重載鐵路對隧道結構及基底條件影響研究

林森斌

0 引言

我國飛速發展的經濟對鐵路貨運提出了更高的要求。近幾年我國用煤量大幅增長，預計2020年需求總量將達到32億t。因此，大軸重重載運輸技術必然成為我國重載鐵路發展的主要方向之一，深入、系統地研究大軸重重載運輸關鍵技術，對于滿足我國日益增長的運輸需求，建立有效的重載運輸技術體系和標準具有重要意義。

目前，國內外對重載鐵路線路結構的研究主要集中在軌道、路基和橋梁上，而關于重載對隧道影響的研究較少。我國既有重載鐵路隧道，在修建時其標準高于普通鐵路，但與國外相比仍然較低，在運營過程中，許多隧道底部出現鋪底開裂、破損、下陷，向兩側外擠，以及翻漿、冒泥等現象。軸重增大、運量提高后，這種現象將更為明顯。

周猛[1]對鐵路路基翻漿冒泥機理進行總結和評述，分析列車動荷載對路基翻漿冒泥現象的影響，并提出路基加固的措施。王立軍[2]對我國現有重載路基存在的問題進行了分析，并針對重載路基病害，例如翻漿冒泥、路基下沉和路肩沖刷等提出相應的整治對策。

本文采用三維模擬方法，研究不同軸重條件下，重載列車動荷載作用，給出重載隧道合理的結構形式。研究列車動荷載對隧底基巖土動力學效應，為大軸重或重載鐵路隧道專業的技術參數的制定提供技術支撐。

1 計算模型

1.1 工程背景

山西中南部鐵路通道工程線路全長1214.096 km，其中含橋梁工程256.2 km，隧道工程358.1 km以及路基工程599.8 km，橋隧比例達到50.6%。

該條鐵路為國家Ⅰ級鐵路，設計軸重30 t，沿線隧道底層多為新黃土。

1.2 模型概述

研究取標準斷面為雙線隧道黃土Ⅴ級復合式襯砌，為有砟軌道。結構所采用建筑材料為噴射混凝土:C25混凝土;拱部、邊墻、仰拱:C35鋼筋混凝土;仰拱填充:C20混凝土。結構覆土45 m，周圍為均質Q3砂質黃土地層。

模型計算采用MIDAS-GTS2.6有限元計算軟件，邊界約束條件為位移約束，土層采用摩爾—庫侖準則，其余采用彈性準則進行計算。簡化列車荷載采用通用活載模式。模型研究雙線隧道單側通過重載列車時，隧道結構、基底動應力變化情況。

1.3 計算參數

材料基本參數如表1所示。

表1 模型材料參數表

模型分別計算通用 27 t、專用27 t，30 t，33 t軸重列車，雙線隧道單線過車工況，列車設計時速100 km/h，取動力系數3.0。

2 計算結果及分析

2.1 重載鐵路對隧道結構形式影響

1)仰拱設置標準。

重載列車對隧道影響的關鍵部位是仰拱及基底圍巖。TB 10003-2005鐵路隧道設計規范規定，單線Ⅲ級以上、雙線Ⅲ級及以上地段均應設置仰拱;單線Ⅲ級、雙線Ⅱ級及以下地段是否設置仰拱應根據巖性、地下水情況確定;不設仰拱的地段應設底板，底板厚度不得小于25 cm，并應設置鋼筋。

對于重載隧道，列車活載及隧底沖擊力較大，單純的鋪底結構無法控制病害的發生。因此，建議重載鐵路隧道取消單純的鋪底結構，在Ⅲ級及以上圍巖設仰拱，且仰拱的矢跨比和厚度等參數應不低于客運專線隧道標準;Ⅲ級以下圍巖應設鋼筋混凝土底板。重載隧道底板或仰拱的設計值，需要結合具體圍巖條件綜合計算、分析。

2)仰拱與邊墻連接方式。

受大軸重疲勞荷載作用影響，仰拱與邊墻連接處是結構薄弱環節之一。目前規范對此并無明確規定。根據既有經驗，建議重載隧道該部位應采用圓弧順接以改善襯砌內力，并對該部位設置加強配筋。

3)仰拱填充。

顯然，較大的仰拱填充厚度能夠在一定程度上保護二次襯砌結構，但工程投資和施工難度也隨之增大;反之，仰拱填充厚度越小越節省投資，并且可以加快施工進度。

仰拱填充的受力狀況較為復雜，在頂部受列車荷載壓力及沖擊力作用，底部受仰拱的限制，在底部中間受到仰拱壓應力，而在底部兩端、仰拱外側受拉，影響仰拱填充與仰拱之間的連接。

圖1顯示列車動荷載對仰拱填充的影響較為復雜，在填充表面壓應力增加，但在接近仰拱處，體現為壓應力降低。

對于重載隧道，仰拱填充應當不小于既有隧道規范標準，且綜合其施工、經濟等方面因素適當增大，具體取值應結合圍巖級別通過動力計算確定。

圖1 仰拱填充動應力圖

4)仰拱矢跨比參數分析。

仰拱作為隧道主體結構最重要的組成部分之一，用于改善隧道上部結構受力條件而設置，它一方面將隧道上部地層壓力通過隧道邊墻結構傳遞到地下，另一方面有效地抵抗隧道下部傳來的地層反力。仰拱的受力狀態比較復雜，若設計不當容易出現隧道結構失穩、開裂、過度沉降等病害，在重載隧道中，仰拱開裂導致翻漿冒泥的案例不在少數。

合理的仰拱形式能夠在一定程度上降低對基礎承載力的要求，減少結構下沉，調整襯砌應力，提高結構的整體安全性與穩定性。矢跨比作為仰拱形式重要參數之一，直接決定著仰拱所能發揮的作用。

由表2可以看出，仰拱矢跨比越大(1/8)，仰拱結構內力能得到更好的改善，在一定程度上可以降低對結構厚度、配筋的要求，提高結構的穩定性與安全性。另一方面，大的矢跨比，導致結構沉降量較大，且對地基承載力的要求也相應提高。且大的矢跨比，對應較厚的仰拱填充，會在一定程度提高工程的造價。

反之，對于小矢跨比(1/12)，由于結構底部較為平緩，隧道對基底的壓力也較小，但結構的內力也相應增大，提高了對結構尺寸和強度的要求。

表2 不同矢跨比計算結果比較

因此，在隧道設計過程中，當基底具有較好的力學性能，可以適當采用較大的矢跨比;而對于較差的基礎，則可以適當減小矢跨比，通過加大襯砌的尺寸和強度，在一定程度上彌補地基承載力的不足。建議隧道矢跨比取值為1/10～1/12為宜。

2.2 重載鐵路對隧底基巖土動力學效應

關于深埋隧道地基破壞形式尚無深入的研究，且目前并未出現深埋隧道地基破壞的案例，在實際工程中，通常通過對隧底土體加固等措施，來滿足結構沉降控制要求。

圖2 隧底地層豎向位移

1)基底土體沉降。圖2為列車通過時，隧道底地層附加沉降量，專用30 t列車通過時結構最大附加沉降量為2.1 mm，影響值在允許范圍之內。

2)基底應力及附加應力。附加應力為基底處地基由于外荷載的介入而增加的應力，只有基底附加應力才能引起地基的附加應力和變形。

表3 土體豎向附加應力標準值 kPa

圖3 地基土動應力

表3及圖3顯示，在專用30 t列車荷載作用下，地基土體豎向附加應力有明顯增加，增加值約20 kPa。在垂直方向，地基土體動應力影響深度較大，對于新黃土，需要根據土體強度、變形模量、含水量、密實度、荷載作用頻率等因素，確定臨界動應力，進一步確定重載列車動應力對地基土體影響，確定地基處理措施。

3 結語

對于重載鐵路隧道結構，動應力的影響較大，且覆蓋層具有較大的剛度，對沖擊荷載的緩沖能力較差，在列車動載及水的共同作用下，隧道鋪底結構的受力狀態有所改變，其局部彎矩和剪力將大增，并最終導致隧底結構關鍵截面的開裂破壞。

對于重載隧道，特別是深埋隧道，在重載條件下基底巖土的動力學效應對隧道底部結構受力狀態影響顯著。軟弱圍巖(尤其是土質圍巖)，在列車動載作用下，其物理力學性質將發生變化，加之排水不暢，巖土的物性指標和承載力將明顯降低，這是引起隧道基底結構開裂、下沉以及翻漿冒泥的主要原因。

研究得出，對于重載鐵路隧道結構，有以下幾點建議:

1)重載隧道均應設置仰拱，仰拱厚度及配筋需根據實際計算確定。仰拱與側墻宜用圓弧順接，矢跨比取1/10～1/12為宜。

2)在現有規范標準的基礎上，適當加大仰拱填充厚度，以減小列車動荷載對結構及基底的破壞。

3)對于重載隧道基底，宜作加固處理，地基承載力需要在現有隧道標準的基礎上適當提高，具體提高值需要根據實際工程情況計算而定。

4)由于新黃土地層的特殊性質，為防止地基翻漿冒泥及地層濕陷，建議作加固處理，提高基底強度，降低地層透水性，確保隧道安全使用。

本文結合實際工程，通過三維有限元模擬，對重載鐵路隧道仰拱及地基的設計參數進行分析比較，并得出一定的結論與建議。但是，對于長期大軸重列車振動作用下隧道仰拱和基底圍巖的力學響應，以及不良地質段基底的液化、下沉規律，尚需要進行大量的理論分析和現場測試。

[1]周 猛.動荷載作用下鐵路路基翻漿冒泥探討[J].安徽建筑，2008(93):27-28.

[2]王立軍.重載鐵路路基病害及對策[J].鐵道建筑，2005(7):31-33.

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