王 軍，李 鑫，郭畢鈞，丁光亞，劉同江，孫亞飛，于明洋

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司 博士后工作站，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；4.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；5.中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司 黔張常項(xiàng)目部，山東 濟(jì)南 250101）

隨著高鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，穿越巖溶區(qū)的高鐵隧道工程逐漸增加，越來(lái)越多的大（巨）型溶洞被揭露。隧道穿越大（巨）型溶洞時(shí)，采用回填處置方案，具有施工簡(jiǎn)單、成本經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)；但當(dāng)隧道高位穿越大（巨）型溶洞時(shí)，隧道下部空腔大，回填處置將產(chǎn)生超厚回填體，回填體沉降周期長(zhǎng)，隧道運(yùn)營(yíng)后列車動(dòng)荷載也容易造成擾動(dòng)附加沉降，擾動(dòng)沉降機(jī)理復(fù)雜，沉降控制困難［1-4］。

高鐵路基回填體沉降問題備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。王威等［5］建立了基于Burgers 模型預(yù)測(cè)鐵路路基長(zhǎng)期沉降變形的方程，反映出在填料堆載及列車荷載作用下，路基土沉降量隨時(shí)間的變化呈先快后慢，最終趨于穩(wěn)定的增長(zhǎng)規(guī)律。王敏等［6］將靜載作用沉降與實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)沉降的差值作為動(dòng)載作用下的沉降測(cè)試值，分析了路基由動(dòng)載引起的沉降特性。CHEN 等［7］在考慮時(shí)間效應(yīng)的UH 模型基礎(chǔ)上，利用有限元簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明隨著時(shí)間推移，高鐵路基蠕變沉降增長(zhǎng)率越來(lái)越慢，蠕變沉降曲線呈逐漸變平的趨勢(shì)。SHAER等［8］建立了有砟軌道模型，設(shè)計(jì)了幾何相似比1∶3 的M 波加載模型試驗(yàn)，得出了軌枕振動(dòng)加速度與路基沉降量的相關(guān)函數(shù)。ISHIKAWA 等［9］開展了幾何相似比為1∶5 的有砟軌道縮尺模型，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)加載條件下路基道床沉降量遠(yuǎn)大于單點(diǎn)加載條件下的沉降量。趙瑩等［10］通過(guò)室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)，分析了振動(dòng)40 萬(wàn)次的基床累積變形規(guī)律，表明鐵路路基的累積變形隨循環(huán)加載次數(shù)增加而變大。徐進(jìn)［11］建立了1∶1 軌道-路基動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬不同車型、不同車速的列車對(duì)高鐵路基動(dòng)力響應(yīng)及累積變形的影響。邊學(xué)成等［12］建立了1∶1比例尺的板式無(wú)砟軌道路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，基于該模型可研究多種條件下的路基長(zhǎng)期變形演化規(guī)律、振動(dòng)傳遞及衰減規(guī)律等。楊兵明等［13］通過(guò)土的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)地鐵列車循環(huán)荷載的大小及頻率對(duì)淤泥質(zhì)軟黏土地區(qū)隧道下臥土層的長(zhǎng)期沉降有較明顯的影響。宗軍良［14］等通過(guò)滬寧線提速路基的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨道床厚度的增加，路基豎向動(dòng)應(yīng)力顯著減小。以上研究為本文試驗(yàn)提供了良好的指導(dǎo)借鑒。

目前有關(guān)高鐵路基回填體運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期動(dòng)力沉降的研究多是針對(duì)軟土且多采用半經(jīng)驗(yàn)公式的算法，雖有少數(shù)人進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，但多未分析振動(dòng)影響。對(duì)于涉及超厚回填體長(zhǎng)期動(dòng)力沉降的相關(guān)研究，尤其是在巨型溶洞內(nèi)通過(guò)回填處置形成的接近百米厚回填體，在列車動(dòng)荷載影響下的擾動(dòng)沉降研究還比較少，列車動(dòng)荷載作用下超厚回填體的擾動(dòng)沉降能否滿足運(yùn)營(yíng)期要求還有待論證。

本文依托渝廈高鐵黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞處置工程，按照幾何相似比1∶5 設(shè)計(jì)了基于時(shí)序加載方式的列車動(dòng)荷載作用下超厚回填體沉降相似模型試驗(yàn)，分析在運(yùn)營(yíng)期列車動(dòng)荷載作用下超厚回填體的沉降發(fā)展規(guī)律，詳細(xì)分析了不同厚度鋼筋混凝土路基板的隔振作用、回填體擾動(dòng)沉降和動(dòng)土壓力等，可為類似鐵路隧道高位穿越大（巨）型溶洞的回填處置提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 巨型溶洞概況

高山隧道為渝廈高鐵黔常段全線6 座Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，位于湖北咸豐—來(lái)鳳區(qū)間，全長(zhǎng)3 958.2 m，洞身穿越地層主要為寒武系和奧陶系灰?guī)r。2016年8月13日14時(shí)，巨型溶洞在平導(dǎo)掌子面DIK53+678 處被揭露。巨型溶洞揭露后，施工單位先后采用了無(wú)人機(jī)探測(cè)、三維激光掃描與色譜分析、爆破振動(dòng)測(cè)試、裂縫發(fā)展監(jiān)控、大深度鉆探、高精度物探等綜合勘查方法，開展了溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)表明溶洞處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

高山隧道高位穿越巨型溶洞，直接穿越段長(zhǎng)度71 m，溶洞影響段長(zhǎng)度145 m；軌面以下為空腔，空腔高度36～57 m，拱頂緊貼溶洞頂板，部分侵限，軌面下施工難以開展，破頂容易誘發(fā)連續(xù)垮塌。溶洞形態(tài)復(fù)雜，由主通道、廳堂狀廊道和2 個(gè)伴生支洞共3 部分組成，如圖1所示。溶洞總體量超過(guò)200 萬(wàn)m3，廳堂狀廊道體量約60 萬(wàn)m3，國(guó)內(nèi)外罕見。巨型溶洞側(cè)壁及頂板有危石分布，主要包括發(fā)育為疊坐式、懸掛式和貼壁式的3類危巖，其中貼壁式危巖極易掉落，有統(tǒng)計(jì)落石近200 次，溶洞極不穩(wěn)定；溶洞底部大塊石堆積，原始堆積體厚度50～65 m，底部處置施工難度大。這些工程風(fēng)險(xiǎn)極大地增加了溶洞處置難度。

圖1 巨型溶洞平面示意圖

1.2 巨型溶洞綜合處置概況

根據(jù)巨型溶洞特征，制定了線路繞避、回填和橋跨3 類別共12 種處置方案，經(jīng)過(guò)多參數(shù)層次分析法、精細(xì)化數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比綜合分析后，優(yōu)選了“洞砟回填+上部注漿”的巨型溶洞處置方案［15］，方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 巨型溶洞回填處置方案示意圖

詳細(xì)施工步驟為：首先設(shè)置1 條施工支洞（如圖1所示），連接平導(dǎo)（758 m高程）至溶洞底部最高處（730 m 高程）；回填前，破解溶洞底部大塊石并埋設(shè)排水管路；對(duì)溶腔730 m 高程以下進(jìn)行洞砟回填，完成后先在填料上方施作1 層50 cm 厚水泥砂漿止?jié){層，再由平導(dǎo)口及主洞洞口向洞內(nèi)拋填洞砟并分層攤平碾壓，要求每層壓實(shí)系數(shù)不低于0.97，洞砟回填至750 m 高程為止；對(duì)750 m 高程以上先回填5 m 厚摻5%水泥的級(jí)配碎石，再通過(guò)級(jí)配碎石層向下鉆孔，對(duì)上部20 m 厚回填洞砟層進(jìn)行注漿加固；此后繼續(xù)在級(jí)配碎石層上部施工3 m 厚鋼筋混凝土路基板，路基板上方兩側(cè)施工素混凝土大邊墻，邊墻以內(nèi)做隧道明洞結(jié)構(gòu)。至此，完成巨型溶洞回填與隧道結(jié)構(gòu)施工。

高山隧道巨型溶洞回填體總厚度36～57 m，屬于超厚回填體，下部尚有50～65 m 厚原始坍塌堆積體，工后沉降不易控制，特別是隧道開通后高速列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期擾動(dòng)下沉降是否增加、沉降發(fā)生機(jī)理等需要深入研究，為此設(shè)計(jì)了列車動(dòng)荷載下超厚回填體沉降相似模型試驗(yàn)。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似模型試驗(yàn)在溫州大學(xué)甌江校區(qū)的高鐵路基動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上開展，試驗(yàn)周期6個(gè)月。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

高鐵路基動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)由模型箱與模擬加載系統(tǒng)組成，模型箱為一半入地式箱體，加載系統(tǒng)主體為多通道系統(tǒng)操控下的5個(gè)伺服作動(dòng)器，試驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)主控計(jì)算機(jī)對(duì)作動(dòng)器加載幅值、頻率以及相位進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

加載系統(tǒng)的工作模式為時(shí)序加載，列車動(dòng)荷載在時(shí)序加載模式下可以轉(zhuǎn)化為豎向荷載作用于路基某一固定位置處。假定列車運(yùn)行線路平順，每個(gè)點(diǎn)的受力大小和頻率都相同，則每個(gè)作動(dòng)器的加載時(shí)程頻率、振幅及曲線波形都應(yīng)相同，由于相鄰2 個(gè)作動(dòng)器之間的時(shí)程曲線有相位差，而作動(dòng)器之間的間距固定，所以相鄰2 個(gè)作動(dòng)器時(shí)程曲線相位差φ將由列車速度v確定。

2.2 試驗(yàn)相似性設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)條件與超厚回填體施工狀況，以幾何相似比1∶5 作為主控因素，對(duì)模型進(jìn)行幾何尺寸、試驗(yàn)材料、外部荷載、初始條件、邊界條件等在內(nèi)的相似性設(shè)計(jì)［16］。具體設(shè)計(jì)思路如下。

（1）按照高山隧道巨型溶洞實(shí)際工況，自下而上分層填筑回填體試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

（2）試驗(yàn)填筑所用材料與施工現(xiàn)場(chǎng)填筑所用材料應(yīng)具有相似的物理性質(zhì)，主要考慮因素包括顆粒級(jí)配、密度、彈性模量等。

（3）加載系統(tǒng)在模擬列車動(dòng)荷載時(shí)應(yīng)確保施加的荷載與現(xiàn)實(shí)中列車動(dòng)荷載的相似性，主要體現(xiàn)在荷載的大小和頻率方面。

（4）實(shí)際工程中超厚回填體在施工結(jié)束后將會(huì)經(jīng)歷1年左右的靜置期，其地基應(yīng)力歷史條件很難進(jìn)行模擬，因此采用預(yù)壓方法模擬靜置期固結(jié)沉降。

（5）溶腔回填后形成的超厚回填體與普通回填路基相比，其最大特點(diǎn)是回填體受到溶洞側(cè)壁的約束作用，監(jiān)測(cè)顯示回填體幾乎沒有水平位移，模型箱的剛性側(cè)壁也能夠限制水平位移。

基于以上思路，利用Buckinghamπ定理計(jì)算模型試驗(yàn)的相似比，得出超厚回填體模型試驗(yàn)應(yīng)滿足的基本相似關(guān)系為

式中：SE為彈性模量相似比；Sρ為密度相似比；Sa為加速度相似比；SL為幾何尺寸相似比。

假設(shè)模型材料為彈塑性材料，以Duncan-Chang 非線性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系結(jié)合Buckinghamπ定理，可得到如下基本關(guān)系式

式中：Sσ為應(yīng)力相似比；Sε為應(yīng)變相似比。

綜上所述，超厚回填體模型試驗(yàn)最終所采用的各物理量相似比見表1。

表1 模型試驗(yàn)所采用的各物理量相似比

2.3 試驗(yàn)相似模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)截取渝廈高鐵黔常鐵路段DIK53+680—DIK53+695 位置處的超厚回填體進(jìn)行模擬，回填體線路方向長(zhǎng)度15 m、縱向?qū)挾?0 m、豎向深度20 m，如圖3所示。根據(jù)幾何相似比1∶5，設(shè)計(jì)模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為6 m×3 m×4 m。

圖3 模擬范圍示意圖

回填體模型中的路基自上而下分別為：有砟軌道層、隧道仰拱層、鋼筋混凝土路基板、級(jí)配碎石層和回填洞砟注漿層。受模型箱尺寸限制，級(jí)配碎石層以下的回填洞砟層僅能模擬12 m 厚度，考慮到實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)回填洞砟上部20 m 厚度進(jìn)行了注漿加固處理，回填洞砟注漿層對(duì)列車動(dòng)荷載隔離效果好，動(dòng)荷載對(duì)深部回填體影響有限，且本文重點(diǎn)考慮動(dòng)荷載傳遞機(jī)理，回填洞砟層模擬12 m厚度是可行的。

軌道采用縮尺工字鋼模擬，軌枕采用縮尺條形鋼筋混凝土模擬，道砟與級(jí)配碎石層采用縮尺碎石模擬，隧道仰拱層和路基板采用縮尺鋼筋混凝土板模擬，回填洞砟注漿層采用密實(shí)中砂進(jìn)行模擬，中砂填筑后進(jìn)行動(dòng)載預(yù)壓使其達(dá)到洞砟注漿層相近狀態(tài)，以壓實(shí)度作為參考指標(biāo)。砂層填筑厚度為2.4 m，級(jí)配碎石層和鋼筋混凝土路基板厚度共0.9 m，根據(jù)路基板厚度調(diào)整級(jí)配碎石層厚度，試驗(yàn)?zāi)Ｐ突靥钊鐖D4所示。填筑好的模型箱如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ突靥钍疽鈭D

圖5 回填體模型箱

模型回填材料按照物理性質(zhì)相似原則進(jìn)行參數(shù)分析和設(shè)計(jì)，具體如下。

（1）隧道仰拱結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土路基板均采用與實(shí)際工程中相同配合比的C30混凝土進(jìn)行澆筑。

（2）選取實(shí)際工程中的級(jí)配碎石層，通過(guò)篩分試驗(yàn)獲得粒徑級(jí)配見表2，且不均勻系數(shù)Cu不小于15，粒徑0.02 mm 以下碎石質(zhì)量百分率不大于3%。模型中的級(jí)配碎石層以粗骨料（粒徑≥30 mm）、細(xì)骨料（10 mm≤粒徑＜30 mm）和碎石屑（粒徑＜10 mm）為填料，填料物理參數(shù)見表3，符合相似要求，表中D10，D30和D60分別為級(jí)配碎石有效粒徑、中值粒徑和限制粒徑。

表2 實(shí)際工程中級(jí)配碎石層的粒徑級(jí)配

表3 模型中級(jí)配碎石層填料基本物理參數(shù)

（3）實(shí)際工程中回填洞砟注漿層采用加工洞砟回填，洞砟中碎石粒徑分布見表4，中值粒徑碎石的物理參數(shù)見表5。洞砟回填后進(jìn)行注漿加固，注漿所采用材料為水泥漿-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6，對(duì)回填洞砟注漿層進(jìn)行鉆孔取芯并測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，注漿層結(jié)石率較高，巖芯試件單軸抗壓強(qiáng)度均不低于25 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［17-18］，碎石松散體注漿加固后的材料物理力學(xué)性質(zhì)和堆載密實(shí)的中砂相似。故試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁捎弥猩澳M回填洞砟注漿層，為增加其密實(shí)度，在模型試驗(yàn)的路基板和級(jí)配碎石層布置前，先對(duì)回填中砂進(jìn)行了動(dòng)載預(yù)壓處理，使其物理性質(zhì)更加接近施工工程中的洞砟回填注漿層，中砂物理參數(shù)見表6。

表4 洞砟中碎石粒徑分布

表5 中值粒徑洞砟碎石物理參數(shù)

表6 砂層填料物理參數(shù)

實(shí)際工程中采用的鋼筋混凝土路基板厚度為3 m，為驗(yàn)證其隔振性能，按照幾何相似比1∶5 縮尺設(shè)計(jì)了0.6 m 厚路基板模型試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)路基荷載基本被隔離，路基沉降微小，滿足實(shí)際工程需要；為驗(yàn)證0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板是否過(guò)于保守，同時(shí)闡明列車動(dòng)荷載向下傳遞的規(guī)律，又做了0.4 m（對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的2 m）和0.2 m（對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的1 m）厚路基板的對(duì)比模型試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在這2 種路基板厚度下列車動(dòng)荷載效應(yīng)向下傳遞明顯，路基沉降較大，由此說(shuō)明了路基板3 m 厚基本達(dá)到了隔振效果和經(jīng)濟(jì)成本的最佳組合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

2.4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)回填模型的動(dòng)力響應(yīng)及沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為2 大部分，即傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)主要包括加速度計(jì)、沉降計(jì)、土壓力盒、應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)以及試驗(yàn)臺(tái)自帶的作動(dòng)器載荷和位移傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為各類測(cè)試傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在隧道仰拱層模擬板邊緣設(shè)置位移計(jì)，用來(lái)監(jiān)測(cè)回填模型仰拱表層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在路基板下回填層埋設(shè)土壓力盒、三向加速度計(jì)和單點(diǎn)位移計(jì)，用來(lái)監(jiān)測(cè)回填體模型內(nèi)部的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。試驗(yàn)臺(tái)共有5個(gè)作動(dòng)器分配梁，試驗(yàn)所用傳感器主要布置在中間作動(dòng)器分配梁的下方。以0.6 m 厚路基板試驗(yàn)為例，各類測(cè)試傳感器分布如圖6所示。傳感器的具體數(shù)量、位置分布和作用如下。

圖6 以0.6 m厚路基板為例的傳感器布設(shè)示意圖（單位：m）

（1）布設(shè)位移計(jì)5 個(gè)，編號(hào)為W1，W2，…，W5，以0.5 m 的間距均勻布置在隧道仰拱層模擬板表面，用于測(cè)量回填模型仰拱表層的沉降。

（2）布設(shè)土壓力盒7個(gè)，編號(hào)為T1，T2，…，T7。沿分配梁方向在路基板底部埋設(shè)3 個(gè)，從左到右分別為T7、T5 和T6，其中T5 位于模型箱中線位置處；T3 和T4 分別位于T5 和T6 下方40 cm處；T1 和T2 分別位于T5 和T6 下方40 cm 處。用于測(cè)量回填模型內(nèi)部土壓力。

（3）布設(shè)三向加速度計(jì)5個(gè)，編號(hào)為N1，N2，…，N5。沿分配梁方向在路基板底層布置4 個(gè)，從左到右分別為N3，N4 和N5，其中N3 位于模型箱中線位置處；N2 和N1 位于N3 下方，上下間隔20 cm。用于測(cè)量回填模型內(nèi)部振動(dòng)加速度（對(duì)板厚0.2 m和0.4 m路基板增加加速計(jì)N6）。

（4）布設(shè)單點(diǎn)沉降計(jì)2個(gè)，分別編號(hào)F1和F2，采用階梯狀埋設(shè)的方式埋設(shè)在路基板中心兩側(cè)，傳感器測(cè)桿長(zhǎng)度分別為F1長(zhǎng)50 cm，F(xiàn)2長(zhǎng)70 cm。用于測(cè)量回填模型內(nèi)部沉降。

（5）對(duì)于0.4 m 厚路基板試驗(yàn)，增加土壓力盒2 個(gè)，編號(hào)為T8 和T9，分別位于T5 和T6 上方20 cm 位置處；增加單點(diǎn)沉降計(jì)1 個(gè)，編號(hào)F3，位于F1 上方40 cm 位置處。對(duì)于0.2 m 厚路基板試驗(yàn)，增加土壓力盒2 個(gè)，編號(hào)為T8 和T9，分別位于T5和T6上方40 cm 位置處；增加單點(diǎn)沉降計(jì)2個(gè)，編號(hào)為F3 和F4，分別位于F1 和F2 上方40 cm 位置處。

2.5 模型加載設(shè)計(jì)

渝廈高鐵黔常段為雙線鐵路，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)速為200 km，本試驗(yàn)僅模擬1 側(cè)線路；以和諧號(hào)CRH380AL 型高速列車為模擬對(duì)象，8輛編組，列車軸重不超過(guò)15 t，每節(jié)車廂長(zhǎng)約25 m。采用5套最大荷載200 kN的動(dòng)態(tài)作動(dòng)器模擬高速列車荷載，作動(dòng)器的行程為0～200 mm，工作頻率不大于20 Hz，試驗(yàn)中列車的運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間及列車軸重分別用作動(dòng)器的頻率、振動(dòng)次數(shù)及輸出荷載模擬。

本試驗(yàn)僅考慮路基上部豎向荷載，不考慮水平荷載。根據(jù)現(xiàn)有研究，當(dāng)列車以固定的速度行駛時(shí)，軌道上某1 個(gè)點(diǎn)處的變化可近似看作1 個(gè)先增大后減小的重復(fù)受力過(guò)程，這種受力形式與半正弦波曲線特征相符合，而半正弦波作用下土體試樣的累積變形和模擬列車動(dòng)荷載的不規(guī)則波作用下土體試樣的累積變形相似，所以本試驗(yàn)中可采用半正弦波荷載模擬列車動(dòng)荷載［19］，其加載曲線為

式中：F為激振力，kN；q為荷載振幅，kN；f為輸出頻率，Hz；t為加載時(shí)間（以t=0 為加載瞬時(shí)），s；φ為相位差，（°）；T為荷載作用時(shí)長(zhǎng)，s。

由式（3）可以看出，采用半正弦荷載模擬列車動(dòng)荷載時(shí)，應(yīng)考慮的物理量包括作動(dòng)器的荷載振幅、輸出頻率以及輸出相位差。

經(jīng)相似計(jì)算可得：對(duì)應(yīng)200 km·h-1的列車速度，半正弦波加載頻率約為2.22 Hz；荷載振幅取30 kN；相鄰2個(gè)作動(dòng)器加載相位差φ=36°。綜上考慮，模擬試驗(yàn)中5個(gè)作動(dòng)器的加載曲線如圖7所示。

圖7 加載曲線

2.6 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程主要為：模型填筑→儀器安裝→預(yù)壓調(diào)整→正式加載→數(shù)據(jù)采集→試驗(yàn)完成。

儀器安裝完成后靜置1 d，使模型達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，然后進(jìn)行預(yù)壓調(diào)整，各通道作動(dòng)器分別施加50 kN 靜力荷載，一方面模擬實(shí)際工程中回填體靜態(tài)沉降，另一方面預(yù)壓模型使其初步穩(wěn)定。

正式加載中，先對(duì)0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板開展試驗(yàn)，采用2.22 Hz半正弦波加載頻率、30 kN荷載振幅模擬列車通過(guò)；加載次數(shù)設(shè)定為30 000次，因列車為8 輛編組，1 趟列車通過(guò)模擬區(qū)段時(shí)會(huì)產(chǎn)生8 次振動(dòng)，30 000 次加載相當(dāng)于列車3 750趟通過(guò)模擬區(qū)段；假設(shè)每天通過(guò)列車8趟，則相當(dāng)于隧道運(yùn)營(yíng)16 個(gè)月。試驗(yàn)加載中的模型如圖8所示。

圖8 列車動(dòng)荷載下回填體相似模型加載

當(dāng)0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板試驗(yàn)加載完畢后，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，該厚度下列車動(dòng)荷載被有效隔離，可以推斷路基板更厚，其隔振作用更好；且此時(shí)路基板下動(dòng)力響應(yīng)不明顯，不利于研究板下沉降機(jī)理，故無(wú)須進(jìn)行更厚的鋼筋混凝土路基板試驗(yàn)。將模型箱內(nèi)0.6 m 厚路基板取出，重鋪下部回填體，保持軌道高程不變，增筑20 cm 厚級(jí)配碎石，隨后放入0.4 m 厚路基板，采用相同的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)；此后按照相同操作步驟再進(jìn)行0.2 m 厚路基板試驗(yàn)。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 回填體沉降

3.1.1 仰拱表層沉降

依據(jù)隧道仰拱表層布設(shè)的位移傳感器（W1—W5）測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行仰拱表層沉降分析，將仰拱表層沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成s-t曲線，采用指數(shù)模型［20］擬合s-t曲線特征并求出模型參數(shù)，位移響應(yīng)時(shí)程曲線的收斂值可通過(guò)擬合式求出，該值即為通過(guò)指數(shù)模型預(yù)測(cè)得到的超厚回填體仰拱表層最終沉降量。其中，指數(shù)模型的表達(dá)式為

式中：St為t時(shí)的沉降量，mm；S∞為最終沉降量，mm；α和β分別為待定模型參數(shù)。

以0.6 m 厚鋼筋混凝土路基板試驗(yàn)組（每個(gè)試驗(yàn)組都包含位移監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)以及土壓力監(jiān)測(cè)等內(nèi)容：加載時(shí)長(zhǎng)為13 600 s，加載約2.992 萬(wàn)次）的截面中間位置傳感器W3 為分析對(duì)象，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所示曲線與擬合曲線如圖9所示。擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R2為0.8，擬合優(yōu)度較好。所得擬合式為

圖9 仰拱表層沉降實(shí)測(cè)及擬合曲線

由圖9可知：試驗(yàn)開始后隧道仰拱表層沉降快速增至0.3 mm，隨著列車動(dòng)荷載作用次數(shù)的增加，模型試驗(yàn)中的仰拱表層沉降量隨之增大，但其沉降增加速率逐漸減緩，加載時(shí)長(zhǎng)為13 600 s 時(shí)沉降量增長(zhǎng)已趨于穩(wěn)定，列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下仰拱表層最終沉降約為0.485 mm，根據(jù)相似比，實(shí)際工程的最終沉降為2.425 mm。初始沉降0.3 mm形成過(guò)快，初步分析其為系統(tǒng)誤差?？鄢@個(gè)誤差，則仰拱表層最終沉降為0.485-0.300=0.185 mm（實(shí)際工程為0.925 mm），可見因列車動(dòng)荷載引起的沉降量較小。

采用相同方法進(jìn)行計(jì)算，路基板厚度分別為0.4 和0.2 m 時(shí)，仰拱表層最終沉降收斂值分別為0.785 和1.385 mm（實(shí)際工程為3.925 和6.925 mm）?？梢姡?.6 m（實(shí)際工程為3 m）厚路基板在減少路基動(dòng)力沉降方面作用顯著，隔振效果良好。

3.1.2 回填體內(nèi)部沉降

回填體內(nèi)部沉降分析依據(jù)單點(diǎn)沉降計(jì)（F1—F4）測(cè)試數(shù)據(jù)，其中F1—F4 測(cè)桿長(zhǎng)度分別為50，70，90 和110 cm。根據(jù)單點(diǎn)沉降計(jì)階梯狀布設(shè)的特點(diǎn)，計(jì)算2 個(gè)沉降計(jì)數(shù)據(jù)的差值，就是2 個(gè)沉降計(jì)頂部法蘭盤之間回填體的分層沉降量，分別對(duì)應(yīng)回填體厚度50 cm（F1），20 cm（F2 與F1 間），20 cm（F3 與F2 間），20 cm（F4 與F3 間），各分層沉降量變化如圖10所示。

圖10 回填體內(nèi)部分層沉降曲線

由圖10可知：回填體各分層的沉降速率均呈下降趨勢(shì)，隨著回填深度增大，分層沉降量逐漸減?。怀两抵饕l(fā)生在級(jí)配碎石層，砂層沉降較小；對(duì)于鋼筋混凝土路基板厚0.6 m 試驗(yàn)組，板下70 cm 回填層最終沉降約0.24 mm，其中20 cm 厚級(jí)配碎石層的沉降量約占最終沉降量的90%以上，為0.22 mm，砂層沉降0.02 mm；對(duì)于路基板厚0.4 m 試驗(yàn)組，板下90 cm 回填層最終沉降約0.41 mm，其中40 cm 厚級(jí)配碎石層沉降量約占各層最終沉降量的74%，為0.30 mm，砂層沉降0.11 mm；對(duì)于路基板厚0.2 m 試驗(yàn)組，板下110 cm 回填層最終沉降約0.80 mm，其中60 cm 厚級(jí)配碎石層沉降量約占各層最終沉降量的62%，為0.50 mm，砂層沉降0.30 mm。

由此可見，隨著路基板厚度減小，砂層沉降逐漸增大，說(shuō)明砂層內(nèi)因列車動(dòng)荷載引起的土動(dòng)力效應(yīng)增加。路基板厚0.6 m 試驗(yàn)組F1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，砂層表層50 cm 范圍內(nèi)沉降量非常小，僅相當(dāng)于實(shí)際工程0.1 mm，說(shuō)明土動(dòng)力作用微弱，可見實(shí)際施工中，回填洞砟層上部注漿加固后抗擾動(dòng)性能良好，3 m厚鋼筋混凝土路基板隔振效果顯著。

3.2 回填體內(nèi)部振動(dòng)加速度

分析數(shù)據(jù)來(lái)自回填體內(nèi)部加速度傳感器（N1—N6）。每隔100 s記錄1次振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線峰值（取期間振動(dòng)加速度的最大值），分析其在列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下的變化狀況?；靥铙w內(nèi)部振動(dòng)加速度峰值變化曲線如圖11所示。

由圖11可知：振動(dòng)加速度峰值整體上表現(xiàn)為從回填體表層到深層逐漸遞減的趨勢(shì)；從曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，表層監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值逐漸穩(wěn)定在某一恒定值附近，而底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)N1 在3 萬(wàn)次加載過(guò)程中輕微波動(dòng)，這說(shuō)明在動(dòng)荷載的作用下，回填體逐漸被壓實(shí)，其振動(dòng)加速度峰值也逐漸趨于穩(wěn)定；隨著路基板厚度的增加，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值逐漸減小，這表明隨著路基板厚度增加，其隔振效果顯著增大，列車動(dòng)荷載對(duì)下部回填體的動(dòng)力影響逐漸減小。

圖11 回填體內(nèi)部振動(dòng)加速度峰值變化曲線

3.3 回填體內(nèi)部動(dòng)土壓力

分析數(shù)據(jù)來(lái)自回填體內(nèi)部土壓力盒（T1—T9），每90 s采集1次。分析工況取列車時(shí)速200 km（設(shè)計(jì)時(shí)速）、加載3萬(wàn)次。在數(shù)據(jù)采集密度小的情況下，地基土內(nèi)部土壓力變化峰值很難被捕捉到，數(shù)據(jù)的離散性也較大，為了降低數(shù)據(jù)離散性，取相鄰6 組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值計(jì)數(shù)1 次（即9 min 內(nèi)動(dòng)土壓力平均值）進(jìn)行分析?；靥铙w內(nèi)部動(dòng)土壓力變化曲線如圖12所示。由圖12可得如下結(jié)論。

圖12 回填體內(nèi)部動(dòng)土壓力變化曲線

（1）在列車動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用下，回填體內(nèi)部有較為明顯的土壓力顯現(xiàn)，相同埋深的土壓力基本一致，隨著回填體深度增加，動(dòng)土壓力明顯降低。以0.6 m 厚路基板為例，路基板底層、進(jìn)入砂層0.1 m、進(jìn)入砂層0.5 m 處的土壓力平均值分別為5.0，3.0，1.5 kPa，且級(jí)配碎石層、砂層的土壓力折減速率分別為5.00 和3.75 kPa·m-1，實(shí)際工程中回填體上部20 m 范圍內(nèi)注漿，按照1∶5 相似比，相當(dāng)于試驗(yàn)4 m 厚砂層，列車動(dòng)荷載引起的動(dòng)土壓力很難傳至砂層底面，有效驗(yàn)證了實(shí)際工程中回填體上部20 m注漿的合理性。

（2）隨著路基板厚度降低，回填體內(nèi)動(dòng)土壓力逐漸增加，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板底處的土壓力平均值分別為5，6，8 kPa；同時(shí)進(jìn)入砂層的動(dòng)土壓力也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，0.6，0.4，0.2 m 厚路基板砂層0.5 m 處的土壓力平均值分別為1.5，2.5，4.5 kPa。說(shuō)明路基板越厚，阻斷列車動(dòng)荷載效應(yīng)的作用越顯著，實(shí)際工程中采用3 m 厚鋼筋混凝土路基板是合理可靠的。

4 運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)

渝廈高鐵黔常段高山隧道施工完成后，隨著時(shí)間的推移和高速列車的動(dòng)載擾動(dòng)，其下部的超厚回填體將會(huì)發(fā)生沉降，超厚回填體在運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生沉降會(huì)造成上方隧道整體結(jié)構(gòu)的沉降。如圖13所示，高山隧道施工中會(huì)在級(jí)配碎石層上方隧道中心線兩側(cè)12 m 范圍內(nèi)施工3 m 厚C30 鋼筋混凝土路基板，鋼筋混凝土路基板施工完成后在路基板的兩側(cè)施工素混凝土大邊墻，邊墻橫截面為直角梯形，在素混凝土大邊墻內(nèi)側(cè)施工明洞結(jié)構(gòu)，隧道明洞結(jié)構(gòu)、素混凝土大邊墻和鋼筋混凝土路基板形成1個(gè)整體結(jié)構(gòu)，所以隧道結(jié)構(gòu)沉降是整體發(fā)展的。因運(yùn)營(yíng)期內(nèi)隧道仰拱層上表面受條件限制不能安裝監(jiān)測(cè)儀器，為了監(jiān)測(cè)隧道沉降發(fā)展，于隧道通車前在溶洞段隧道邊墻上安裝了靜力水準(zhǔn)儀7 個(gè)，編號(hào)S1—S7，用來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)沉降。因隧道結(jié)構(gòu)為整體式，溶洞段隧道邊墻沉降可以代替隧道仰拱表層沉降。

圖13 溶洞內(nèi)隧道斷面（單位：cm）

渝廈高鐵黔常段于2019年12月26日正式開通運(yùn)營(yíng)，以溶洞中部對(duì)應(yīng)點(diǎn)S4 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為參考，提取2019-12-26—2020-12-31 共約1年的運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整理各測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖14所示（以2019-12-26為首日，即第0天）。

圖14 運(yùn)營(yíng)期隧道仰拱表層沉降曲線

由圖14可知：隧道開通后的1年內(nèi)，隧道仰拱層受高速列車動(dòng)荷載的影響，沉降在緩慢增加，但是沉降速率在逐步下降，在2020年7月31日后，隧道仰拱表層沉降逐漸趨于穩(wěn)定；自溶洞開通運(yùn)營(yíng)后至2020年7月，隧道仰拱表層平均沉降量為0.78 mm；2020年8月—12月，隧道仰拱表層平均沉降量為0.16 mm；隧道運(yùn)營(yíng)1年內(nèi)，隧道仰拱表層沉降最大值為0.956 mm，不足1.0 mm，與超厚回填體沉降模型試驗(yàn)結(jié)果較為符合。目前隧道已運(yùn)營(yíng)1年多，隧道結(jié)構(gòu)安全，運(yùn)營(yíng)良好。

5 結(jié) 論

（1）依托渝廈高鐵黔常段高山隧道高位穿越巨型溶洞回填處置工程，按照幾何相似比1∶5 設(shè)計(jì)基于時(shí)序加載方式的列車動(dòng)荷載作用下超厚回填體沉降相似模型試驗(yàn)。以幾何相似比為主控因素推導(dǎo)模型試驗(yàn)的相似常數(shù)；建立了包括有砟軌道層、隧道仰拱層、鋼筋混凝土路基板層、級(jí)配碎石層和回填洞砟注漿層的回填體相似模型，可實(shí)現(xiàn)列車動(dòng)荷載作用下不同厚度路基板時(shí)回填體分層沉降、回填體內(nèi)部振動(dòng)加速度及土壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；分別以作動(dòng)器的頻率、振動(dòng)次數(shù)和輸出荷載模擬試驗(yàn)中列車的運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間和軸重，基于和諧號(hào)CRH380 AL型列車參數(shù)，采用了縮尺半正弦波加載方法。

（2）列車動(dòng)荷載作用會(huì)增加回填體沉降，回填體沉降速率隨深度增加逐漸變緩，最終沉降量較小，主要來(lái)源于級(jí)配碎石層沉降，砂層（代表實(shí)際工程中回填洞砟注漿層）沉降微??；隨著鋼筋混凝土路基板厚度增大，回填體沉降顯著降低，砂層產(chǎn)生的沉降可降至忽略不計(jì)，路基板隔振效果良好。振動(dòng)加速度及土壓力沿回填體深度方向均有明顯的衰減趨勢(shì)，路基板厚度越大越能有效減少振動(dòng)加速度及土壓力對(duì)回填體的動(dòng)力影響，對(duì)減小回填體內(nèi)部沉降作用顯著。0.6 m（實(shí)際工程中為3 m）厚鋼筋混凝土路基板能有效阻斷列車動(dòng)荷載引起的加速度與土動(dòng)力傳遞，證明了工程中采用3 m 厚鋼筋混凝土路基板是合理的。

（3）高山隧道施工完成后，在溶洞段隧道邊墻安裝靜力水準(zhǔn)儀來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)期隧道仰拱表層沉降。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：隧道通車1年內(nèi)隧道仰拱表層沉降不足1 mm，與試驗(yàn)所得結(jié)果較為符合，滿足工程要求。證明巨型溶洞采用“洞砟回填+上部注漿”處置、并輔以3 m 厚鋼筋混凝土路基板隔振的設(shè)計(jì)方案是合理的可靠的，目前隧道運(yùn)營(yíng)良好。