深埋式桩板结构桥-隧过渡段动力响应特征分析
研究背景与需求
桩板结构路基通过轨道结构下铺设的承载板与群桩基础能够将上部荷载传递至深部地基，从而达到降低路基永久沉降的目的。按照承载板的埋置深度进行分类，桩板结构路基可分为非埋式、浅埋式及深埋式。现在大多研究主要集中在非埋式与浅埋式桩板结构路基，而有关深埋式桩板结构路基方面的研究相对较少，特别是当深埋式桩板结构路基用作过渡段时，相关报道更是少见。上海-昆明高速铁路江西段某工点针对桥梁与隧道之间因距离短而无法设置常规过渡段（如倒梯形过渡段）的情况，首次将深埋式桩板结构路基用作该工点桥梁-隧道过渡段，作为一种新型过渡段，其过渡效果及动力特性值得进一步研究。
为此，本文针对该工点桥-隧过渡区（包含隧道口、过渡段及桥台）展开现场动力响应测试，研究过渡区在列车激励下的动力响应分布规律，并且建立考虑车辆-轨道-路基耦合振动数值模型，研究桩板结构过渡段的竖向动应力分布及过渡区列车行车平稳性，进而对过渡区线路平顺性作出评价。
(a)过渡区纵剖面
(b)过渡段路基横剖面
图1 桥-隧过渡区结构概况（单位：m）
(a)立体图 (b)侧视图
图2 桩板结构尺寸（单位：m）
在过渡区共设置5个横向测试断面（B0、S1、S2、S3和T0），里程DK722+522.8～DK722+562.0。每个断面测点的位置分布在上行线和下行线底座板的内外两侧、线路中心线路基表面以及路基两侧边坡位置，T0-2：T0代表监测断面，2代表测点编号，其余同理。测试列车包含CRH380B、CRH2、CRH380A-001、CRH380A-6158、CRH380AM及DF11共6种车型，对应列车轴重分别为16、13、14、14、15、22t。
(a)平面布置示意
(b)横断面布置示意
图3 监测布置
测试难点
（1）高铁运营时，测试过渡区禁止人员停留，测试人员无法现场本地进行测试。
（2）常规无人值守的测试方法是离线全存储，这样的测试策略会产生大量的无用数据，增加存储与分析负担。
（3）本文对振动速度信号进行全程一次积分获取动位移，传统微积分算法易受局部噪声和基线漂移影响，难以实现数字信号的实时连续处理。
解决方案
（1）无人值守测试
采用东方所自研的INV系列数据采集仪，使用离线触发采集模式，优于传统的无人值守测试。车辆经过时，被测结构的振动超出了传感器设定的阈值，此时仪器自动开启触发采样。车辆经过后停止采样，等待下一趟车辆触发，如此循环测试。测试结果清晰可见，且避免产生大量的无用数据。
图4 INV3060硬件外观
（2）振动全息AVD(一入三出)测量技术
东方所原创的全程微积分方法，充分考虑全程波形的特征，有效避免传统微积分的缺陷，实现了动态信号测量过程中的实时微积分转换，其效果远远优于硬件调理。
结论
- 不同车型列车激励下深埋式桩板结构过渡区振动水平较低，过渡区振动加速度及动位移有效值的最大值分别为0.85m/s2、0.034mm。受列车动力附加荷载作用，过渡段与桥台连接区域振动水平比过渡段内其他位置振动水平更高。
(a)加速度沿纵向分布 (b)加速度横向分布
(c)动位移沿纵向分布 (d)动位移横向分布
图5 不同车型振动加速度和动位移有效值对比
- 过渡区动力响应有效值随车速的增大而增大，过渡段动力响应的增大幅度要比隧道与桥台的更小。行车方向对过渡段与桥台连接区域的动力响应影响较大，对其他断面影响微弱。
(a)竖向振动加速度
(b)竖向动位移
图6 不同车速列车激励振动响应对比
- 由过渡区相邻断面加速度差值及其变化率可知，深埋式桩板结构过渡段动力响应沿线路纵向分布较为均匀，并且桥台至过渡段的平顺性要优于过渡段至隧道的平顺性。
(a)振动加速度差值范围
(b)加速度变化率范围
图7 相邻测试断面间的加速度变化
- 桩板结构的存在使列车荷载能够传递至深部地基，降低了基床或浅部地基土体承受的动力作用。
- 列车以300km/h车速经过该过渡区时，过渡区内钢轨挠度最大变化率小于控制值，乘客舒适度达到优良等级，表明深埋式桩板结构路基用作该桥台-隧道过渡段时过渡效果良好。
参考文献：李双龙，魏丽敏，何群，等.深埋式桩板结构桥-隧过渡段动力响应特征分析[J].西南交通大学学报，2021，56(6)：1222-1231.
