下穿高速铁路浅埋盾构隧道管片动力响应特征分析

2018-11-07张碧文

铁道建筑 2018年9期

张碧文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

高速铁路列车振动荷载引起地层振动和环境噪声一直是国内外的研究重点。国内外采用现场实测、数值模拟、解析法等多种手段建立不同的地层振动预测模型，对列车荷载引起的地层、上部结构动力响应及其对铁路沿线居民日常生活造成影响的环境噪声进行了分析，并提出一定的减振降噪措施[1-4]，然而针对盾构隧道下穿既有高速铁路工程，业界普遍关注的是隧道施工的安全性以及下穿施工对上部结构运营安全的影响[5-8]。针对下穿既有高速铁路盾构隧道在列车荷载作用下的动力响应的相关研究较少。

本文拟通过ABAQUS建立隧道-地层-路基三维耦合有限元分析模型，其中管片采用包含管片和螺栓的精细化模型，通过施加简化后的高速铁路列车振动荷载，研究不同埋深条件下盾构管片的动力响应。

1 工程概况

广州地铁9号线双线盾构隧道下穿武广高速铁路，隧道与轨道间的平面夹角大致为70°。武广高速铁路列车最高运行速度为300 km/h。本工程具有地质条件复杂、超浅埋下穿高速铁路路基、列车运营速度高、无砟轨道沉降要求高、修复困难等特点。为保证盾构施工过程中武广高速铁路的正常运行，采用MJS(Metro Jet System)水平旋喷桩对下穿段路基进行预加固，以满足盾构施工安全和上方高速铁路列车的运行安全。

2 隧道-地层-路基耦合模型

本文拟通过ABAQUS建立模型，不考虑无砟轨道结构，振动荷载以均布荷载形式施加在路基上，分别采用静力和动力荷载计算，计算结果进行线性叠加。

2.1 数值求解算法

在列车振动荷载作用下，中、低频对隧道结构的动力响应起主要作用，故采用隐式积分法进行分析计算。本文采用ABAQUS/Standard求解器的Hilber-Hughes-Taylor直接时间积分算法，该算法属于无条件稳定的隐式求解法。

2.2 边界条件

高速铁路列车振动荷载引起周围地层以及地面结构的振动问题，属于典型的内源振动问题，需要充分考虑模型边界应力波反射问题。ABAQUS提供了一种无限单元模拟无限岩土体边界，防止应力波传播到人工边界反射和散射。

2.3 列车荷载简化

高速铁路列车振动荷载主要为列车自重和列车运行过程中产生的动荷载，其中轨道不平顺是列车动荷载最主要的激励源。文献[9]研究结果显示高速铁路列车荷载作用下轨道扣件反力的时程曲线呈M形，综合考虑最不利情况[10]高速铁路路基顶面均布荷载最大值取20 kPa。考虑到引起地层振动的主要振动频率范围以及不易被土层吸收的振动频域主要集中在中低频，结合杨守峰、刘诣轩[11-12]对高速铁路列车振动荷载简化结果，给出时速350 km 高速铁路列车振动荷载计算公式。

(1)

式中：P为高速铁路路基顶面均布荷载，kPa；t为时间，s。

2.4 计算模型的建立

建立ABAQUS三维有限元计算模型(见图1)，模型大小为72 m(长)×60 m(宽)×40 m(高)，隧道埋深为10 m。模型土体上方设厚度0.3 m路基，模型四周以及底部均设置无限单元边界。为保证振动波吸收效果，模型单元沿地铁隧道长度方向取72 m。地铁左右线盾构隧道中心线间距12 m，隧道外径6 m，管片厚度0.3 m，管片外设0.2 m厚同步注浆层。管片与注浆层，注浆层与围岩、路基与土层之间采用绑定约束。隧道上方地层采用MJS水平旋喷桩加固，加固范围参见图1。盾构管片、MJS水平旋喷桩加固区、隧道衬砌、路基下层和管片接头采用C3D8R单元模拟。

在路基正下方局部范围内的5环管片采用错缝拼装的分块式精细化模型，单环管片包含6个管片分块以及纵向、环向连接螺栓。管片和螺栓均采用实体单元进行模拟。不考虑管片接头材料的防水作用和螺栓的预紧力，管片分块之间法向和切向的相互作用分别采用硬接触和库仑摩擦接触，螺栓和管片之间的约束关系通过单元嵌入来实现。

图1 三维有限元计算模型及地层剖面示意

2.5 参数的确定

根据地质勘察资料，各地层分层情况参见图1，各土层参数见表1。MJS水平旋喷桩加固区、路基、注浆层、管片及螺栓采用弹性本构模型，土层采用摩尔-库仑黏塑性本构模型，材料阻尼采用Rayleigh阻尼模型。部分结构材料参数见表2。

表1 各土层参数

表2 部分结构材料参数

3 模拟计算结果与分析

3.1 不同埋深条件下盾构管片最大主应力时程响应

图2 盾构管片不同位置最大主应力峰值(单位：MPa)

图3 盾构管片不同位置最大主应力时程曲线

在盾构管片的拱顶，拱肩，拱腰，拱脚以及拱底5个关键位置设置了监测点，埋深10 m时其最大主应力峰值见图2，最大主应力时程曲线见图3。由图2可知：拱底和拱顶的最大主应力峰值明显大于其它监测点。拱底最大主应力峰值最大，这主要是由于拱底处地层埋深较大，使得拱底土压力大于拱顶土压力。另外由于隧道周围地层条件复杂，拱顶以上为黏土、砂土等软弱地层而拱底以下为基岩，刚度大，即使较小变形也能引起较大外力，从而使得拱底处最大主应力峰值最大。由图3可知：列车振动荷载作用下盾构管片不同位置处的最大主应力时程波动幅度不一致，其中拱顶、拱肩最大主应力振动幅度最小，而拱腰、拱脚波动幅度次之，拱底最大主应力随时间振动幅度最大。

由上可知，高速铁路列车振动荷载作用下拱底始终为隧道结构受力最不安全位置，其最大主应力峰值决定着结构瞬时安全性以及长期作用下的疲劳性能。选取拱底最大主应力作为指标，研究不同埋深条件下管片动力响应特征。

不同埋深条件下隧道拱底最大主应力时程曲线见图4，隧道拱底最大主应力峰值随埋深变化曲线见图5。

图4 不同埋深条件下隧道拱底最大主应力时程曲线

图5 隧道拱底最大主应力峰值随埋深变化曲线

由图4可知：①埋深5～10 m时拱底最大主应力随时间变化明显，这是由于隧道埋深较浅时，管片受上部高速铁路列车振动荷载影响较大。但是不同埋深条件下拱底最大主应力变化趋势差别不大，这是由于埋深5～10 m时，随着埋深增加高速铁路列车振动荷载产生的动应力减小，围岩压力产生的静应力增大，两者变化幅度基本一致，因此相同时刻管片受力基本恒定。②埋深13～16 m时，隧道拱底最大主应力时程曲线变化幅度不大。这是由于围岩压力产生的静应力分量较大，而高速铁路列车振动荷载产生的动应力分量随埋深增加而变小，从而引起拱底最大主应力趋于恒定。

由图5可知：随着埋深增加隧道拱底最大主应力峰值先减小后增大，其中作用到盾构管片上的高速铁路列车振动荷载随埋深增加而减小，而围岩压力随埋深的增加而增大。隧道埋深7 m时拱底最大主应力峰值最小，约为1.21 MPa。总的来说，埋深较小时高速铁路列车振动荷载是盾构管片受力的主要因素，埋深较大时围岩压力是盾构管片受力的主要因素。

3.2 埋深10 m时盾构管片竖向加速度时程响应

盾构管片不同位置竖向加速度时程响应曲线见图6，盾构管片不同位置竖向加速度峰值见图7。从图6 和图7可以看出：不同位置处管片竖向加速度时程曲线未表现出明显的差异性，加速度峰值相差不大。拱顶处的竖向加速度峰值最大，接下来依次为拱肩、拱腰、拱脚、拱底。这是由于隧道周围地层上软下硬，且分块式衬砌结构整体刚度相对较差，变形适应能力更强，盾构管片上的竖向加速度随着埋深的增加而减小。

图6 盾构管片不同位置竖向加速度时程曲线

图7 盾构管片不同位置竖向加速度峰值(单位：m/s2)

3.3 不同埋深时盾构管片连接螺栓最大主应力时程响应

不同埋深条件下盾构管片连接螺栓最大主应力时程曲线见图8。可以看出：盾构管片纵向连接螺栓最大主应力峰值远大于环向连接螺栓。这是由于动荷载作用下沿隧道纵向的管片环与环之间的相对错动较大，纵向连接螺栓受力较大。而管片分块之间通过环向螺栓连接形成闭合圆环，受力稳定，变形相对较小，因此环向连接螺栓受力较小。

图8 不同埋深时管片连接螺栓最大主应力时程曲线

管片连接螺栓最大主应力峰值随埋深变化曲线见图9。可以看出：埋深由5 m增至13 m时，螺栓最大主应力峰值逐渐减小，埋深超过13 m后趋于稳定，说明埋深超过13 m后动荷载对螺栓受力影响较小。纵向连接螺栓最大主应力峰值随着埋深的增加由30.35 MPa 减至13.86 MPa。环向连接螺栓仅小幅减小，说明动荷载作用下盾构隧道变形以环与环之间错动为主，环内管片分块之间的错动相对较小。