部放大現(xiàn)象；加速度幅值逐步降低并趨于零。結(jié)合頻譜分析可知，振動傳播初期，振動傳播過程中的高頻成分較多，傳播過程中在土體阻尼的濾波作用下，高頻成分快速衰減，所以振動加速度值下降較快，振動傳播至一定距離后，地表振動主要集中在低頻振動，低頻振動衰減緩慢，曲線走勢平緩。

圖10 不同加固模量下地表振動加速度隨距離的變化Fig.10 Comparison of vibration acceleration of different reinforcement modulus

與未加固工況相比，當(dāng)加固模量為300MPa時(shí)，振動加速度最大值增大7.5%。隨著加固體彈性模量增加，振動加速度整體呈現(xiàn)增大趨勢，加固模量增大導(dǎo)致隧道下穿系統(tǒng)剛度增大，距離增至13m后，各工況振動加速度峰值曲線均趨于收斂，加固體參數(shù)對地表振動水平的影響主要體現(xiàn)在近軌道區(qū)域內(nèi)。

選取加固區(qū)內(nèi)A2、加固區(qū)外A5位置進(jìn)行1/3倍頻程振動級分析，由圖11可知，不同加固模量下測點(diǎn)振動頻率均集中于12.5～25Hz及50～63Hz。加固模量增大使A2測點(diǎn)低頻振動能量減少，結(jié)合振動傳播規(guī)律可知，土體加固使下穿系統(tǒng)剛度增大，高頻振動衰減速度減慢。隨著距鐵路中心線距離的增大，50～63Hz振動加速度級顯著降低，12.5～25Hz較少，即高頻振動衰減幅度明顯大于低頻振動。

為研究加固體彈性模量變化對下部隧道拱頂豎向附加動應(yīng)力的影響，選取鐵路軌枕上的A1測點(diǎn)對應(yīng)的地鐵隧道斷面為研究斷面，圖12為各彈性模量下隧道拱頂附加動應(yīng)力最大值變化曲線，由圖可知，在列車運(yùn)行通過觀測斷面的過程中，地鐵隧道拱頂附加動應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增加、振蕩變化、逐漸減小的規(guī)律。加固體彈性模量從300MPa增加到1 000 MPa，地鐵隧道拱頂應(yīng)力最大值減小45.16%。綜合來看，提高地基加固彈性模量增大地表豎向振動，但可有效減小隧道結(jié)構(gòu)附加動應(yīng)力，需要綜合考慮環(huán)境振動控制與隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖12 不同加固模量隧道拱頂附加應(yīng)力最大值Fig.12 Comparison of additional stress of different reinforcement modulus

3.2 地基加固深度

為探究下穿系統(tǒng)地基加固深度對鐵路運(yùn)行引起的環(huán)境振動和下穿隧道的結(jié)構(gòu)附加動應(yīng)力的影響，在加固體彈性模量設(shè)置為300MPa時(shí)，設(shè)置3種不同加固深度：5m、11m（加固至隧道拱頂）、17m（加固至隧道底）。

圖13為路基和地表振動加速度最大值隨距離變化曲線，地表振動加速度最大值隨加固深度的增加而增大。由圖14可知，不同加固深度下各測點(diǎn)振動頻率集中于12.5～25Hz及50～63Hz。當(dāng)加固深度由5m增至11m時(shí)，加固區(qū)內(nèi)12.5Hz～25Hz頻率范圍內(nèi)增加了15～20dB，50～63Hz地表振動加速度級基本不變，加固深度增大使低頻振動衰減變慢。加固區(qū)外，加固深度變化對地表振動影響不大。

圖13 不同加固深度地表振動加速度最大值對比Fig.13 Comparison of vibration acceleration of different reinforcement depth

圖14 不同加固深度1/3倍頻程地表豎向振動加速度級Fig.14 One-third octave band spectra of vertical acceleration level of different reinforcement depth

圖15為地鐵隧道拱頂豎向附加動應(yīng)力最大值變化曲線，由圖可知，隨加固深度的增加，下穿隧道頂部附加動應(yīng)力最大值由15.67kPa減小至12.16kPa，降低約22.4%。綜合分析可知，地基加固至隧道底部提升了下穿系統(tǒng)整體剛度，地表振動響應(yīng)增大，但改善了隧道結(jié)構(gòu)受力，降低上部鐵路列車運(yùn)行對下穿隧道結(jié)構(gòu)的動力影響，保障下穿節(jié)點(diǎn)盾構(gòu)隧道的長期服役性能。

圖15 不同加固深度隧道拱頂附加應(yīng)力最大值Fig.15 Comparison of additional stress of different reinforcement depth

3.3 局部加固范圍

鐵路路基加固方式分為兩種，其一為整體地基加固，即從地基表面開始向下進(jìn)行加固，其二為局部加固［27］，即對地基表面下某一深度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，所形成的加固塊體對振動傳播產(chǎn)生影響。為探究局部加固深度對振動傳播的影響，設(shè)置加固范圍為：0～2m、4～6m、6～8m、8～10m。

由圖16可知，隨著局部加固范圍逐漸靠近隧道，地表振動加速度最大值先增大后減小，加固范圍為0～2m時(shí)，列車行車振動引起的地表振動加速度最小。對A2、A5測點(diǎn)進(jìn)行1/3倍頻分析，由圖17可知，各測點(diǎn)振動加速度頻率集中于12.5～25Hz及50～63Hz。加固區(qū)內(nèi)，低頻地表振動加速度級隨局部加固深度的增大先增加后減小。從A2至A5測點(diǎn)，50Hz～63Hz頻率范圍內(nèi)振級衰減了80～100dB，12.5～25Hz范圍內(nèi)衰減了10～25dB，即高頻振動衰減幅度明顯大于低頻振動，

圖16 不同加固范圍地表振動加速度最大值對比Fig.16 Comparison of vibration acceleration of different reinforcement scope

圖17 不同區(qū)域加固范圍1/3倍頻地表豎向振動加速度級Fig.17 One-third octave band spectra of vertical acceleration level of different reinforcement scope

圖18為不同局部加固深度隧道拱頂豎向附加動應(yīng)力變化曲線，隨局部加固深度的增加，隧道拱頂附加動應(yīng)力先增大后減小。當(dāng)加固范圍為8～10m時(shí)，加固體與隧道結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，減小了列車動荷載引起的隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。綜合來看，從地基表面開始加固可有效控制地表振動及隧道附加振動響應(yīng)，保障隧道結(jié)構(gòu)安全。

圖18 不同加固范圍拱頂豎向附加應(yīng)力最大值Fig.18 Comparison of additional stress of different reinforcement depth

4 結(jié)論

本文依托上海地鐵11號線地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有京滬鐵路路基工程，通過現(xiàn)場實(shí)測，分析了鐵路列車運(yùn)行引起的路肩及臨近地表的振動加速度響應(yīng)。建立與實(shí)際工程對應(yīng)的三維有限元模型，通過與實(shí)測結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性。在此基礎(chǔ)上，以鄰近鐵路地表振動加速度及下穿隧道附加動應(yīng)力最大值作為評價(jià)指標(biāo)，分析了地基加固對下穿系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響，得到以下結(jié)論：

（1）鐵路列車運(yùn)行引起的地表振動主要頻率集中在10～20Hz和50～60Hz頻帶內(nèi)，這主要由列車輪對的周期分布、軌枕間距及特定的行車速度共同激發(fā)。隨著距鐵路中心距離的增加，50～60Hz地表振動迅速衰減，10～20Hz地表振動衰減緩慢。

（2）地基加固加劇了下穿系統(tǒng)車致振動響應(yīng)。當(dāng)加固模量為300MPa時(shí)，鐵路路肩地表振動加速度最大值較未加固時(shí)增大7.5%。加固體模量增大使鐵路列車運(yùn)行引起的地表振動加速度峰值增大，而隧道拱頂豎向附加動應(yīng)力降低，地基加固增大了下穿系統(tǒng)剛度，降低了高頻振動衰減速度。

（3）隨著加固深度的增大，地表振動加速度增大，加固至隧道底可有效減小隧道拱頂附加動應(yīng)力，利于保障隧道結(jié)構(gòu)長期服役安全。加固體厚度一定時(shí)，隨著局部加固深度的增大，地表振動加速度先增大后減小，隧道拱頂豎向附加應(yīng)力增大，從地基表面開始加固可有效控制地表振動及隧道動力響應(yīng)。因此，地鐵隧道下穿鐵路路基節(jié)點(diǎn)的加固設(shè)計(jì)需要優(yōu)化地基加固方法、加固范圍等參數(shù)，保障施工期工程安全和降低運(yùn)營期車致環(huán)境振動影響。

作者貢獻(xiàn)聲明：

胡博韜：處理數(shù)據(jù)，撰寫文稿；

張小會：確定文稿，修改文稿；

王炳龍：現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)；

周順華：論文框架指導(dǎo)；

司金標(biāo)：有限元模型建立。