25 t軸重荷載作用下隧底脫空區(qū)域受力特性分析

李又云,孫永梅,折惠東,2

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安 710064； 2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司,蘭州 730000)

引言

隨著列車運行速度及軸重的不斷提高，隧道隧底病害逐漸劣化。鐵路隧道隧底病害主要表現(xiàn)為鋪底混凝土局部開裂，底部翻漿冒泥。尤其鋪底混凝土在經(jīng)過長期的列車荷載作用，加之由于施工原因本就存在的縫隙或脫空區(qū)，混凝土易發(fā)生疲勞破壞，脫空區(qū)越來越大，裂縫不斷拓展，最終導致鋪底混凝土頂面開裂，如圖1所示。

圖1 隧底結(jié)構(gòu)病害

鑒于此，國內(nèi)外非常重視隧底結(jié)構(gòu)問題，在隧底結(jié)構(gòu)病害整治、數(shù)值分析和試驗研究工作方面取得了一系列成果[1-4]。對隧底病害研究方面，牛亞彬[5]從工程實踐的角度出發(fā)，對鐵路隧道的各種病害現(xiàn)象進行了總結(jié)和歸類，并對鐵路隧道內(nèi)襯砌開裂漏水和基底脫空、翻漿冒泥提出了治理方法。董風榮[6]總結(jié)了鐵路隧道基底部分不同的病害機理，并發(fā)明了秘井暗管技術(shù)。在數(shù)值模擬方面，Jones[7]模擬了隧道斷面為圓形和矩形兩種情況的數(shù)值模型，分析了列車運行時隧道結(jié)構(gòu)的動力響應。李德武等[8]采用有限元法分析了隧道及周圍環(huán)境在列車振動下的響應，并具體研究了仰拱對列車振動的響應。鄒文浩、吳秋軍等[9-10]研究了列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的應力分布和動力響應，并針對由仰拱不同施工水平形成的3種主要基底結(jié)構(gòu)形態(tài)進行對比分析。在實驗方面，施成華[11]針對不同結(jié)構(gòu)形式的隧道基底建立預測模型，得到各類型的預測壽命。高峰[12]建立地鐵雙層隧道的模型，分析了上行、下行和上下交會3種動載工況對隧道結(jié)構(gòu)的影響。薛富春[13]針對隧道不同的底部結(jié)構(gòu)形式，開展了循環(huán)動載試驗研究工作。付兵先等[14]結(jié)合朔黃鐵路三家村隧道基底在重載列車作用下的現(xiàn)場測試，系統(tǒng)分析了不同圍巖區(qū)段基底填充層的動應力幅值。對隧底混凝土存在脫空現(xiàn)象的條件下隧道結(jié)構(gòu)受力性能的研究較少，僅有的研究工作也是針對隧底不密實對隧道結(jié)構(gòu)受力特性研究[15-16]，對于針對隧底脫空區(qū)域的受力特性專門報道研究尚未見到。

以Ⅳ級圍巖的典型鐵路隧道工程為依托，建立圍巖壓力與列車荷載作用下的隧底混凝土脫空區(qū)域的多種工況數(shù)值模型，研究了不同脫空區(qū)域位于不同位置時的受力特性，為今后鐵路隧道隧底病害整治提供理論依據(jù)。

1 隧底脫空區(qū)域模型建立

1.1 模型工況

我國鐵路隧道在施工時，存在隧底混凝土厚度達不到設(shè)計要求的現(xiàn)象。且參照襄渝線、包西線上等實際鐵路隧道的斷面情況，以Ⅳ級圍巖的隧道平底斷面為典型計算斷面，設(shè)計行車速度為140 km/h條件下的單線鐵路。

模擬時主要考慮圍巖壓力與列車荷載作用下的隧底脫空區(qū)域受力特性兩種情況，結(jié)合實際隧道雷達檢測與鉆探資料的隧底脫空范圍，模型中脫空區(qū)域厚度取10 cm，寬度取40 cm與80 cm進行對比。結(jié)合隧道跨度，脫空區(qū)距隧道中線橫向距離以80 cm為間隔，脫空區(qū)距隧道中線距離分別為0，80，160 cm。脫空區(qū)具體布置情況見圖2。

圖2 隧底脫空示意

1.2 計算模型及材料參數(shù)

采用有限元軟件ABAQUS建模，計算模型埋深取50 m。在確定計算范圍時，水平方向上左右兩側(cè)各取50 m，底部邊界取豎直方向上距離隧道中心50 m。數(shù)值模型中，采用六節(jié)點實體單元；其中，為直觀看出襯砌部分的應力，初期支護和二次襯砌也采用實體單元，隧道基底采用人工手段剖分單元網(wǎng)格[17-18]。

1.3 材料參數(shù)的確定

采用圍巖強度準則摩爾-庫倫強度準則[19-20]，將隧道支護結(jié)構(gòu)混凝土材料及隧道周邊圍巖簡化成均質(zhì)的、各向同性的彈性材料。具體數(shù)值分析計算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

1.4 荷載施加

模型的荷載施加主要考慮列車軸重、行車速度、軌道不平順等因素，在數(shù)值計算模型中列車動載的施加，可參照典型的激振力函數(shù)模擬

F(t)=k1k2(P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+

P3sin(ω3t))

(1)

式中，P0為列車軸重；Pi為典型振動荷載；ωi為振動圓頻率；ki為分散系數(shù)。對應的取值參見文獻[21]。

列車行車速度取140 km/h，軸重取25 t，則可得到列車動載作用的時程曲線如圖3所示。依據(jù)列車行駛時間模型動載施加時間取兩個周期。

圖3 列車軸重25 t動載時程曲線

2 圍巖壓力下脫空區(qū)域的受力特性

2.1 隧底無脫空時隧道結(jié)構(gòu)應力分布

隧底不存在脫空現(xiàn)象時，計算得到隧道結(jié)構(gòu)的豎向應力分布如圖4所示，該計算結(jié)果可作為分析脫空區(qū)受力特性的依據(jù)。

圖4 正常斷面隧底應力

2.2 脫空區(qū)域周圍的受力特性

為研究圍巖壓力下脫空區(qū)域周圍的受力特性，得到脫空寬度40，80 cm不同位置脫空區(qū)域受拉主應力云圖見圖5、圖6，受壓主應力云圖如圖7、圖8所示。

圖5 40 cm脫空區(qū)域周圍受拉主應力云圖

圖6 80 cm脫空區(qū)域周圍受拉主應力云圖

圖7 40 cm脫空區(qū)域周圍受壓主應力云圖

圖8 80 cm脫空區(qū)域周圍受壓主應力云圖

根據(jù)圖4和圖5～圖8對比分析可得，隧底脫空區(qū)的存在導致脫空區(qū)域及周圍單位應力重新分布，且其應力分布規(guī)律發(fā)生顯著變化。

由圖5和圖6可知，脫空寬度80 cm時的應力規(guī)律和脫空寬度40 cm時規(guī)律一致，脫空區(qū)的存在，會在區(qū)域中線上壁和外側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生拉應力，且距隧道中線越遠，中線上壁拉應力越小，外側(cè)頂角混凝土拉應力越大。當脫空區(qū)距隧道中線1.6 m時，脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)外側(cè)頂角出現(xiàn)的拉應力數(shù)值達到最大值，分別為320 kPa與315 kPa，可見脫空寬度的變化對拉應力的影響較小。

由圖7和圖8可知，脫空區(qū)的存在會在內(nèi)側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生壓應力，隨著區(qū)域距隧道中線越遠，壓應力集中范圍逐漸變小，壓應力數(shù)值逐漸增大。當脫空區(qū)距隧道中線1.6 m時，脫空寬度80 cm與40 cm脫空區(qū)壓應力達到最大值，分別為4.3 MPa和1.6 MPa，壓應力增大了169%，可見受壓主應力對脫空的寬度更為敏感。

在圍巖壓力下，脫空區(qū)域的應力分布在40 cm與80 cm的脫空寬度情況時的規(guī)律基本一致，隨著脫空位置距隧道中線的距離增大，角落處混凝土的應力集中現(xiàn)象越明顯，其中脫空區(qū)周圍受壓，主應力對脫空寬度特別敏感。脫空區(qū)的存在，會打破原有的基底應力的分布狀態(tài)，尤其是在脫空區(qū)邊角部位產(chǎn)生應力集中，易產(chǎn)生開裂破壞，進而導致脫空區(qū)域的進一步擴大。

3 列車荷載作用下的動力特性

為了分析列車動載作用下脫空區(qū)域上壁的受力情況，在脫空區(qū)域處于不同位置時，以脫空區(qū)域上壁為路徑做出橫向動應力特征曲線與豎向動應力特征曲線。

3.1 脫空區(qū)上壁橫向動應力

列車動載下脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)域上壁的橫向動應力特征曲線如圖9所示。

由圖9可知，在列車荷載作用下，脫空區(qū)上壁出現(xiàn)了拉應力，脫空寬度的增加，其上壁橫向拉應力均呈現(xiàn)增大，其中當脫空區(qū)距隧道中線80 cm，即位于軌道下時，在80 cm與40 cm脫空寬度時拉應力數(shù)值最大，分別為85 kPa 和28 kPa，相比增大了204%，可見上壁橫向動應力對脫空寬度變化特別敏感，由于混凝土的特性是抗壓強度極高，抗拉強度較低，脫空寬度的增加會使其上壁出現(xiàn)混凝土的受拉破壞。值得注意的是40 cm脫空寬度位于隧道中線處時上壁不存在拉應力，說明隧道中線處隧底脫空寬度小于一定值時對隧道結(jié)構(gòu)影響較小。

圖9 脫空區(qū)上壁橫向動應力

3.2 脫空區(qū)上壁豎向動應力

列車動載下脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)域上壁的豎向動應力特征曲線如圖10所示。

圖10 脫空區(qū)上壁豎向動應力

由圖10可知，隨著脫空區(qū)域?qū)挾鹊脑黾樱渖媳跈M向拉應力均呈現(xiàn)增大，當脫空區(qū)距隧道中線80 cm，即位于軌道下時，在80 cm與40 cm脫空寬度時豎向動應力最大，分別為150 kPa和100 kPa，相比增大了50%，可見脫空寬度對其上壁動應力影響較大；當位于隧道中線時，脫空區(qū)域位于軌道隧道中線下時的影響較小。位于軌道下時對脫空區(qū)上壁受力影響最大，嚴重時將影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

列車動載作用下，脫空區(qū)域的上壁應力分布在40 cm與80 cm的脫空寬度情況時的規(guī)律基本一致。在數(shù)值上列車動載相對于圍巖壓力較小，但混凝土材料在循環(huán)荷載下的力學特性主要表現(xiàn)為：卸載剛度不斷降低；反向加載的單邊效應，即當裂縫由受拉狀態(tài)變到受壓狀態(tài)時，張開裂縫的閉合使材料的彈性勁度只有部分恢復；拉、壓狀態(tài)下?lián)p傷異性率相關(guān)性，使材料的宏觀力學性能指標表現(xiàn)出不同程度的退化或弱化。因此列車動載下脫空區(qū)上壁易產(chǎn)生張開型裂縫，使得隧道結(jié)構(gòu)進一步惡化，影響列車行車安全。

4 結(jié)論與建議

(1)在圍巖壓力作用下，脫空區(qū)域中線上壁和外側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生拉應力，且距隧道中線越遠，中線上壁拉應力越小，外側(cè)頂角混凝土拉應力越大；內(nèi)側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生壓應力，隨著區(qū)域距隧道中線越遠，壓應力集中范圍變小，壓應力數(shù)值增大，脫空的寬度對壓應力影響更明顯。

(2)在列車荷載作用下，脫空區(qū)上壁出現(xiàn)了橫向拉應力與豎向動應力，當脫空區(qū)域位于軌道下附近時，動應力數(shù)值最大。80 cm寬脫空區(qū)在數(shù)值上與40 cm寬脫空區(qū)相比，上壁橫向動應力增幅超過200%，豎向動應力增幅達50%，說明脫空寬度對其上壁橫向動應力影響更加顯著。

(3)當隧底混凝土存在脫空現(xiàn)象時，脫空區(qū)周圍應力分布復雜，拉應力與壓應力在脫空區(qū)域同時存在，應力突變嚴重，且脫空寬度加劇脫空區(qū)域應力突變的惡化程度，在隧道養(yǎng)護中發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象應及時整治。