軟基地段不同軸重列車動(dòng)荷載作用下基底動(dòng)力響應(yīng)差異研究

張振興 張志強(qiáng)

【摘要】在重載列車長期反復(fù)作用下，隧道基底往往會(huì)出現(xiàn)基底脫空等問題，尤其是在軟弱圍巖地段更為顯著，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)對(duì)列車隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷并影響列車的正常運(yùn)營。文章采用大型通用有限差分元分析軟件FLAC3D對(duì)軟弱圍巖基底在不同軸重列車動(dòng)荷載下的基底動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，得到了隧道基底位移和隧道基底應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】重載鐵路; 軟弱圍巖; 隧道基底; 動(dòng)力響應(yīng)

【中國分類號(hào)】U212.33+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 重載列車對(duì)隧道基底的影響

相比于普通鐵路隧道結(jié)構(gòu)，重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)荷載作用下具有以下特征：

（1）在重載列車長期作用下，隧道基底結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有所改變，其局部彎矩和剪力將大增，并最終導(dǎo)致隧道基底結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的開裂破壞。

（2）在重載鐵路運(yùn)行過程中，受重載列車振動(dòng)和長期反復(fù)沖擊作用以及隧道基底圍巖壓力共同作用，尤其是隧道基底為土質(zhì)及軟弱圍巖地段，會(huì)出現(xiàn)隧道基底脫空的問題，由此引起基礎(chǔ)沉降，嚴(yán)重時(shí)對(duì)重載鐵路隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，影響重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)可靠性和行車安全。

目前，許多學(xué)者都對(duì)重載鐵路隧道動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，李自強(qiáng)等[1]研究了時(shí)速80 km/h，軸重為27 t的重載列車經(jīng)過隧道時(shí)基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓力響應(yīng);

鄒文浩等[2]分析了30 t軸重列車荷載作用下不同基底結(jié)構(gòu)形態(tài)下的應(yīng)力分布和動(dòng)力響應(yīng);尹成斐等[3]依托以朔黃鐵路三家村隧道，以隧道基底實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線為激勵(lì)荷載，利用ANSYS軟件對(duì)重載列車作用的下隧道動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了分析;鄧斌等[4]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算分析了30 t軸重下不同鋪底厚度和隧道基底不同吊空程度時(shí)隧道鋪底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征;林越翔等[5]采用激振函數(shù)模擬列車荷載，分別分析了不同矢跨比、填充層厚度和仰拱厚度對(duì)重載鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。

本文利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了單線鐵路隧道在軟弱圍巖基底條件下，不同軸重列車動(dòng)荷載下的隧道基底動(dòng)力響應(yīng)特征。

2 模型概況

本文計(jì)算隧道斷面采用單線鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖，通過FLAC3D程序建立計(jì)算分析模型如圖1所示。隧道埋深取50 m，整個(gè)模型的高度為100 m，寬度為100 m;初期支護(hù)采用C25噴混凝土，二次襯砌采用C30模筑混凝土。靜力計(jì)算的邊界條件：土層底部完全固定，左、右兩側(cè)面限制水平方向的位移，豎向自由;前后兩面限制軸線方向的位移，豎向自由;地面完全自由。列車的通過速度取100 km/h。

單線鐵路隧道計(jì)算分析模型的材料參數(shù)見表1。

為分析隧道基底圍巖在動(dòng)力計(jì)算過程中的位移、應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)特征，在隧道基底附近圍巖布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖2所示。

本文所采用計(jì)算工況如表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基底位移響應(yīng)分析

提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到不同列車軸重作用下隧道基底豎向位移時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3可知：

（1）在列車動(dòng)荷載作用下，隧道基底位移隨時(shí)間的變化呈波動(dòng)形分布，呈現(xiàn)出周期性，這與列車的動(dòng)荷載施加方式是相互對(duì)應(yīng)的。不同軸重列車動(dòng)荷載作用下的隧道基底豎向位移時(shí)程規(guī)律基本相同。

（2）隨著荷載的增加，其引起的豎向位移峰值也會(huì)增加;荷載波動(dòng)會(huì)引起位移的波動(dòng)，荷載越大，隧道基底位移波動(dòng)幅度越大。

提取不同列車軸重作用下的隧道基底殘余變形，繪制關(guān)系曲線圖如圖4所示。

由圖4可知：

（1）不同軸重車輛通過后，隧道基底的下沉不會(huì)完全恢復(fù)，殘留量級(jí)很小的位移變形，單次過車引起的隧道基底圍巖殘余位移變形分別為：0.016 5 mm（15 t軸重）、0.027 1 mm（25 t軸重）、0.032 4 mm（30 t軸重）。當(dāng)過車次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，殘余變形就會(huì)累計(jì)到較高水平，從而引起隧道基底的脫空。

（2）不同軸重的列車荷載造成的殘余變形量各不相同，軸重越大，所遺留的殘余變形量就越大，基底圍巖出現(xiàn)脫空的時(shí)間就相應(yīng)越短。

3.2 基底應(yīng)力響應(yīng)分析

提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到不同列車軸重作用下隧道基底圍巖應(yīng)力時(shí)程曲線和隧道基底圍巖荷載動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線分別如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1）在列車動(dòng)荷載作用下，隧道基底應(yīng)力隨時(shí)間的變化呈波動(dòng)形分布，呈現(xiàn)出周期性，這與列車的動(dòng)荷載施加方式是相互對(duì)應(yīng)的。不同軸重列車動(dòng)荷載作用下的隧道基底應(yīng)力時(shí)程規(guī)律基本相同。

（2）列車軸重增加會(huì)造成隧道基底應(yīng)力增加;列車軸重的增加會(huì)影響隧道基底應(yīng)力的變化幅度。

（3）隧道基底荷載動(dòng)應(yīng)力隨列車軸重增加不斷變大，說明在隧道基底較軟弱的情況下，應(yīng)針對(duì)重載進(jìn)行隧道基底加固。

表3中對(duì)隧道基底位移響應(yīng)和荷載動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)做量化比較。由表3可知：在列車動(dòng)荷載作用下，隧道基底圍巖會(huì)產(chǎn)生豎向位移。隨著軸重增加，隧道基底圍巖豎向位移值是相應(yīng)增加的。相較于15 t軸重的載荷作用產(chǎn)生的豎向位移峰值，25 t作用下峰值增長了66 %左右，30 t情況下豎向位移峰值增長了99.7 %。這表明隧道基底圍巖的豎向位移值與列車軸重呈正相關(guān)關(guān)系，并且相較于普通鐵路，重載鐵路情況下隧道基底豎向位移增加明顯。因此，在既有鐵路上加開軸重較大的列車時(shí)，應(yīng)對(duì)列車荷載作用產(chǎn)生的沉降進(jìn)行評(píng)估、控制。

在列車荷載的作用下，隧道基底圍巖會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)。并且隨軸重增加，動(dòng)應(yīng)力也有增長。其中，25 t軸重列車作用下產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)比15 t軸重作用產(chǎn)生的提高了66.5 %;而30 t軸重作用時(shí)，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力比15 t軸重時(shí)高出99.7 %。這說明，隧道基底圍巖產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與列車軸重是正相關(guān)的，并且重載鐵路相比于普通鐵路，動(dòng)應(yīng)力增加更加明顯。在軟弱地基條件下，新建重載隧道應(yīng)根據(jù)條件對(duì)隧道基底加固。

4 結(jié)論

綜合以上分析可以得出，在不同軸重列車（普通鐵路、重載鐵路）動(dòng)荷載作用下，隧道基底圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征有著明顯的差異，具體表現(xiàn)為：

（1）列車的軸重越大，引起隧道基底位移波動(dòng)幅度越大、豎向位移峰值越大。

（2）軸重增加會(huì)引起隧道基底豎向位移的增加，單次過車引起的隧道基底圍巖殘余位移變形分別為：0.016 5 mm（15 t軸重）、0.027 1 mm（25 t軸重）、0.032 4 mm（30 t軸重）。在重載列車長期營運(yùn)情況下，必然會(huì)因累積變形造成隧道基底沉降或脫空。

（3）列車的軸重越大，對(duì)隧道基底應(yīng)力的影響范圍越大、隧道基底應(yīng)力響應(yīng)更明顯;由于殘余位移的累計(jì)會(huì)引起隧道基底的脫空，動(dòng)應(yīng)力會(huì)引起隧道基底承載能力的下降，加之軸重的增加，在軟弱圍巖條件下，重載鐵路必然不同于普通鐵路，其承載能力要求更高。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧斌，喬春生，余東洋，等.重載鐵路隧道鋪底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].鐵道建筑，2019，59（10）：75-79.

[2] 林越翔，彭立敏，施成華，等.重載作用下鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征及合理設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（5）：86-92+100.

[3] 鄒文浩，張梅，劉艷青，等.30t軸重下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及動(dòng)力響應(yīng)[J].中國鐵道科學(xué)，2016，37（5）：50-57.

[4] 李自強(qiáng)，王明年，于麗，等.重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓力響應(yīng)[J].中國鐵道科學(xué)，2016，37（1）：71-77.

[5] 尹成斐，付兵先，馬偉斌.重載列車作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力分析[J].中國鐵道科學(xué)，2013，34（3）：47-52.