重载铁路隧道基底结构的动压力响应

李自强，王明年，于　丽，李　博

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　610031；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都　610031)

重载铁路因其运量大、速度快、能耗小、成本低等优势，已成为世界各国运输大宗货物的最佳选择[1-4]，也是我国铁路发展的方向。重载铁路隧道是重载铁路的重要建筑结构，因为重载铁路具有车辆轴重大、列车总重大、行车密度和运量均特大的特点，与普通铁路隧道相比，重载铁路隧道结构若设计、施工不当，更易发生严重的结构病害，特别是底部结构病害问题，且维修养护更为困难，因此，很有必要开展重载铁路隧道基底结构在重载列车动荷载作用下的动力响应研究。目前，国内针对重载铁路隧道基底结构的力学性能进行了一定研究，薛继连[5]研究了在30 t轴重条件下重载铁路隧道隧底密实度对其结构自身的影响，并提出采取聚氨酯树脂加固隧底以减小振动的加固措施；尹成斐等[6]通过实测，研究了双线铁路隧道填充层表面在重载列车作用下的动力响应，同时通过有限元软件模拟其他部位结构所受的影响；李幸吉[7]研究了不同轴重下基底结构动压力的变化规律，通过试验分析了仰拱的抗冲击性能；娄会彬[8]对重载铁路隧道无砟轨道结构的动静力学性能进行分析，建立了相应的有限元分析模型。但是，这些研究多基于有限元模拟分析，存在缺少现场数据佐证或有现场实测数据但测点有限等问题。

鉴于重载铁路隧道实际情况复杂，针对其基底结构各部位动压力分布及传递规律的相关研究较为缺乏。本文根据晋中南线重载铁路太行山隧道隧底结构动压力响应的有限元模拟结果及实测数据，研究分析重载铁路隧道底部结构的动压力响应规律。

1　工程概况

太行山隧道位于山西省与河南省交界处，起于山西省长治市平顺县石城镇克昌村，止于河南省安阳市林县姚村镇坟头村。隧道采用双洞单线方案，线间距30 m。左线隧道全长18.125 km(DK578+875—DK597+000)，右线隧道全长18.108 km(DYK578+865—DYK596+973)。隧道采用无砟道床型式，在进、出口段设置有曲线，其余地段均为直线。该隧道所在地段均为Ⅲ级围岩，采用双层衬砌，衬砌断面如图1所示。

图1　衬砌断面图(单位：cm)

2　有限元模拟分析

采用FLAC3D软件对重载列车动荷载作用下的隧道进行三维有限元模拟分析，以初步确定隧道基底结构各部位的动压力变化情况，从而指导现场的动压力监测。

2.1　模型的建立

1)有限元模型及监测点位置

模型左右边界至隧道外侧面的距离各取3倍洞径，则模型横向长度约为44 m；模型上下边界至隧道顶面和基底均取3倍洞高，则模型高度约为63 m；模型的纵向长度取2个重载列车车辆的长度，则取16 m；由此建立的模型尺寸为44 m×63 m×16 m。隧道埋深980 m，通过等效重力场实现模拟。各层之间采用接触单元进行模拟。因为隧道尺寸和荷载布置均相对于线路中心线左右对称，因此监测点仅设置在隧道左侧。在道床下表面布置测点1和2；仰拱上表面布置测点3，4，5；围岩表面布置测点6，7，8，9。建立的有限元模型及监测点具体位置如图2所示。

图2　有限元模型及监测点位置示意图

2)模型参数

按照TB10003—2005《铁路隧道设计规范》[9]，并结合太行山隧道设计资料，围岩及支护等结构的物理力学指标见表1。

表1　结构的主要物理力学参数

3)重载列车动荷载

根据国内外研究现状，选择常用的激振力函数模拟重载列车动荷载。激振力函数包括静荷载和由一系列正弦函数叠迭加而成的动荷载[10-11]，即

Ft=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t

(1)

其中，

ωi=2πv/Lii=1，2，3

式中：A0为轮对的静荷载；A1，A2，A3分别为与钢轨振动圆频率ω1，ω2，ω3对应的振动荷载幅值；m为列车的簧下质量，取列车轮对质量，即m=2.8 t，αi为对应于轨道几何不平顺管理值3种条件的典型矢高；v为列车运行速度；Li为轨道几何不平顺波长管理值。

取列车的轴重为27 t，运行速度为80 km·h-1，根据式(1)可以得到模拟重载列车动荷载的人工激振力，如图3所示，该人工激振力施加在道床表面左、右轨道处。

图3　模拟重载列车动荷载的人工激振力

2.2　有限元计算结果

1)道床下表面

道床下表面1号和2号监测点动压力时程曲线如图4所示。由图4可知：左轨处(1号监测点)和线路中心线处(2号监测点)道床下表面的动压力幅值分别为17.7和26.6 kPa，平均值分别为10.1和17.1 kPa，说明线路中心线处动压力变化较左轨处的更为剧烈。由此可见，线路中心线处道床下表面的动压力受到左右两侧轨道处的叠加影响，其幅值和平均值均比左右轨处的要大。

图4　1号和2号监测点的动压力时程曲线

2)仰拱上表面

仰拱上表面3，4，5号监测点动压力时程曲线如图5所示。由图5可知：左轨处(4号监测点)的变化最剧烈，仰拱上表面动压力的幅值达到14.3 kPa，平均值为7.1 kPa；线路中心处(5号测点)反应的相对平缓，动压力的幅值为9.9 kPa，平均值为6.1 kPa；左侧沟底部(3号监测点)的反应最弱，动压力的幅值为11.4 kPa，平均值为6.4 kPa。由此可见，重载列车动荷载经过仰拱填充层的缓冲，仰拱上表面动压力的幅值和平均值均出现不同程度的下降，其中，左轨处的最大，侧沟处的次之，线路中心处的最小(说明该处的动压力衰减得最快。

图5　3，4，5号监测点的动压力时程曲线

3)围岩表面

围岩表面6，7，8，9号监测点的动压力时程曲线如图6所示。由图6可知：左轨处(8号测点)受到的影响最大，变化最剧烈，围岩表面动压力的幅值达到10.8 kPa，平均值达到6.1 kPa；左侧沟底部(7号测点)受到的影响次之，动压力的幅值为8.9 kPa，平均值为5.1 kPa；拱脚处(6号测点)受到的影响最小，动压力的幅值为6.9 kPa，平均值为4.0 kPa；拱底处(9号测点)动压力的幅值为7.0 kPa，平均值为5.0 kPa。

图6　6，7，8，9号监测点的动压力时程曲线

4)基底结构动压力综合分析

由有限元模拟结果可知：道床对重载列车动荷载的响应最剧烈，其中线路中心线处动压力的幅值和均值均比左右轨处大；随着竖向深度的增加，各处的动压力均出现不同程度的衰减，其中线路中心处动压力衰减程度最大，动压力幅值由仰拱表面的26.6 kPa减少至围岩表面的7.0 kPa；左轨处的动压力衰减程度最低，动压力幅值由仰拱表面的17.1 kPa减少至围岩表面的10.8 kPa；并且，在围岩表面各处的动压力变化相对平缓，动压力的幅值和平均值分布也较为均匀。

3　动压力现场监测及其与有限元模拟结果的对比

3.1　监测方案

为了测试重载列车动荷载作用下重载铁路隧道基底结构动压力的实际传播规律及各部位的实时动压力，选用光纤光栅土压力计，在无砟道床的上下表面、仰拱上表面和围岩表面均设置测点，测点的具体埋设位置如图7所示。

图7　基底结构传感器布设示意图

图7中，DT-1—DT-3为道床上表面的动压力测点，其传感器量程选择10 MPa；DT-3—DT-6为道床与仰拱填充层接触面上的土压力测点，其传感器量程选择5 MPa；GT-1—GT-5为仰拱填充层与仰拱接触面上的土压力测点，其传感器量程选择2 MPa；WT-1—WT-7为仰拱与围岩接触面上的土压力测点，其传感器量程选用2 MPa；采集频率均为100 Hz，采样间隔时间均为0.01 s。

3.2　动压力现场监测结果

因隧道结构和测点均对称分布，故部分图仅列出隧道左侧的动压力时程曲线。

3.2.1道床动压力

现场实测道床上、下表面动压力时程曲线如图8所示。由图8可知：在重载列车动荷载作用下，道床上表面的动压力变化较下层的更为剧烈；同时，线路中心处的道床动压力变化比左右轨处更为明显，表明线路中心处道床受重载列车动荷载的影响更大。

图8　实测不同位置处道床上、下表面的动压力时程曲线

现场实测的和有限元模拟的不同位置处道床的动压力见表2。由表2可知：道床动压力的实测值与有限元模拟值基本相同；道床上表面的动压力始终大于下表面的；线路中心处道床的动压力较左右轨处的更大，且衰减的最为明显，最大动压力由上表面的81.5 kPa衰减到下表面的26.7 kPa，左轨处道床的最大动压力由上表面的50.7 kPa衰减到下表面的17.6 kPa，右轨处道床的最大动压力由上表面的49.8 kPa衰减到下表面的18.4 kPa；左、右轨处道床的动压力基本呈对称分布。

表2　不同位置处道床的动压力

3.2.2仰拱上表面的动压力

现场实测不同位置处仰拱上表面的动压力时程曲线如图9所示。由图9可知：左侧沟底部处仰拱上表面的动压力变化剧烈，表明该位置受到的影响最大；同时这种影响沿横向向线路中心线处衰减。

图9　实测不同位置处仰拱上表面的动压力时程曲线

现场实测的和有限元模拟的不同位置处仰拱上表面的动压力见表3。由表3可知：线路中心线处和左右轨处仰拱上表面动压力的实测值要略小于有限元模拟结果，表明动压力在仰拱填充层的实际衰减程度要大于理论分析结果；而左侧沟底部处仰拱上表面实测动压力的幅值和平均值均大于有限元模拟结果，表明该位置实际受到重载列车动荷载的影响更大，容易发生破坏。造成该现象的原因主要有2种：①隧道所处地质条件较为复杂，仰拱与围岩之间存在积水，重载列车动荷载使渗压力发生变化，从而对动土压力造成影响；②隧道仰拱实际情况与现场施工质量密不可分，因此与有限元理想状态下的模拟结果存在差异。

表3　不同位置处仰拱上表面的动压力

实测的左、右侧沟底部处仰拱上表面动压力的幅值最大，分别为21.4和18.5 kPa，线路中心处的动压力幅值最小，为8.2 kPa；动压力分布表现为沿横向由两侧向线路中心处递减，左、右轨处基本呈对称分布。

3.2.3围岩表面的动压力

实测不同位置处围岩表面的动压力时程曲线如图10所示。由图10知：围岩表面上动压力的影响主要集中在轨道处和线路中心处，拱脚处的动压力变化相对平缓。

图10　实测不同位置处围岩表面的动压力时程曲线

现场实测和有限元模拟的不同位置处围岩表面的动压力见表4。

表4　不同位置处围岩表面的动压力

由表4可知：围岩表面的实测动压力幅值大于有限元模拟结果，而平均值与数值模拟较为接近；围岩表面的实测动压力幅值分布表现为沿横向由两侧向线路中心处递增，其中，线路中心处动压力幅值最大，为13.9 kPa，左右轨处的次之，分别为12.0和11.8 kPa；实测动压力平均值分布表现为轨道处最大，线路中心处和侧沟底部次之，拱脚处最小；这种分布规律与仰拱上表面的分布规律相反。由此说明，线路中心处围岩表面的动压力变化更为剧烈，从而极易造成该处隧道结构出现病害。

3.2.4现场实测各位置处动压力竖向传递规律

现场实测各位置处动压力幅值和平均值的竖向分布如图11所示。由图11可以得出：各位置处动压力的幅值和平均值均随着竖向深度的增加而逐渐减小；动压力竖向向下传递过程可分为2个阶段。第1阶段为快速衰减阶段，位于道床与仰拱填充层内，在该阶段，线路中心处动压力的幅值和平均值较左右轨衰减程度更大；第2阶段为缓慢衰减阶段，位于仰拱结构内，在该阶段，左右侧沟底仰拱上表面动压力的幅值和平均值衰减程度相对较大，而线路中心线处和左右轨处衰减的程度较小，并且线路中心处动压力幅值的出现一定程度的反向增长，而平均值仍随深度的增加而衰减，同时，仰拱上表面动压力幅值横向分布规律与围岩上表面的相反，因此容易引发仰拱出现病害。

图11　现场实测各位置处动压力的竖向分布规律

4　结　论

(1)道床动压力的模拟值与实测值基本相同；左右轨处动压力基本呈对称分布，其中线路中心线处动压力变化较左右轨更为剧烈，且衰减最为明显。表明线路中心处道床受重载列车动荷载的影响更大。

(2)仰拱上表面线路中心线处和左右轨处的动压力实测值略小于有限元模拟结果，表明该位置的重载列车动荷载在仰拱填充层内的实际竖向衰减程度要大于理论分析；而左右侧沟底部处仰拱上表面实测动压力的幅值和平均值均大于有限元模拟结果，表明该位置实际受到重载列车动荷载的影响更大，容易造成仰拱大变形从而发生道床损坏和侧沟外挤等病害。

(3)围岩表面的实测动压力幅值大于有限元模拟结果；线路中心处动压力最大，左右轨道处次之，拱脚最小；这种横向分布规律与仰拱上表面相反。由此说明，拱底长期受到重载列车动荷载的反复循环作用，极易形成裂缝从而出现病害。

(4)隧道基底结构动压力的竖向传递过程主要分为2个阶段：第1阶段，为快速衰减阶段，位于道床与仰拱填充层内，在该阶段，线路中心处动压力的幅值和平均值较左右轨衰减程度更大；第2阶段，为缓慢衰减阶段，位于仰拱结构内，在该阶段，线路中心处压力幅值出现一定程度的反向增长，而平均值仍随深度的增加而衰减。

(5)因篇幅有限，本文结论仅针对Ⅲ级围岩单线隧道，能否适用于其他围岩级别，将在以后研究补充。

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