广深港高速铁路狮子洋隧道减振无砟轨道对周边软土地层影响分析

许克亮，肖明清，李秋义

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)



广深港高速铁路狮子洋隧道减振无砟轨道对周边软土地层影响分析

许克亮，肖明清，李秋义

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

为防止高速列车振动引起广深港高铁狮子洋大断面盾构水底隧道软土地层液化风险，轨道结构采用减振板式无砟轨道。为考察减振措施效果，分别建立列车-轨道模型、隧道-地层有限元模型，分析列车荷载作用下隧道结构及周围土层动力响应及分布规律，对比分析减振和非减振两种工况下地层动剪应力和加速度，结果表明，采取减振措施可有效降低软土地层液化风险，提高安全储备，达到了预期的目标。研究成果对隧道穿越软土地层设计具有指导意义。

高速铁路；铁路隧道；盾构隧道；软土；无砟轨道； 减振；液化

广深港高速铁路狮子洋隧道为世界首座时速350 km的双孔单线盾构水底隧道[1-2]，地质条件复杂，周围软弱地层地基在长期高速列车循环荷载作用下存在液化风险，一旦发生液化隧道累积沉降增加，将导致轨道竖向不平顺、隧道衬砌开裂和变形等，进而加大行车时隧道及轨道结构所受的动应力，缩短结构的使用寿命，增加维修的费用和难度。国内外对于软弱地层条件下盾构隧道研究非常少[3-6]，可供借鉴的资料和经验非常有限[7-10]。为保证狮子洋隧道运营安全，需要对轨道结构采取减振措施，进一步降低列车振动对隧道结构和地层的影响。

本文从防止狮子洋隧道软土地层发生液化角度，基于影响软弱地层液化的剪应力和加速度两项重要指标，对轨道结构减振效果进行了分析，评估了隧道结构及软土地层的安全性。

1 工程概况

1.1 隧道概况

广深港高铁狮子洋隧道位于东涌站至虎门站区间，全长10.8 km，是目前国内里程最长、建设标准最高的第一座水下高速铁路隧道。国内首次在高速铁路采用10.8 m大直径盾构。狮子洋隧道位于珠江三角洲平原区，穿越地层较复杂。隧址地层自上而下为人工填土层、海陆交互相沉积层、冲积层及白垩系白鹤洞组猴岗段泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩。隧道穿越淤泥质土层、粉细砂层及中砂层等软土。根据铁道部科研课题《狮子洋水下隧道结构静动力学特征及关键技术参数试验研究》(2006G007—B)研究成果，在软弱地层地段应采取一定的轨道减振措施，降低高速列车运行对隧道底部地层的影响，确保隧道安全运营。

1.2 减振无砟轨道概况

狮子洋隧道减振型板式无砟轨道结构由钢轨、弹性扣件、轨道板、CA砂浆调整层、减振垫层、凸形挡台及混凝土底座等组成[11]，如图1所示。广深港高铁减振轨道结构设计为浮置板体系，在传统CRTS I型板式无砟轨道的CA砂浆与底座之间铺设了弹性隔振元件——减振垫层，减振垫层的刚度取为0.046 N/mm3，厚度为27 mm。橡胶减振垫是最早在德国应用的一种高等减振措施，国内首先在城市轨道交通中引进和应用，减振效果可达到10 dB。

图1 减振型板式无砟轨道

2 计算模型和计算方法

当列车穿越隧道时，车辆轮系与轨道之间产生动力相互作用，形成振动源，振动能量通过钢轨、道床和隧道结构传递给周围地层。列车荷载作用下的地下结构振动是个复杂的课题[12-14]，要想通过理论分析得到符合实际的结果，必须考虑很多因素，使得体系的力学模型十分复杂。为了简化计算模型、提高计算效率，本文首先建立“列车-轨道耦合系统”动力仿真模型，通过动力分析得到作用在“轨道-隧道-地层”上的列车荷载激励曲线及其功率谱；然后建立“隧道-地层”有限元模型，通过施加列车荷载激励曲线，研究列车荷载作用下隧道及周边地层的振动响应规律，分析减振垫层对软土液化的影响。

2.1 列车-轨道系统模型

2.1.1 车辆模型

车辆一轨道耦合动力模型由车辆模型、轨道模型和轮轨间的耦合关系组成。其中，车辆模型由一个车辆系组成，每一节是一个多自由度的振动系统，包括车体、转向架、轮对、弹簧和阻尼器。

车辆模型假定如下：

(1)每节车辆的车体、转向架和轮对均视为刚体，不计它们在振动中的弹性变形；

(2)车辆悬挂系统的一系和二系阻尼均简化为黏滞阻尼器。对于非黏滞阻尼的减振器，可换算成由当量阻尼比确定的黏滞阻尼计算；

(3)横向运动(横摆、摇头、侧滚)与竖向运动(浮动、点头)互不耦合，因此可单独分析竖向振动；

(4)不考虑车体、转向架和轮对沿车辆纵轴方向的振动。

2.1.2 轨道模型

轨道模型包括钢轨、扣件、轨道板、橡胶垫层、底座等，见图2，假定如下：

(1)钢轨视为置于弹簧(扣件)之上的无限长梁；

(2)减振无砟轨道简化为“质量-弹簧-阻尼”系统，即浮置板轨道系统。

图2 车辆-轨道耦合动力学模型

2.2 高速列车激振荷载的确定

图3 钢轨支点压力时程曲线(V=350 km/h)

针对减振型无砟轨道的结构特点，根据“列车-轨道耦合系统”动力模型，分析了狮子洋隧道所采用的CRTSⅠ型减振型板式无砟轨道结构动力响应，得到了高速列车通过无砟轨道时钢轨支点压力的时程曲线(图3)，作为列车振动引起隧道及地层动力响应分析提供外部激励荷载。

2.3 隧道结构及地层模型

狮子洋隧道结构及地层有限元模型包括减振无砟轨道、回填层、隧道结构及周边地层，见图4，该模型考虑了细砂、粉砂在地层中分布的范围和覆盖层的厚度，因为这是影响地基抗液化能力的主要因素。

图4 隧道及周边土层有限元模型

狮子洋隧道结构及地层有限元模型包括减振无砟轨道、回填层、隧道结构及周边地层，该模型考虑了细砂、粉砂在地层中分布的范围和覆盖层的厚度，因为这是影响地基抗液化能力的主要因素。该模型考虑了隧道与地层边界的细化，见图5、图6。

图5 模型细节

图6 隧道与地层模型边界

3 隧底软土地层液化风险分析

在列车振动荷载的往复作用下，土层中的剪应力会出现累积-消散-累积的循环过程，从而使砂土层有可能发生液化，累积沉降增加。列车振动在隧底软土地层所产生动剪应力一旦达到液化剪应力[15]，则存在液化的风险，因此根据列车振动产生的软土地层动剪应力来进行液化风险评价。

3.1 隧底地层液化剪应力的确定

地基液化剪应力与地层重度、埋深及土性如密实度、液化剪应力比有关，且与动荷载作用振次密切相关，一般而言振次越大液化剪应力阈值越小。液化剪应力[τ]为

(1)

式中γ——地层重度；

h——埋深；

Cr——修正系数，用于修正室内三轴试验数据以反映现场实际应力状态。

考虑到隧道结构存在时地层的实际应力分布情况及施工过程对地层的扰动以及可能存在的超挖现象，有限元计算结果为377.898 kPa，则有效应力为150.244 kPa，代入式(1)进行计算，得液化剪应力[τ]=8.429 kPa。

3.2 狮子洋隧道地层动剪应力计算结果

在“隧道-地层”有限元模型上，施加高速列车通过无砟轨道时钢轨支点压力的时程曲线，分析列车荷载作用下轨道有、无减振垫层隧道及周边地层的各项动力响应。

轨道无减振垫层时地层等效剪应力见图7，剪应力最大值出现在隧底正下方，为6.205 kPa。

图7 等效剪应力(无减振垫层)

轨道设减振垫层时地层等效剪应力见图8，剪应力最大值出现在隧底正下方，为4.156 kPa。

图8 等效剪应力(设减振垫层)

3.3 减振效果综合对比分析

综合以上计算结果，进行无砟轨道有减振垫层和无减振垫层的对比分析，见表1。

表1 无砟轨道有无减振垫层减振效果综合对比分析

相对于无减振垫层，有减振垫层时地层动应力峰值可降低33.02%，加速度峰值降低82.98%，减振效果明显。

对于动剪应力与液化剪应力的比值，无减振垫层时为0.736，相应的“安全系数”为1.36，对于重大工程来讲，安全系数仍显不足。

有减振垫层时，动剪应力与液化剪应力的比值为0.493，相应的“安全系数”为2.386，提高是比较明显的，加大了安全储备。

3.4 隧道地层土壤液化振动敏感频率区间的试验结果

隧道软土地层土壤液化对振动的某频段是比较敏感的，在敏感频段加速度及振动能量会出现峰值，在软土地层工程设计中必须加以关注。为了获得隧道地层土壤液化的振动敏感频率区间，在广深港高铁联调联试期间，实测了高速动车组通过隧道时地表土层振动加速度。测试结果表明：软土区段隧底地层土壤液化的振动敏感区间为40～120 Hz，该频率范围的振动对隧道地层土壤液化影响较大，地基振动能量峰值的频率为50 Hz左右。该测试结果与国内外关于铁路轨道振动对于隧道地层土壤液化研究结论是一致的[16]。

4 结论

(1)无砟轨道设置减振垫层可降低地层动应力峰值33.02%，降低加速度峰值82.98%，显著减低了地层动应力峰值和振动加速度，对于防止软土地层振动液化效果明显。

(2)隧道基底动剪应力与液化剪应力的比值在无减振垫层时为0.736，有减振垫层时为0.419，采取减振措施后相应的“安全系数”从1.36增加到2.386，可见，轨道减振后地基稳固性改善效果明显，安全性得到进一步提高。

(3)广深港高铁联调联试期间实车试验结果表明，软土区段隧底地基振动敏感区间为40～120 Hz频带区域，振动能量峰值的频率为50 Hz。

(4)广深港高铁广深段自2011年年底开通运营以来，狮子洋隧道减振板式无砟轨道、隧道结构及地层运营状态良好，减振无砟轨道有效防止了隧道地层软土振动液化的发生，确保了隧道结构安全，达到了预期效果。

[1] 李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].铁道标准设计，2010(11)：89-94.

[2] 洪开荣，杜闯东，王坤. 广深港高速铁路狮子洋水下盾构隧道修建技术[J].中国工程科学，2009(7)：53-58.

[3] 黄娟，彭立敏，李兴龙.可液化地层狮子洋盾构隧道横向地震响应规律及减震措施研究[J].岩土工程学报，2009(10):1539-1546.

[4] 刘光磊，宋二祥，刘华北.可液化地层中地铁隧道地震相应数值模拟及试验验证[J].岩土工程学报，2007(12)：1815-1822.

[5] 姜忻良，宋丽梅.软土地层中地下隧道结构地震反应分析[J].地震工程与工程振动，1999(1):65-69.

[6] 李育枢.山岭隧道地震动力响应及减震措施研究[D].上海：同济大学，2006：65-68.

[7] 贾超，赵建宇，徐帮树，等.清水隧道围岩软土振动液化研究[J].山东大学学报，2008(2)：84-87.

[8] 王秀英，刘维宁.列车振动作用下沉管地基砂土液化可能性研究[J].铁道学报，2004(2)：96-100.

[9] 由广明，刘维宁.高速列车振动荷载作用下沉管地基整体稳定性研究[J].中国铁道科学，2004(2)：82-85.

[10]刘明丽.地铁列车振动引起的地基液化问题[D].北京：北京交通大学，2005：45-51.

[11]孙晓迈.CRTSⅠ型无砟轨道弹性减振垫层施工技术[J].国防交通工程与技术，2012(3)：47-50.

[12]陈松洁.软弱地层中水下高速铁路盾构隧道列车振动响应分析[D].长沙：中南大学，2010：17-22.

[13]张玉娥，白宝鸿.高速铁路隧道列车振动响应数值分析方法[J].振动与冲击，2000，20(3):91-101.

[14]周济民，何川，肖明清，等.狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析[J].铁道学报，2012(7)：115-121.

[15]贺腾飞，周顺华，徐司慧.地铁振动荷载作用下土体动剪应力分析[J].华东交通大学学报，2016(2)：23-29.

[16]肖明清，姚捷，黄盾，等.广深港高铁狮子洋隧道列车所致环境振动实测研究[J].岩石力学与工程学报，2013(7)：3527-3534.

Analysis of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong High Speed Railway Shiziyang Tunnel Vibration Damping Ballastless Track Effect on Surrounding Soft Soil

XU Ke-liang， XIAO Ming-qing， LI Qiu-yi

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

To prevent the liquefaction of large section shield tunnel soft soil of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong high speed railway Shiziyang tunnel on account of high-speed train vibration， vibration damping ballastless track is adopted. To investigate the effect of vibration damping measures， this paper establishes the train-track finite element model and the tunnel-soil finite element model to analyze dynamic response and distribution of the tunnel structure and the surrounding soil under the train load， and compares the dynamic shear stress and acceleration with and without vibration damping. The results show that the vibration damping ballastless track can effectively reduce the risk of soft soil liquefaction， improve the safety stock， and achieve the expected goal. The research results may guide the design of tunnel through soft soil．

High speed railway; Railway tunnel; Shield tunnel; Soft soil; Ballastless track; Vibration damping; Liquefaction

2016-08-10；

2016-08-23

铁道部科技开发计划项目(2006G007-B)

许克亮(1961—)，男，教授级高级工程师，1982年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail:XKL_DHL001@163.com。

1004-2954(2016)11-0001-04

U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.001