列車撞擊荷載對(duì)盾構(gòu)隧道管片及其接頭螺栓的影響

鄧志鑫，晏啟祥，徐亞軍，張偉列

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

列車撞擊荷載對(duì)盾構(gòu)隧道管片及其接頭螺栓的影響

鄧志鑫，晏啟祥，徐亞軍，張偉列

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

建立盾構(gòu)隧道三維數(shù)值模型，采用連接單元和接觸面單元共同模擬管片接頭力學(xué)效應(yīng)，研究了不同時(shí)速列車撞擊荷載作用下被撞管片塊周邊接頭螺栓拉力、剪力的時(shí)程變化及失效情況，同時(shí)對(duì)比分析了不同撞擊速度下管片位移響應(yīng)。結(jié)果表明:在列車撞擊荷載作用下被撞管片塊周邊螺栓大多發(fā)生剪切失效；不同撞擊速度下相同部位螺栓的失效類型一致；隨著撞擊速度的提高，被撞管片塊周邊螺栓失效時(shí)間均有所提前，管片最終位移極大值有所增大，而撞擊中心點(diǎn)位移始終呈階梯形增長(zhǎng)。

盾構(gòu)隧道；高速列車；撞擊；螺栓失效

隨著我國(guó)高速鐵路技術(shù)的逐步成熟和完善，鐵路運(yùn)營(yíng)速度大大提高。而列車運(yùn)行速度的提高方便了人們出行的同時(shí)也增加了其脫軌的可能性。雖然列車脫軌尚屬于小概率事件，但一旦發(fā)生，不僅會(huì)對(duì)列車和車內(nèi)人員安全構(gòu)成威脅，還將嚴(yán)重破壞鐵路基礎(chǔ)設(shè)施。若脫軌撞擊發(fā)生在盾構(gòu)隧道中，隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性將大大降低。而在不同速度的列車撞擊下，可能引發(fā)接頭螺栓發(fā)生不同程度的損傷失效，并導(dǎo)致管片產(chǎn)生不同大小的位移，嚴(yán)重的將引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。因此，開展不同時(shí)速列車撞擊下接頭螺栓失效及管片位移的研究具有重要意義。

在列車撞擊研究方面，韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院對(duì)國(guó)內(nèi)列車進(jìn)行了耐撞性分析，并采用撞擊試驗(yàn)對(duì)軟件分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證［1］。日本川崎重工在美國(guó)科羅拉多州進(jìn)行了單臺(tái)整部列車的撞擊試驗(yàn)［2］；謝卓君、羅玗琪等［3-4］基于動(dòng)力學(xué)理論，采用SIMPACK軟件建立了列車多體碰撞模型，并對(duì)列車走行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。夏超逸等［5］研究了撞擊作用下車-橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)高速列車安全性作出了評(píng)價(jià)。上述研究主要著眼于列車車體優(yōu)化和耐撞性能，并未考慮列車撞擊對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響。晏啟祥、李彬等［6-7］總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，開展了列車撞擊剛性墻的有限元數(shù)值分析，獲得了不同列車編組、撞擊速度和角度下撞擊荷載時(shí)程曲線，并據(jù)此探討了盾構(gòu)隧道二襯結(jié)構(gòu)的防撞效果，但對(duì)于撞擊引起的管片接頭螺栓失效和管片位移并未展開相關(guān)研究。

鑒于此，本文利用大型有限元軟件ABAQUS建立了盾構(gòu)隧道三維數(shù)值模型，通過設(shè)置接觸面單元和連接單元分別模擬接縫面混凝土的接觸效應(yīng)和接頭螺栓的連接效應(yīng)，對(duì)不同時(shí)速列車撞擊作用下管片接頭螺栓失效特性和管片位移情況進(jìn)行了分析，以期為管片接頭螺栓優(yōu)化和管片襯砌防撞設(shè)計(jì)提供參考。

1　管片襯砌接頭的數(shù)值模擬方法

為充分反映盾構(gòu)隧道管片接頭力學(xué)特性，本文利用接觸面單元中的“硬接觸（Hard Contact）”［8］和帶有摩擦參量的“罰函數(shù)（Penalty Function）”來反映接縫面混凝土擠壓和摩擦行為。而螺栓的連接效應(yīng)則通過可表征螺栓抗拉、抗剪、抗彎剛度的連接單元進(jìn)行模擬。

圖1　連接單元失效模式

為揭示撞擊過程中螺栓失效特性，本文采用連接單元中的“損傷-失效模式”［8］來反映螺栓失效時(shí)內(nèi)力的動(dòng)態(tài)變化。連接單元損傷失效模式包括漸進(jìn)損傷失效模式（O→I→M）和瞬時(shí)完全損傷失效模式（O→I→D）（見圖1）。由于列車撞擊是一個(gè)瞬間過程，本文采用瞬時(shí)完全損傷失效模式，即當(dāng)螺栓拉力或剪力中任意一個(gè)參量達(dá)到各自對(duì)應(yīng)的極限承載力時(shí)，螺栓立即失效。圖1中UI，UM分別為I點(diǎn)和M點(diǎn)的位移，F(xiàn)I為I點(diǎn)的力。

2　分析模型及計(jì)算參數(shù)

目標(biāo)隧道襯砌內(nèi)徑9.80 m，外徑10.80 m，管片厚度50 cm，幅寬2 m，管片采用C50鋼筋混凝土。每環(huán)管片由1塊封頂塊F、2塊鄰接塊L和5塊標(biāo)準(zhǔn)塊B通過M36型8.8級(jí)螺栓連接而成。整個(gè)隧道處于粉砂巖和砂巖地層當(dāng)中。管片和地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　管片與地層的物理力學(xué)參數(shù)

圖2為盾構(gòu)隧道有限元模型，模型長(zhǎng)、寬、高分別為80，80，60 m。模型中圍巖和管片均采用C3D8R單元。模型中的動(dòng)力邊界由無限元（CIN3D8）模擬［9］。圍巖采用M-C彈塑性本構(gòu)，管片襯砌采用混凝土彈塑性本構(gòu)。為了不因接觸關(guān)系太多而大幅降低計(jì)算效率，模型中只對(duì)撞擊目標(biāo)環(huán)及其前后兩環(huán)進(jìn)行了通縫拼裝式分塊模擬，其余管片環(huán)均通過弱化接頭位置混凝土彈性模量的方式近似模擬［10］。

圖2　盾構(gòu)隧道有限元模型

由于彎矩對(duì)螺栓失效的貢獻(xiàn)不大且機(jī)制非常復(fù)雜，因此本文只考慮了拉伸失效和剪切失效。M36型8.8級(jí)螺栓的物理和力學(xué)參數(shù)分別見表2和表3［11］。

表2　螺栓物理參數(shù)

表3　螺栓力學(xué)參數(shù)

目前列車撞擊荷載主要是通過數(shù)值模擬的方式獲得［7］。本文利用文獻(xiàn)［7］中列車速度200，250，300 km/h斜向12.5°撞擊剛性墻獲得的列車撞擊力時(shí)程曲線（圖3），并按實(shí)際撞擊位置和作用范圍以平均面力的近似形式施加在管片襯砌內(nèi)側(cè)。

圖3　列車撞擊力時(shí)程曲線

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1撞擊速度對(duì)接頭螺栓的影響

在列車撞擊作用下，被撞管片塊直接承受撞擊荷載。本文以與被撞管片塊相連的6顆螺栓為研究對(duì)象，6顆螺栓位置及編號(hào)見圖4。

圖4　被撞管片塊螺栓位置及編號(hào)

圖5、圖6分別為不同撞擊速度下各螺栓拉力和剪力時(shí)程曲線。由圖5、圖6可見，在3種撞擊速度下，與被撞管片塊相連的6顆螺栓均發(fā)生失效，但不同撞擊速度下各螺栓發(fā)生失效的時(shí)間和失效類型不完全一致。

表4中列出了3種速度下各螺栓失效狀況。可見：①撞擊作用下被撞管片塊周邊螺栓失效類型為拉伸失效和剪切失效，其中螺栓A均發(fā)生拉伸失效，螺栓B，C，D，E，F(xiàn)均發(fā)生剪切失效；②各部位螺栓發(fā)生失效的時(shí)間均隨列車撞擊速度的提高有所提前；③不同速度下螺栓失效次序一致，結(jié)合圖4可見，被撞管片塊周邊螺栓大致沿列車行進(jìn)方向相繼失效。

3.2撞擊速度對(duì)管片位移的影響

為揭示撞擊速度對(duì)管片的影響，提取不同撞擊速度下管片最終位移云圖（圖7）。由圖7可見：在3種速度下管片最終位移主要出現(xiàn)在被撞管片塊及其前方管片上。與管片環(huán)向相比，管片最終位移在縱向的分布范圍更廣。隨著撞擊速度的提高，管片最終位移極大值有所增大。其中，200，250，300 km/h管片最終位移極大值分別為6.206，7.462，8.542 cm，相對(duì)于200 km/h，250和300 km/h分別增大了20.24%和37.64%，增幅較大。

圖5　各螺栓拉力時(shí)程變化曲線

圖6　各螺栓剪力時(shí)程變化曲線

表4　3種速度下各螺栓失效狀況

圖7　不同撞擊速度作用下管片最終位移云圖（單位：m）

進(jìn)一步提取不同撞擊速度下撞擊中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線（圖8）。可見：在3種撞擊速度下撞擊中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線均大致呈階梯形增長(zhǎng)，在撞擊開始后5 ms左右出現(xiàn)第1個(gè)平臺(tái)，撞擊末期出現(xiàn)第2個(gè)平臺(tái)；撞擊中心點(diǎn)各時(shí)刻位移值均隨著撞擊速度的提高有所增大，撞擊速度為300 km/h時(shí)位移值最大，250 km/h次之，200 km/h最小。

圖8　不同撞擊速度下撞擊中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線

4　結(jié)論

本文通過在盾構(gòu)隧道管片內(nèi)側(cè)施加3種時(shí)速列車所對(duì)應(yīng)的撞擊荷載，研究了被撞管片塊周邊螺栓失效以及管片位移情況，得出以下結(jié)論：

1）在列車撞擊荷載作用下被撞管片塊周邊螺栓大多發(fā)生剪切失效。螺栓失效大致是沿著列車行進(jìn)方向相繼進(jìn)行的。

2）不同撞擊荷載作用下相同部位螺栓的失效類型一致。但螺栓失效時(shí)間隨撞擊速度的提高有所提前。

3）隨著撞擊速度的提高，管片最終位移極大值和撞擊中心點(diǎn)各時(shí)刻的位移值均有所增大。而在不同撞擊速度下，撞擊中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線形態(tài)大致相似，并且均大致呈階梯形增長(zhǎng)。

［1］KOO J S，KWON T S，CHO H J.韓國(guó)高速鐵路防撞設(shè)計(jì)與評(píng)估［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，25（1）：1-7.

［2］田口真.鉄道車両における耐衝突性構(gòu)造の開発［J］.川崎重工技報(bào)，2002（4）：14-17.

［3］謝卓君.地鐵列車多體碰撞的動(dòng)態(tài)仿真方法及應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

［4］羅玗琪，許平，謝卓君.磁浮列車走行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.城市軌道交通研究，2011（11）：86-92.

［5］夏超逸，張楠，夏禾.汽車撞擊作用下車橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及高速列車運(yùn)行安全分析［J］.工程力學(xué)，2013，30（8）：119-127.

［6］YAN Q X，LI B，GENG P，et al，Dynamic Response of a Doublelined Shield Tunnel to Train Impact Loads［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2016，53：33-45.

［7］晏啟祥，李彬，張蒙，等.200 km·h-1列車脫軌撞擊作用下盾構(gòu)隧道二次襯砌對(duì)管片襯砌的防護(hù)效果［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，35（6）：70-78.

［8］莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［9］艾輝軍，彭立敏，施成華.基于三維非連續(xù)接觸模型的管片接頭靜動(dòng)力特性分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（11）：2023-2029.

［10］劉印，張冬梅，黃宏偉.盾構(gòu)隧道局部長(zhǎng)期滲水對(duì)隧道變形及地表沉降的影響分析［J］.巖土力學(xué)，2013，34（1）：290-298.

［11］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017—2014鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

（責(zé)任審編葛全紅）

Effect of Train Impact Load on Lining Segments and Joint Bolts of Shield Tunnel

DENG Zhixin，YAN Qixiang，XU Yajun，ZHANG Weilie
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

A three-dimensional numerical model of shield tunnel was established，the connector element and interface element were adopted to simulate the mechanical effects of segment joint，the time history curves of joint bolt tensile force and shear force around the impacted segment zone under the train impact load with different speed and its failure conditions were studied，and the segment displacement response with different impact speed was comparatively analyzed.T he results show that there are most shear failure of bolt around the impacted segment zone under the train impact load，the failure types of bolt in the same parts at different impact speed are consistent，the bolt failure times around the impacted segment zone are all in advance，the maximum of segment ultimate displacement increases，but the displacement of impact center always shows a step growth with the impact speed improvement.

Shield tunnel；High speed train；Impact；Bolt failure

U451+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.13

1003-1995（2016）10-0046-04

2016-05-10；

2016-08-25

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G004-H）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51278425，51178400）

鄧志鑫（1992—），男，碩士研究生。