軸重30 t重載列車作用下新黃土區(qū)隧道適應(yīng)性及強(qiáng)化措施研究

劉聰，彭立敏，雷明鋒，施成華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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軸重30 t重載列車作用下新黃土區(qū)隧道適應(yīng)性及強(qiáng)化措施研究

劉聰，彭立敏，雷明鋒，施成華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:以在建的蒙華鐵路典型隧道結(jié)構(gòu)型式為基礎(chǔ)，針對新黃土區(qū)重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、疲勞壽命以及合理強(qiáng)化措施等問題，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明：隨著軸重和運(yùn)量的增加，既有鐵路隧道無法滿足30 t軸重列車長期安全運(yùn)營的要求，應(yīng)采取強(qiáng)化措施。而單一的系統(tǒng)錨桿注漿加固強(qiáng)化能力有限，須采用系統(tǒng)錨桿與隧底地基加固(加固深度4 m及其以上)的聯(lián)合強(qiáng)化措施方能滿足其疲勞壽命要求。通過研究，指出30 t軸重列車荷載作用下隧底結(jié)構(gòu)疲勞易損位置，即二次襯砌仰拱中心、初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處，并得到滿足100 a設(shè)計(jì)使用年限，新黃土區(qū)隧道二次襯砌、初期支護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)在軸重30 t列車荷載作用下的疲勞上限強(qiáng)度，分別為1.30和1.62 MPa，可為設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：30 t軸重；重載鐵路隧道；適應(yīng)性；疲勞壽命；強(qiáng)化措施

重載鐵路以其高運(yùn)量、低成本的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到世界各國鐵路建設(shè)者的青睞。相比于普通鐵路，重載列車的軸重更大，線下結(jié)構(gòu)承受的動(dòng)力沖擊也更大，這無疑增加了基底病害的發(fā)生概率。在重載鐵路隧道中，隧底結(jié)構(gòu)在重載列車作用下更容易產(chǎn)生疲勞累積損傷，以致影響行車安全。據(jù)調(diào)查，我國重載鐵路—大秦線自開通以來，隨著軸重及運(yùn)量的增加，多座隧道出現(xiàn)了不同程度的基底破損和翻漿冒泥等病害，且有逐年加重的趨勢[1]?？梢姡扔需F路隧道對列車軸重增加的適應(yīng)能力尚有待提升。也正因?yàn)槿绱耍陙?，國?nèi)外眾多學(xué)者對該問題開展了廣泛研究。在病害調(diào)查分析方面，牛亞彬[1]對朔黃重載鐵路77座隧道病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并采用數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段分析相關(guān)病害的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，給出了相應(yīng)的處治對策。馮冀蒙等[2]對不同時(shí)期、不同地質(zhì)條件下隧道的病害產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)值模擬研究方面，王秀英等[3]采用有限元方法分析得到軸重30 t列車荷載作用下隧道二次襯砌的動(dòng)力響應(yīng)特征。在現(xiàn)場動(dòng)力實(shí)測方面，付兵先等[4]對朔黃重載鐵路三家村隧道進(jìn)行了現(xiàn)場測試，獲得不同圍巖區(qū)段填充層頂面處的動(dòng)壓應(yīng)力幅值。在隧道結(jié)構(gòu)長期服役性能研究方面，黃娟[5]從疲勞累積損傷的角度出發(fā)，研究引起鐵路隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷的主要原因，指出圍巖條件對二次襯砌仰拱的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力損傷影響較顯著。Lei等[6]針對列車長期反復(fù)荷載作用下巖溶地基的累積沉降變形問題進(jìn)行了分析，指出經(jīng)處理后的巖溶區(qū)隧底結(jié)構(gòu)累積變形值不會(huì)對列車長期運(yùn)營安全造成破壞性影響。晏偉光[7]采用數(shù)值模擬方法分析不同軸重、不同設(shè)計(jì)參數(shù)對隧底疲勞壽命的影響。徐新利等[8-9]分別以朔黃重載鐵路隧道工程為背景，研究軸重30 t列車荷載作用下基底吊空、欠密實(shí)病害對隧底結(jié)構(gòu)受力的影響。諸如此類的研究還有很多[10]，相關(guān)研究成果也為我國重載鐵路建設(shè)提供了有益參考。但縱觀這些研究成果，尚沒有見到新黃土區(qū)重載鐵路隧道的相關(guān)成果報(bào)道，而我國在建及規(guī)劃中的重載鐵路就存在穿越大片黃土區(qū)域的情況，可以預(yù)見，未來幾年中將有大量的黃土區(qū)重載鐵路隧道需要修建。與常規(guī)軟弱圍巖相比，新黃土動(dòng)力性能差，在長期反復(fù)重載作用下，更容易出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)病害。因此，針對黃土區(qū)重載鐵路隧道的動(dòng)力特性和疲勞壽命問題開展相關(guān)研究具有重要的前瞻意義，可為我國即將或正在興建的黃土區(qū)重載鐵路隧道提供參考。

1動(dòng)力計(jì)算模型

1.1典型黃土區(qū)重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)型式

在建的蒙華重載鐵路沿線經(jīng)過大量黃土地區(qū)，相應(yīng)的隧道工程具有代表性和典型性，故可作為研究對象。典型的黃土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)型式如圖1。

1.2數(shù)值模型的建立

采用大型有限元軟件建立隧道-圍巖耦合三維計(jì)算模型。模型中模擬2節(jié)軸重30 t重載列車以72 km/h的速度通過長30 m的隧道，且考慮雙線同時(shí)加載。模型范圍水平方向以隧道左右側(cè)外邊緣向外延伸50 m，豎直方向自隧道底部向下取75 m，自隧道拱頂向上取至地表，地表埋深按淺埋考慮，埋深取15 m，如圖2。

考慮不同地質(zhì)年代、孔隙率和含水率等的黃土力學(xué)性能差異很大，本文研究中圍巖僅取新黃土，且為服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性材料；初期支護(hù)、二次襯砌、填充層、底座板、彈性墊層、軌道板和鋼軌等隧道結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，僅按線彈性材料考慮。相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值見表1。

(a)橫斷面；(b)底部結(jié)構(gòu)圖1　蒙華重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Tunnel supporting structure of Menghua heavy haul railway

(a)整體模型 ；(b)底部結(jié)構(gòu)圖2　計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

材料重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比μ抗拉強(qiáng)度ft/MPa抗壓強(qiáng)度fc/MPa二襯(C35)2631.50.22.2023.4初支(C25)2528.50.21.7816.7填充(C25)2519.80.31.7816.7底座板(C30)25300.22.0120.1彈性層(C30)22200.22.0120.1軌道板(C45)2733.50.22.5129.6材料重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比μ黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)V級新黃土19.20.180.365025錨桿注漿巖體19.20.360.3510027復(fù)合基底200.770.2913530.5

1.3重載列車荷載模擬

列車荷載作用于鋼軌表面，考慮車速、軌道幾何不平順及車輪扁疤等因素導(dǎo)致的隨機(jī)振動(dòng)帶來的附加作用力后，可近似用以下激勵(lì)函數(shù)來模擬：

F(t)=P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+

P3sin(ω3t)

(1)

式中:P0為車輛靜載；P1，P2和P3均為振動(dòng)荷載；ωi為不平順控制條件下的振動(dòng)圓頻率，對應(yīng)的典型值可參見文獻(xiàn)[11]。

列車為軸重30 t煤炭敞車，如圖3。于是，可得到30 t軸重列車通過隧道時(shí)軌下反力時(shí)程曲線即列車荷載譜曲線，如圖4。

圖3　30 t軸重車輛軸距圖Fig.3 Wheelbase of 30 t axle train

圖4　30 t軸重列車荷載譜Fig.4 Load spectrum of 30t axle train

1.4混凝土疲勞壽命曲線

疲勞壽命曲線(即S-N曲線)是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)某種等幅應(yīng)力循環(huán)作用下直至結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞所能經(jīng)受的最大循環(huán)次數(shù)，S代表材料或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，可以用最大應(yīng)力水平Smax和最小應(yīng)力水平Smin等來表示，如Smax=σmax/fc；N表示疲勞壽命，即疲勞失效時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，一般可用lgN來表示，典型的混凝土疲勞壽命曲線如圖5所示。

圖5　疲勞壽命曲線(S-N曲線)Fig.5 Fatigue life curve (S-N curve)

我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命僅作了定性要求[12]，而歐美等發(fā)達(dá)國家通過大量的混凝土疲勞試驗(yàn)，給出了相對成熟且詳盡的疲勞壽命曲線[13]。對于處于純拉狀態(tài)下的素混凝土：當(dāng)0≤St,min≤0.8時(shí)，在等應(yīng)力幅度作用下的混凝土疲勞壽命(Ncf)通過式(2)確定；當(dāng)St,min>0.8時(shí)，可采用St,min=0.8時(shí)的S-N曲線。

(2)

其中：

1) 若lgN1≤6，則lgNtf=lgN1；

2) 若lgN1>6，且ΔSc≥0.3-0.375St,min，則lgNtf=lgN2；

3) 若lgN1>6，且ΔSt≤0.3-0.375St,min，則lgNtf=lgN3。

式中：St,max為混凝土最大拉應(yīng)力水平；St,min為混凝土最小拉應(yīng)力水平；ΔSt為混凝土應(yīng)力幅度。上述公式同樣適用于計(jì)算拉-壓或純壓狀態(tài)下素混凝土的疲勞壽命[13]。

1.5疲勞累積損傷

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)后，需要對其應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合Miner累積損傷理論來對隧底結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況。Miner線性疲勞累積損傷理論認(rèn)為各應(yīng)力循環(huán)作用所產(chǎn)生的損傷互不相關(guān)，每種應(yīng)力循環(huán)所產(chǎn)生的疲勞損傷只與其循環(huán)次數(shù)有關(guān)，與加載順序無關(guān)，各種不同應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的損傷可以線性疊加，當(dāng)累積值超過某一定值時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞，不同應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的累積損傷值可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：D為疲勞累積損傷值；Ni為某一應(yīng)力水平下產(chǎn)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)；ni為結(jié)構(gòu)經(jīng)受該應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù)。

以蒙華鐵路遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)為例，該線路每列列車運(yùn)量為2萬t，年運(yùn)量2億t，設(shè)計(jì)使用年限為100 a，總的運(yùn)量為200億t，則隧道在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)將1×106列列車通過，可得到隧道100 a內(nèi)經(jīng)受的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。當(dāng)隧道在100 a內(nèi)經(jīng)受的總的應(yīng)力循環(huán)所產(chǎn)生的疲勞累積損傷值不大于1時(shí)，則能適應(yīng)重載列車在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的安全運(yùn)營。

2隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1僅考慮列車動(dòng)載的隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

盡管市場不斷擴(kuò)大、業(yè)務(wù)不斷增長，IoT仍處于技術(shù)發(fā)展的初期，依舊面臨一系列的安全隱患，龐大的數(shù)量和自身的脆弱性使得IoT設(shè)備極易成為黑客的首選目標(biāo)。電影《速度與激情8》中數(shù)以萬計(jì)的智能車輛被“天眼”系統(tǒng)惡意操控，進(jìn)而組成“僵尸車聯(lián)網(wǎng)”圍剿國防部長；再如，2016年下半年，Mirai病毒控制超過30多萬臺(tái)的IoT設(shè)備對Dyn公司、OVH公司發(fā)動(dòng)大規(guī)模分布式拒絕服務(wù)（DDoS）攻擊，致使164個(gè)國家或地區(qū)受到影響。因此，IoT產(chǎn)業(yè)化的日益加速與技術(shù)的安全可信之間的矛盾成為該領(lǐng)域急需解決的重要問題，也是推動(dòng)新型IoT技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。

圖6～7為僅考慮列車動(dòng)載作用下隧底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。從中分析可見，轉(zhuǎn)向架通過時(shí)隧底引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力最大，單個(gè)輪對通過時(shí)次之。列車轉(zhuǎn)向架兩相鄰輪對通過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生4個(gè)應(yīng)力峰值，單個(gè)輪對通過時(shí)產(chǎn)生2個(gè)應(yīng)力峰值。

進(jìn)一步提取軌下斷面填充頂部點(diǎn)A1，二次襯砌仰拱頂部點(diǎn)A2，初期支護(hù)仰拱頂部點(diǎn)A3以及隧底圍巖處點(diǎn)A4的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，具體點(diǎn)位選取如圖8，得到隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力沿軌下深度變化規(guī)律，如圖9。

(a)拉應(yīng)力；(b)壓應(yīng)力圖6　隧道軌下二襯頂面應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.6 Dynamic stress time-history curves of secondary lining under the rail

(a)拉應(yīng)力；(b)壓應(yīng)力圖7　隧道軌下初支頂面應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.7 Dynamic stress time-history curves of initial support

從中分析可知：1)動(dòng)拉應(yīng)力隨深度先增加后減小，在二次襯砌仰拱中達(dá)到峰值199.28 kPa，初期支護(hù)中拉應(yīng)力次之，初期支護(hù)與土的交界面處衰減為二次襯砌仰拱隧中最大動(dòng)拉應(yīng)力的3.35%。2)壓應(yīng)力隨深度呈線性減小，填充層頂面最大壓應(yīng)力為133.5 kPa，而初期支護(hù)與土體交界面處迅速衰減為填充頂最大動(dòng)壓應(yīng)力的8.91%。

圖8　軌下斷面點(diǎn)位Fig.8 Points under the rail

圖9　隧底動(dòng)應(yīng)力沿軌下深度傳遞規(guī)律Fig.9 Dynamic stress transmission mechanism of bottom structures under the rail

2.2考慮動(dòng)靜荷載耦合作用的隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

隧道開挖后，圍巖壓力靜載作用將使隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力及變形，與列車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)相互耦合，隧道結(jié)構(gòu)在兩者耦合作用下的應(yīng)力云圖如圖10～11。

(a) 拉應(yīng)力;(b) 壓應(yīng)力圖10　動(dòng)靜荷載耦合作用下新黃土隧道二襯應(yīng)力云圖Fig.10 Coupled stress contour of secondary lining after loess tunnel excavation

(a) 拉應(yīng)力;(b) 壓應(yīng)力圖11　動(dòng)靜荷載耦合作用下新黃土隧道初支應(yīng)力云圖Fig.11 Coupled stress contour of initial support after

結(jié)果分析表明：1)相比于重載列車作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力，圍巖應(yīng)力釋放對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力貢獻(xiàn)更大。2)二次襯砌與初期支護(hù)的最不利位置為仰拱與邊墻連接處及仰拱中心位置，二次襯砌仰拱中心及初期支護(hù)連接處兩部位的拉應(yīng)力較大，二次襯砌仰拱與邊墻連接處及初期支護(hù)仰拱中心分別為兩者的壓應(yīng)力最大位置。

綜合上述分析可見，二次襯砌仰拱中心及初期支護(hù)邊墻與仰拱連接處兩者的拉應(yīng)力水平較大(圖13)，為隧道結(jié)構(gòu)的疲勞關(guān)鍵位置，二次襯砌及初期支護(hù)的壓應(yīng)力水平相較于其抗壓強(qiáng)度小，遠(yuǎn)小于0.5ft，非結(jié)構(gòu)疲勞破壞控制因素，壓應(yīng)力水平不會(huì)產(chǎn)生疲勞問題。

3隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命及疲勞極限

強(qiáng)度

由上述分析可知，列車轉(zhuǎn)向架通過時(shí)引起的應(yīng)力最大，而隧道疲勞壽命主要是受大幅值應(yīng)力循環(huán)的影響，小的應(yīng)力波動(dòng)無規(guī)律且對疲勞壽命影響很小，可以忽略，因此，可將列車轉(zhuǎn)向架通過時(shí)的應(yīng)力時(shí)程曲線簡化為3種主要的應(yīng)力循環(huán)，采用雨流計(jì)數(shù)原理對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力循環(huán)統(tǒng)計(jì)簡化如圖14。從中可得，每個(gè)轉(zhuǎn)向架通過，即每節(jié)車廂通過時(shí)，最大應(yīng)力循環(huán)為1個(gè)(1-2-7)，列車車輪通過時(shí)達(dá)最大拉應(yīng)力，靜力狀態(tài)下為最小拉應(yīng)力值。次級應(yīng)力循環(huán)1個(gè)(4-5-6)，為每個(gè)輪對通過時(shí)引起的應(yīng)力循環(huán)。低應(yīng)力循環(huán)為2個(gè)(2-3-4)，為同一輪對兩相鄰車輪通過時(shí)引起的應(yīng)力循環(huán)。

圖12　隧底耦合應(yīng)力沿軌下深度變化曲線Fig.12 Coupled stress of bottom structures under the rail

(a)二襯隧底中心;(b)初支連接處圖13　隧底結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.13 Maximum tensile stress time-history curves of bottom structures in tunnel

軸重30 t煤炭重載敞車每節(jié)車廂載重97 t，每列206節(jié)車廂，于是可統(tǒng)計(jì)得到一列2萬t列車通過時(shí)將產(chǎn)生1次大應(yīng)力循環(huán)，207次中應(yīng)力循環(huán)和412次低應(yīng)力循環(huán)。

圖14　應(yīng)力循環(huán)簡化圖形Fig.14 Simplify counting figue of stress cycle

由此，可根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果及疲勞壽命計(jì)算理論得到St,max和ΔSt等參數(shù)，代入S-N曲線公式可分別計(jì)算各處應(yīng)力水平達(dá)到疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ni，如表2。同樣已知容許的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，也可求出相應(yīng)的疲勞上限強(qiáng)度σfu，即初期支護(hù)C25噴射混凝土、二次襯砌仰拱C35混凝土對應(yīng)的受拉疲勞上限強(qiáng)度分別為1.30和1.62 MPa。

表2　疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

而根據(jù)第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，二次襯砌仰拱中心處拉應(yīng)力最大為3.56 MPa，初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處最大拉應(yīng)力為2.02 MPa，均超過抗拉疲勞上限強(qiáng)度，無法滿足長期運(yùn)營要求，須采取加固措施。

4重載鐵路隧道適應(yīng)性強(qiáng)化

當(dāng)前關(guān)于隧底強(qiáng)化措施主要有系統(tǒng)錨桿注漿和地基處理(土擠密樁、灰土擠密樁)。本文對上述2種措施分別建立數(shù)值模型，探討經(jīng)強(qiáng)化處理后的隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及疲勞壽命情況，以評價(jià)對應(yīng)強(qiáng)化措施的有效性。

系統(tǒng)錨桿注漿加固后土體參數(shù)參照文獻(xiàn)[14-15]選取。地基處理(土擠密樁加固)后的地層參數(shù)可按E=mEp+(1-m)Es計(jì)算[16]，式中，E為復(fù)合地基彈性模量；Ep為擠密樁彈性模量；Es為土體彈性模量;m為置換率。強(qiáng)化后的數(shù)值計(jì)算模型如圖15。

(a) 整體加固模型;(b) 加固處理區(qū)圖15　加固模型Fig.15 Strengthening model

4.1單一系統(tǒng)錨桿強(qiáng)化后的計(jì)算結(jié)果分析

圖16～17分別為系統(tǒng)錨桿加固長度取3及5 m時(shí)，二次襯砌仰拱中心及初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處等疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力時(shí)程曲線。從中分析可見：

1)隧底結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)較無強(qiáng)化措施時(shí)有較大程度的減小，錨桿加固長度分別為3和5 m時(shí)，二次襯砌仰拱中心最大拉應(yīng)力值比無強(qiáng)化措施時(shí)減小20.6%和28.5%，初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處分別減小32.5%和36.9%。2)強(qiáng)化后，相應(yīng)部位最大拉應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)于表3，系統(tǒng)錨桿長度為3 m時(shí)，應(yīng)力減小為1.36 MPa，仍大于受拉疲勞上限強(qiáng)度；而長度達(dá)5 m時(shí)，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力減小為1.27 MPa，小于疲勞上限強(qiáng)度，二次襯砌仰拱中心部位的最大拉應(yīng)力仍有2.54 MPa，無法滿足二次襯砌疲勞壽命要求，可見采用單一系統(tǒng)錨桿注漿對隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平減小有限。

表3系統(tǒng)錨桿注漿后隧底結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值

Table 3Maximum tensile stress of bottom structures after system anchoring bolt grouting

MPa

(a) 二襯仰拱隧中；(b) 初支連接處圖16　錨桿注漿3 m時(shí)隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.16 Stress time-history curves of buttom structures when the length of system anchoring bolt is 3 m

(a)二襯仰拱隧中；(b)初支連接處圖17　錨桿注漿5 m時(shí)隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.17 Stress time-history curves of buttom structures when the length of system anchoring bolt is 5 m

4.2系統(tǒng)錨桿和地基處理聯(lián)合強(qiáng)化后計(jì)算結(jié)果

分析

以系統(tǒng)錨桿加固長度3 m為基礎(chǔ)，地基處理深度分別取3和4 m，得到二次襯砌仰拱中心及初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處等疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖18～19。

從中分析可知：1)經(jīng)復(fù)合強(qiáng)化處理后，隧底結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)較不加固時(shí)有顯著的降低，基底加固深度分別為3和4 m時(shí)，二次襯砌仰拱中心最大拉應(yīng)力值比不加固時(shí)減小49.1%和56.4%，初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處分別減小59.8%和61.2%。2)進(jìn)一步提取隧底結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力值如表4，從中可見，系統(tǒng)錨桿注漿加固同時(shí)采用基底處理區(qū)域長度為4 m時(shí)二次襯砌仰拱中心、初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處應(yīng)力水平均小于受拉疲勞上限強(qiáng)度，此時(shí)在軸重30 t重載列車作用下，黃土隧道結(jié)構(gòu)能滿足100 a設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)服役性能的要求。

(a)二襯仰拱隧中;(b)初支連接處圖18　錨桿注漿與地基處理半徑為3 m時(shí)隧底結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.18 Stress time-history curves of bottom structures when the length of system anchoring bolt combined with ground treatment is 3 m

(a)二襯仰拱隧中;(b)初支連接處圖19　錨桿注漿與地基處理半徑為4 m時(shí)隧底結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.19 Stress time-history curves of bottom structures when the length of system anchoring bolt combined with ground treatment is 4 m

Table 4 Maximum tensile stress of bottom structures after ground treatment

MPa

5結(jié)論

1)軸重30 t重載列車作用下，隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)拉應(yīng)力隨深度先增大后減小，在二次襯砌仰拱中達(dá)到峰值，初期支護(hù)中拉應(yīng)力次之，隨后迅速衰減；動(dòng)壓應(yīng)力在填充層頂面最大并隨深度呈線性減小。

2)圍巖應(yīng)力與列車荷載耦合作用下，隧底結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力均先隨軌下深度先增大后減??；隧底結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力在二次襯砌仰拱中達(dá)到最大，壓應(yīng)力初期支護(hù)中達(dá)到最大，其中二次襯砌仰拱中心與初期支護(hù)仰拱與邊墻連接處兩者為疲勞損傷的最不利位置，且不能滿足重載列車長期安全運(yùn)營的要求。

3)根據(jù)重載鐵路年運(yùn)量、使用年限及疲勞壽命分析理論，可得新黃土隧道在30 t軸重荷載作用下，初期支護(hù)C25噴射混凝土、二次襯砌仰拱C35混凝土受拉疲勞上限強(qiáng)度分別為1.30和1.62 MPa。

4)單一的系統(tǒng)錨桿注漿加固對隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平降低的作用有限，錨桿長度達(dá)5 m時(shí)仍無法滿足軸重30 t重載列車運(yùn)行的適應(yīng)性要求；而當(dāng)采用系統(tǒng)錨桿加固和地基處理，基底應(yīng)力水平的降低顯著，處理深度達(dá)4 m時(shí)，可滿足軸重30 t重載鐵路新黃土隧道100 a設(shè)計(jì)運(yùn)營期內(nèi)服役性能的要求。

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Adaptability and strengthening research of 30 t axle heavy haul railway tunnel in new loess areaLIU Cong, PENG Limin, LEI Mingfeng, SHI Chenghua

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract：Based on the typical tunnel structure of Menghua railway which is still under construction, a numerical study was performed, mainly focusing on the dynamic response, fatigue life and strengthening measures of loess heavy haul railway tunnel. The results show that: with an increase of axle load and railway freight transport volume, the existing railway tunnel cannot meet the long-term safety requirement without strengthening measures. The adaptability of loess heavy haul railway tunnel cannot be improved effectively by using sole systematic bolt, system anchoring bolt combined with ground treatment should be adopted (the length should reach to 4 m or more). Then the safety operation requirement of the heavy haul train can be satisfied. The research indicates that the centre of secondary lining of inverted arch, and sidewall and inverted arch joint of initial support are the most unfavorable load positions of the tunnel’s bottom structures under the action of 30 t axle heavy haul train. In order to satisfy the 100 a safety design service life of tunnel structures under the operation of 30 t axle heavy haul train, the upper-limit fatigue strength of initial and secondary lining of new loess tunnel were deduced, which are 1.30 MPa and 1.62 MPa, respectively. The results can provide reference for present design of heavy haul tunnel structures.

Key words：30 t axle; heavy haul railway tunnel; adaptability; fatigue life; strengthening measurements

中圖分類號：U 25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0730-10

通訊作者：雷明鋒(1982-)，男，湖南祁東人，博士，講師，從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作；E-mail:124520238@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1361204，51278494)；湖南省創(chuàng)新平臺(tái)與科技人才項(xiàng)目(2015RS4006)

收稿日期：2016-02-02