重載鐵路隧道基底結構的動壓力響應

李自強，王明年，于　麗，李　博

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都　610031；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031)

重載鐵路因其運量大、速度快、能耗小、成本低等優勢，已成為世界各國運輸大宗貨物的最佳選擇[1-4]，也是我國鐵路發展的方向。重載鐵路隧道是重載鐵路的重要建筑結構，因為重載鐵路具有車輛軸重大、列車總重大、行車密度和運量均特大的特點，與普通鐵路隧道相比，重載鐵路隧道結構若設計、施工不當，更易發生嚴重的結構病害，特別是底部結構病害問題，且維修養護更為困難，因此，很有必要開展重載鐵路隧道基底結構在重載列車動荷載作用下的動力響應研究。目前，國內針對重載鐵路隧道基底結構的力學性能進行了一定研究，薛繼連[5]研究了在30 t軸重條件下重載鐵路隧道隧底密實度對其結構自身的影響，并提出采取聚氨酯樹脂加固隧底以減小振動的加固措施；尹成斐等[6]通過實測，研究了雙線鐵路隧道填充層表面在重載列車作用下的動力響應，同時通過有限元軟件模擬其他部位結構所受的影響；李幸吉[7]研究了不同軸重下基底結構動壓力的變化規律，通過試驗分析了仰拱的抗沖擊性能；婁會彬[8]對重載鐵路隧道無砟軌道結構的動靜力學性能進行分析，建立了相應的有限元分析模型。但是，這些研究多基于有限元模擬分析，存在缺少現場數據佐證或有現場實測數據但測點有限等問題。

鑒于重載鐵路隧道實際情況復雜，針對其基底結構各部位動壓力分布及傳遞規律的相關研究較為缺乏。本文根據晉中南線重載鐵路太行山隧道隧底結構動壓力響應的有限元模擬結果及實測數據，研究分析重載鐵路隧道底部結構的動壓力響應規律。

1　工程概況

太行山隧道位于山西省與河南省交界處，起于山西省長治市平順縣石城鎮克昌村，止于河南省安陽市林縣姚村鎮墳頭村。隧道采用雙洞單線方案，線間距30 m。左線隧道全長18.125 km(DK578+875—DK597+000)，右線隧道全長18.108 km(DYK578+865—DYK596+973)。隧道采用無砟道床型式，在進、出口段設置有曲線，其余地段均為直線。該隧道所在地段均為Ⅲ級圍巖，采用雙層襯砌，襯砌斷面如圖1所示。

圖1　襯砌斷面圖(單位：cm)

2　有限元模擬分析

采用FLAC3D軟件對重載列車動荷載作用下的隧道進行三維有限元模擬分析，以初步確定隧道基底結構各部位的動壓力變化情況，從而指導現場的動壓力監測。

2.1　模型的建立

1)有限元模型及監測點位置

模型左右邊界至隧道外側面的距離各取3倍洞徑，則模型橫向長度約為44 m；模型上下邊界至隧道頂面和基底均取3倍洞高，則模型高度約為63 m；模型的縱向長度取2個重載列車車輛的長度，則取16 m；由此建立的模型尺寸為44 m×63 m×16 m。隧道埋深980 m，通過等效重力場實現模擬。各層之間采用接觸單元進行模擬。因為隧道尺寸和荷載布置均相對于線路中心線左右對稱，因此監測點僅設置在隧道左側。在道床下表面布置測點1和2；仰拱上表面布置測點3，4，5；圍巖表面布置測點6，7，8，9。建立的有限元模型及監測點具體位置如圖2所示。

圖2　有限元模型及監測點位置示意圖

2)模型參數

按照TB10003—2005《鐵路隧道設計規范》[9]，并結合太行山隧道設計資料，圍巖及支護等結構的物理力學指標見表1。

表1　結構的主要物理力學參數

3)重載列車動荷載

根據國內外研究現狀，選擇常用的激振力函數模擬重載列車動荷載。激振力函數包括靜荷載和由一系列正弦函數疊迭加而成的動荷載[10-11]，即

Ft=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t

(1)

其中，

ωi=2πv/Lii=1，2，3

式中：A0為輪對的靜荷載；A1，A2，A3分別為與鋼軌振動圓頻率ω1，ω2，ω3對應的振動荷載幅值；m為列車的簧下質量，取列車輪對質量，即m=2.8 t，αi為對應于軌道幾何不平順管理值3種條件的典型矢高；v為列車運行速度；Li為軌道幾何不平順波長管理值。

取列車的軸重為27 t，運行速度為80 km·h-1，根據式(1)可以得到模擬重載列車動荷載的人工激振力，如圖3所示，該人工激振力施加在道床表面左、右軌道處。

圖3　模擬重載列車動荷載的人工激振力

2.2　有限元計算結果

1)道床下表面

道床下表面1號和2號監測點動壓力時程曲線如圖4所示。由圖4可知：左軌處(1號監測點)和線路中心線處(2號監測點)道床下表面的動壓力幅值分別為17.7和26.6 kPa，平均值分別為10.1和17.1 kPa，說明線路中心線處動壓力變化較左軌處的更為劇烈。由此可見，線路中心線處道床下表面的動壓力受到左右兩側軌道處的疊加影響，其幅值和平均值均比左右軌處的要大。

圖4　1號和2號監測點的動壓力時程曲線

2)仰拱上表面

仰拱上表面3，4，5號監測點動壓力時程曲線如圖5所示。由圖5可知：左軌處(4號監測點)的變化最劇烈，仰拱上表面動壓力的幅值達到14.3 kPa，平均值為7.1 kPa；線路中心處(5號測點)反應的相對平緩，動壓力的幅值為9.9 kPa，平均值為6.1 kPa；左側溝底部(3號監測點)的反應最弱，動壓力的幅值為11.4 kPa，平均值為6.4 kPa。由此可見，重載列車動荷載經過仰拱填充層的緩沖，仰拱上表面動壓力的幅值和平均值均出現不同程度的下降，其中，左軌處的最大，側溝處的次之，線路中心處的最小(說明該處的動壓力衰減得最快。

圖5　3，4，5號監測點的動壓力時程曲線

3)圍巖表面

圍巖表面6，7，8，9號監測點的動壓力時程曲線如圖6所示。由圖6可知：左軌處(8號測點)受到的影響最大，變化最劇烈，圍巖表面動壓力的幅值達到10.8 kPa，平均值達到6.1 kPa；左側溝底部(7號測點)受到的影響次之，動壓力的幅值為8.9 kPa，平均值為5.1 kPa；拱腳處(6號測點)受到的影響最小，動壓力的幅值為6.9 kPa，平均值為4.0 kPa；拱底處(9號測點)動壓力的幅值為7.0 kPa，平均值為5.0 kPa。

圖6　6，7，8，9號監測點的動壓力時程曲線

4)基底結構動壓力綜合分析

由有限元模擬結果可知：道床對重載列車動荷載的響應最劇烈，其中線路中心線處動壓力的幅值和均值均比左右軌處大；隨著豎向深度的增加，各處的動壓力均出現不同程度的衰減，其中線路中心處動壓力衰減程度最大，動壓力幅值由仰拱表面的26.6 kPa減少至圍巖表面的7.0 kPa；左軌處的動壓力衰減程度最低，動壓力幅值由仰拱表面的17.1 kPa減少至圍巖表面的10.8 kPa；并且，在圍巖表面各處的動壓力變化相對平緩，動壓力的幅值和平均值分布也較為均勻。

3　動壓力現場監測及其與有限元模擬結果的對比

3.1　監測方案

為了測試重載列車動荷載作用下重載鐵路隧道基底結構動壓力的實際傳播規律及各部位的實時動壓力，選用光纖光柵土壓力計，在無砟道床的上下表面、仰拱上表面和圍巖表面均設置測點，測點的具體埋設位置如圖7所示。

圖7　基底結構傳感器布設示意圖

圖7中，DT-1—DT-3為道床上表面的動壓力測點，其傳感器量程選擇10 MPa；DT-3—DT-6為道床與仰拱填充層接觸面上的土壓力測點，其傳感器量程選擇5 MPa；GT-1—GT-5為仰拱填充層與仰拱接觸面上的土壓力測點，其傳感器量程選擇2 MPa；WT-1—WT-7為仰拱與圍巖接觸面上的土壓力測點，其傳感器量程選用2 MPa；采集頻率均為100 Hz，采樣間隔時間均為0.01 s。

3.2　動壓力現場監測結果

因隧道結構和測點均對稱分布，故部分圖僅列出隧道左側的動壓力時程曲線。

3.2.1道床動壓力

現場實測道床上、下表面動壓力時程曲線如圖8所示。由圖8可知：在重載列車動荷載作用下，道床上表面的動壓力變化較下層的更為劇烈；同時，線路中心處的道床動壓力變化比左右軌處更為明顯，表明線路中心處道床受重載列車動荷載的影響更大。

圖8　實測不同位置處道床上、下表面的動壓力時程曲線

現場實測的和有限元模擬的不同位置處道床的動壓力見表2。由表2可知：道床動壓力的實測值與有限元模擬值基本相同；道床上表面的動壓力始終大于下表面的；線路中心處道床的動壓力較左右軌處的更大，且衰減的最為明顯，最大動壓力由上表面的81.5 kPa衰減到下表面的26.7 kPa，左軌處道床的最大動壓力由上表面的50.7 kPa衰減到下表面的17.6 kPa，右軌處道床的最大動壓力由上表面的49.8 kPa衰減到下表面的18.4 kPa；左、右軌處道床的動壓力基本呈對稱分布。

表2　不同位置處道床的動壓力

3.2.2仰拱上表面的動壓力

現場實測不同位置處仰拱上表面的動壓力時程曲線如圖9所示。由圖9可知：左側溝底部處仰拱上表面的動壓力變化劇烈，表明該位置受到的影響最大；同時這種影響沿橫向向線路中心線處衰減。

圖9　實測不同位置處仰拱上表面的動壓力時程曲線

現場實測的和有限元模擬的不同位置處仰拱上表面的動壓力見表3。由表3可知：線路中心線處和左右軌處仰拱上表面動壓力的實測值要略小于有限元模擬結果，表明動壓力在仰拱填充層的實際衰減程度要大于理論分析結果；而左側溝底部處仰拱上表面實測動壓力的幅值和平均值均大于有限元模擬結果，表明該位置實際受到重載列車動荷載的影響更大，容易發生破壞。造成該現象的原因主要有2種：①隧道所處地質條件較為復雜，仰拱與圍巖之間存在積水，重載列車動荷載使滲壓力發生變化，從而對動土壓力造成影響；②隧道仰拱實際情況與現場施工質量密不可分，因此與有限元理想狀態下的模擬結果存在差異。

表3　不同位置處仰拱上表面的動壓力

實測的左、右側溝底部處仰拱上表面動壓力的幅值最大，分別為21.4和18.5 kPa，線路中心處的動壓力幅值最小，為8.2 kPa；動壓力分布表現為沿橫向由兩側向線路中心處遞減，左、右軌處基本呈對稱分布。

3.2.3圍巖表面的動壓力

實測不同位置處圍巖表面的動壓力時程曲線如圖10所示。由圖10知：圍巖表面上動壓力的影響主要集中在軌道處和線路中心處，拱腳處的動壓力變化相對平緩。

圖10　實測不同位置處圍巖表面的動壓力時程曲線

現場實測和有限元模擬的不同位置處圍巖表面的動壓力見表4。

表4　不同位置處圍巖表面的動壓力

由表4可知：圍巖表面的實測動壓力幅值大于有限元模擬結果，而平均值與數值模擬較為接近；圍巖表面的實測動壓力幅值分布表現為沿橫向由兩側向線路中心處遞增，其中，線路中心處動壓力幅值最大，為13.9 kPa，左右軌處的次之，分別為12.0和11.8 kPa；實測動壓力平均值分布表現為軌道處最大，線路中心處和側溝底部次之，拱腳處最小；這種分布規律與仰拱上表面的分布規律相反。由此說明，線路中心處圍巖表面的動壓力變化更為劇烈，從而極易造成該處隧道結構出現病害。

3.2.4現場實測各位置處動壓力豎向傳遞規律

現場實測各位置處動壓力幅值和平均值的豎向分布如圖11所示。由圖11可以得出：各位置處動壓力的幅值和平均值均隨著豎向深度的增加而逐漸減?。粍訅毫ωQ向向下傳遞過程可分為2個階段。第1階段為快速衰減階段，位于道床與仰拱填充層內，在該階段，線路中心處動壓力的幅值和平均值較左右軌衰減程度更大；第2階段為緩慢衰減階段，位于仰拱結構內，在該階段，左右側溝底仰拱上表面動壓力的幅值和平均值衰減程度相對較大，而線路中心線處和左右軌處衰減的程度較小，并且線路中心處動壓力幅值的出現一定程度的反向增長，而平均值仍隨深度的增加而衰減，同時，仰拱上表面動壓力幅值橫向分布規律與圍巖上表面的相反，因此容易引發仰拱出現病害。

圖11　現場實測各位置處動壓力的豎向分布規律

4　結　論

(1)道床動壓力的模擬值與實測值基本相同；左右軌處動壓力基本呈對稱分布，其中線路中心線處動壓力變化較左右軌更為劇烈，且衰減最為明顯。表明線路中心處道床受重載列車動荷載的影響更大。

(2)仰拱上表面線路中心線處和左右軌處的動壓力實測值略小于有限元模擬結果，表明該位置的重載列車動荷載在仰拱填充層內的實際豎向衰減程度要大于理論分析；而左右側溝底部處仰拱上表面實測動壓力的幅值和平均值均大于有限元模擬結果，表明該位置實際受到重載列車動荷載的影響更大，容易造成仰拱大變形從而發生道床損壞和側溝外擠等病害。

(3)圍巖表面的實測動壓力幅值大于有限元模擬結果；線路中心處動壓力最大，左右軌道處次之，拱腳最小；這種橫向分布規律與仰拱上表面相反。由此說明，拱底長期受到重載列車動荷載的反復循環作用，極易形成裂縫從而出現病害。

(4)隧道基底結構動壓力的豎向傳遞過程主要分為2個階段：第1階段，為快速衰減階段，位于道床與仰拱填充層內，在該階段，線路中心處動壓力的幅值和平均值較左右軌衰減程度更大；第2階段，為緩慢衰減階段，位于仰拱結構內，在該階段，線路中心處壓力幅值出現一定程度的反向增長，而平均值仍隨深度的增加而衰減。

(5)因篇幅有限，本文結論僅針對Ⅲ級圍巖單線隧道，能否適用于其他圍巖級別，將在以后研究補充。

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