《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Dynamic response laws of tunnel lining in mudstone under the moving load of high-speed railway trains: A case study
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泥岩地层高铁隧道衬砌动力响应研究通过室内试验获取泥岩动态弹性模量、阻尼比等参数，构建车-隧动态计算模型，分析不同交通模式、埋深及车速下衬砌-围岩体系响应规律，发现双向交通下倒拱区加速度及位移峰值较单向高0.1160 m/s2和0.985 mm，埋深影响垂直加速度呈先增后减趋势，车速增加导致响应增强且加速度敏感区下移。
何天子|李斌|张慧健|周旭敏|苏同熙|陈伟|夏增银
西南交通大学土木工程学院，教育部交通隧道工程重点实验室，中国成都610031
摘要 高速列车运行过程中产生的振动载荷会干扰泥岩隧道及其周围岩石的衬砌结构，影响衬砌结构-周围岩石系统的稳定性。基于一个正在建设中的穿过泥岩层的高速铁路隧道项目，本文首先通过室内实验获得了隧道现场泥岩的动态弹性模量、阻尼比和阻尼系数。然后，利用数值模拟方法建立了车辆-隧道动态计算模型。该模型揭示了在不同驱动模式、隧道埋深和列车运行速度下，泥岩隧道中衬砌结构-周围岩石系统的动态响应差异。研究结果表明，在单向交通和双向交通条件下，泥岩隧道衬砌结构的加速度和位移响应显著高于其他部位；与单向交通相比，双向交通条件下隧道结构的最大加速度和位移分别为0.1160 m·s?2 和0.985 mm，动态响应更为强烈。在不同隧道埋深下，泥岩隧道衬砌的位移响应变化不大，但垂直加速度响应受埋深影响显著，其峰值随埋深增加而先增大后减小。倒拱区域的垂直加速度响应最为强烈，最大垂直加速度峰值为0.2089 m·s?2 。在不同列车运行速度下，泥岩隧道衬砌的动态响应随列车速度增加而增大。在双向交通条件下，速度为350 km/h时，倒拱区域的最大垂直加速度峰值为0.4374 m·s?2 ，位移峰值为1.205 mm。随着运行速度的提高，衬砌结构垂直加速度响应的强烈区域从倒拱中部移向拱脚。这些研究结果将为类似工程项目提供有益参考。
引言 高速列车通过软岩隧道时，会引发一系列振动效应（Liu等人，2023；Liu等人，2024；He等人，2025；Yang等人，2026），其中隧道基础的振动响应是一个主要问题。同时，从轨道传递到隧道衬砌和周围岩石的振动载荷会导致结构扰动。特别是对于泥岩高速铁路隧道，由于泥岩的机械参数较低，在循环动态载荷作用下容易发生破坏，从而影响衬砌结构-周围岩石系统的承载能力（Zhang等人，2018；Zhou等人，2022；Li等人，2025）。研究高速列车振动载荷下隧道的动态响应可为实际高速铁路隧道项目的安全设计提供参考（Liu等人，2017；Du等人，2021；Hu和Bian，2022；Sun等人，2023；Li等人，2024）。
来自多个国家的学者对列车载荷下隧道的动态响应进行了研究。一些学者（Huang等人，2020；Deng等人，2023；Tang等人，2023）基于“车辆-轨道-隧道-基础”模型分析了各子模型对隧道振动载荷的影响规律。主要影响因素包括结构的固有特性和载荷特征（Yang等人，2018；Zhang等人，2018；Wang等人，2020；Guo等人，2022）等。Tian等人（2020）提出了一个四阶三角函数经验公式，用于描述衬砌拱环的横向和垂直振动加速度传递。Han（2022）分析了基础结构的动态响应模式，并得出深埋隧道的基础结构承受的主应力值远大于浅埋隧道。此外，增加倒拱的厚度可以有效控制隧道基础的垂直位移和应力。Yang等人（2020）提出了一种方法，用于划定隧道交叉口的影响区域，以评估衬砌结构是否受到列车载荷的损坏及其损坏程度。Zhang等人（2023）揭示了列车速度对岩石隧道动态响应的影响规律，并建立了响应参数与速度之间的定量关系。上述研究结果均关注列车、轨道、衬砌结构和基础之间的相互作用。然而，这些研究未充分考虑周围岩石对这四个要素的影响。对于特殊地质条件，周围岩石对这些方面的影响不容忽视。关于特殊地质条件下隧道的动态响应特性，学者们也取得了一些有针对性的成果（Zhou等人，2022；Zou等人，2023）。Du等人（2020）揭示了列车振动载荷和周围岩石静载荷共同作用下隧道倒拱向上隆起的演变机制以及列车动态载荷的放大效应。Wang等人（2020）研究了地铁列车载荷下细粒砂土中隧道的动态响应特性和长期累积变形模式。Weng等人（2025）研究了黄土淤积和列车振动载荷共同作用下隧道及周围土壤的动态响应特性。Zhou等人（2018）改进了饱和软土隧道的动态应力分析模型，考虑了垂直和水平移动载荷的耦合效应，以量化土壤渗透性和载荷参数的动态影响规律。Liu等人（2022）揭示了在重型铁路隧道周围岩石压力和列车载荷共同作用下单层隧道底部结构和基岩的动态响应规律，量化了轴载荷的影响，并明确指出轨道下方和侧沟下部是隧道的脆弱部位。
总之，研究人员已取得了一些关于高速列车振动载荷对隧道结构影响的研究成果（Huang等人，2017；Wang等人，2022）。也有研究针对列车载荷下特殊地层（如膨胀岩、细砂、黄土和硬岩）中隧道的振动响应进行了探讨。然而，关于泥岩层中高速铁路隧道的动态响应研究仍然相对较少，尽管已经广泛研究了弱岩（包括泥岩、软土、砂岩、玄武岩等）中隧道的静态力学特性（Lai等人，2024；Li等人，2026；Zhao等人，2025；Zhuo等人，2025；Tan等人，2021）。由于工程地质条件的差异，现有研究成果在为泥岩层中隧道提供参考方面存在一定局限性。因此，研究泥岩层中隧道衬砌在列车振动载荷下的振动响应具有重要意义。本文以泥岩隧道为例，探讨了高速列车载荷作用下泥岩隧道的振动响应特性，考虑了不同的驱动模式、隧道埋深和运行速度，并提出了相应的工程建议，旨在为类似项目提供重要参考。
项目概述 本研究基于钱奇隧道，这是一条双线高速铁路隧道，位于中国内蒙古自治区，总长度为4,269米。本文的研究范围为DK35+190至DK36+694段。地质纵断面图如图1所示。该隧道段采用Ⅴp2 型复合衬砌。隧道横截面尺寸如图2所示，隧道衬砌参数详见
岩石样本制备 获取隧道现场区域泥岩的动态弹性模量、阻尼比和阻尼系数是研究高速列车载荷下泥岩隧道振动响应的基础工作。在隧道研究范围内采集了原始岩石样本（如图3所示），并按照国际岩石力学学会（ISRM）的标准和规范对样本进行了处理。
车辆引起的动态响应分析 车辆引起的动态响应分析的核心在于建立运动平衡方程。基于Hamilton理论（He等人，2016），车辆-道路结构在外部载荷作用下的振动方程如下：
