重載雙線鐵路隧道基底構造措施分析

張振興 ， 張志強

(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)

目前國內外大量調研數據顯示，在列車荷載長期作用下隧道結構往往會產生大量病害[1-4]，尤其是隧道底部更為明顯。

劉大鵬等[5]建立有限元模型，研究了填充層強度對隧道病害的影響，上官濤[6]通過大量調研總結既有隧道病害現象提出了隧道底部質量的控制建議；鄭保才等[7]提出采用注漿堵水手段整治富水地區隧道基底病害取得了良好效果。

隨著貨運鐵路軸重的不斷提升，隧道基底產生病害的問題也勢必更加嚴重，因此有必要研究重載鐵路隧道基底合理構造措施，從而降低隧道病害發生的幾率。

1 模型建立

1.1 列車荷載

列車在不平順的軌道上行駛，對隧道結構產生豎向激振荷載，其大小可以用一個激振力函數來模擬。本文采用式(1)激振力函數[8]模擬重載列車荷載。

F(t)=p0+p1sin(ω1t)+p2sin(ω2t)+p3sin(ω3t)

(1)

式中：p0為車輪靜載；p1,p2,p3均為振動荷載的控制條件①-③中的某一典型值。

取單邊靜輪重，p0=150 kN，簧下質量統一取為M0=1200 kNs2/m。重載鐵路的行車速度一般不會大于100 km/h，故考慮計算時速為v=100 km/h，模擬得到列車荷載時程曲線如圖1所示。計算中列車按雙線同時加載最不利條件考慮。

圖1 重載列車荷載時程曲線

1.2 計算參數

根據某既有雙線鐵路隧道橫斷面為基準，建立不同仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、溝槽布置形式下的三維動力計算模型，如圖2所示。計算中各條件下隧道埋深統一取50 m，整個模型的高度取100 m，寬度取100 m，初期支護采用C25噴混凝土，二次襯砌采用C30模筑混凝土，圍巖條件為V級圍巖，具體材料參數如表1所示。

圖2 計算模型

表1 材料參數

1.3 計算工況

本位從仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、仰拱與邊墻連接方式、溝槽布置形式4個方面研究了重載鐵路隧道列車振動下隧道基底合理結構型式。各影響條件下具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

2 計算結果

2.1 矢跨比影響

通過計算得到了1/8、1/10、1/13、1/15這4種矢跨比條件下，1重載列車經過隧道時隧道基底結構及隧底地層的壓應力及豎向位移峰值，提取相應數據繪制隧道基底結構及隧底圍巖的相關參數隨矢跨比變化的曲線，如圖3所示。

圖3 隧道基底結構及隧底圍巖關鍵參數隨仰拱矢跨比變化的曲線

通過圖3可知，隨著仰拱矢跨比增大，結構豎向應力也隨著增大，襯砌結構的受力更加趨于合理，結構和地層的位移則呈現出減小的趨勢，在一定程度上降低了結構的配筋需求，但較大的矢跨比意味著更大的仰拱填充，工程費用可能進一步增加。當矢跨比減小時，結構和地層位移也隨之增大，對結構的強度和尺寸有更高的要求。因此，對于雙線重載鐵路隧道，在結構設計過程中如果基底自身條件較好，可以選擇較小的矢跨比，達到經濟節約的目的；當基底條件較差時，可以適當的增大矢跨比，在經濟合理情況下提高結構的承載能力。

2.2 仰拱填充厚度影響

通過改變隧道仰拱填充厚度，而圍巖、支護參數均保持不變，得到了90 cm、120 cm、150 cm 3種仰拱填充厚度條件下，重載列車經過隧道時隧道基底結構及隧底地層的壓應力及豎向位移峰值，繪制得到隧道基底結構及隧底圍巖的相關參數隨仰拱填充厚度變化的曲線，如圖4所示。

圖4 隧道基底結構及隧底圍巖關鍵參數隨仰拱填充厚度變化的曲線

(1)由圖4(a)可知，仰拱填充的厚度越厚，仰拱的壓應力越小，較厚的仰拱填充有有助于隧道基底結構受力狀態的改善。仰拱填充的厚度越厚，隧底圍巖的壓應力變化范圍越小，說明較厚的仰拱填充對于隧底地層的長期受力穩定是有利的。

(2)較厚的仰拱填充有助于隧道基底結構及隧底地層的附加沉降控制，但是由圖4(c)及圖4(d)可知，并不是仰拱填充的厚度越厚，隧道基底結構及隧底地層的附加沉降就越小，其位移變化規律較為復雜。

2.3 溝槽布置形式影響

隧道下部設置中央排水溝，一方面能夠快速排除隧底以下積水，避免長期振動引起的巖土液化；另一方面破壞了仰拱填充的整體性，在開口處出現應力集中，不利于結構的整體受力。因此有必要研究中央排水溝對結構受力的影響。

通過對隧道基底結構及隧底圍巖相應位置的壓應力及位移進行監測，得到了各監測點在列車振動過程中壓應力及位移峰值，如表3所示。

表3 不同溝槽設置方式計算結果比較

由表3可知，設置中央排水溝相比于不設置中央排水溝而言，對隧道基底結構的內力影響較大，內力值有明顯的增加，這是因為在設置中央排水溝的情況下，仰拱結構在排水溝處斷面處發生較大變化，易產生應力集中現象，在排水溝的附近應力將顯著增大；隧道底部圍巖的應力值有所減小，底層壓應力增量也變小；仰拱及隧底底層附加沉降均有所減小。

可見，設置中央排水溝對隧道的結構受力影響較為復雜，但是影響在可控范圍內，因此在條件允許的情況下設置中央排水溝，能夠快速排除隧底以下積水，避免長期振動引起的巖土液化；同時，不會對結構造成嚴重的影響。

3 結論

本文通過重載雙線鐵路隧道在不同基底構造措施下的動力響應指標進行分析得到結論：

(1)較大的仰拱矢跨比可以改善結構受力狀態，減小結構和地層附加位移，但矢跨比增大意味著更大的仰拱填充從而提高造價，因此對于雙線重載鐵路建議仰拱矢跨比控制在1/10～1/12。

(2)較厚的仰拱填充有有助于隧道基底結構受力狀態的改善，即仰拱填充的厚度越厚，仰拱的壓應力越小。仰拱填充的厚度越厚，隧底圍巖的壓應力就越大，但是應力變化范圍則隨之變小，說明較厚的仰拱填充對于隧底地層的長期受力穩定是有利的。較厚的仰拱填充有助于隧道基底結構及隧底地層的附加沉降控制，具體表現為仰拱填充越厚，隧道基底結構及隧底地層的附加沉降就越小。

(3)中央排水溝對結構受力的影響在可控范圍內，因此，在條件允許條件可以設置中央排水溝，能夠有效避免隧底積水，從而引起土體液化。