重载铁路隧底结构病害特点及疲劳损伤机理分析

霍建勋

(中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

重载铁路隧底结构承担列车的动荷载作用，随着列车轴重的增加隧底结构受影响程度增大，导致隧底结构频发下陷、破损等病害。这些病害的发生对行车条件、隧道维护周期、隧道使用寿命等具有不利影响，严重制约重载铁路高效安全服役。预防和治理重载铁路隧底结构病害已成为隧道建设和运营亟待解决的问题。因此，开展重载铁路隧底病害特点及损伤机理分析十分必要。

针对重载铁路隧底结构的损伤机理，国内外学者已经开展了一定的研究。文献[1-2]结合隧底结构试验结果，采用有限元软件确定了隧底结构在列车振动荷载作用下的危险部位及疲劳使用寿命。文献[3]采用1∶2的相似模型研究了隧底在富水条件下疲劳破坏情况。文献[4-5]结合朔黄铁路隧道的现场调研情况，研究了不同围岩条件下隧底填充层的疲劳损伤。文献[6]结合模型试验与理论分析研究了隧底结构疲劳累积损伤机理。文献[7-8]通过采用混凝土塑性损伤本构模型进行有限元计算，研究了不同工况下隧底结构疲劳损伤分布规律及动力响应特性。

以往研究多针对结构疲劳损伤机理，对重载铁路隧道结构疲劳寿命预测的相关研究相对较少。本文在重载铁路隧底病害现场调研的基础上，分析隧底结构病害的主要特征，确定疲劳损伤的主要影响因素，利用有限元软件预测结构疲劳寿命，为重载铁路隧道的设计提供指导。

1 重载铁路隧底结构病害特点

目前，我国已开通大秦铁路、朔黄铁路、瓦日铁路和张唐铁路4条重载铁路，通过现场调查120座重载铁路隧道，发现隧底结构主要存在以下5种病害：

1)隧底下沉

朔黄铁路出现隧底下沉的隧道有48座，占全线隧道的62.3%，其中长梁山隧道隧底下沉严重区段每月沉降量达到5～15 mm。累计长度482.7 m。

2)翻浆冒泥

在重载列车的长期碾压和地下水的综合作用下，隧底结构出现翻浆冒泥，影响重载铁路的运营安全。

3)侧沟外挤

由于我国重载铁路隧道主要运输煤炭，在列车运输过程中煤灰进入两侧侧沟使其堵塞，同时隧底结构变形等造成了侧沟外挤。

4)混凝土破损

由于混凝土厚度未达到设计要求形成空洞，导致部分隧底结构混凝土破损较为常见。随着围岩变差破损愈发严重。累计长度 6 311.7 m。

5)混凝土不密实

重载铁路隧道中由于施工误差、围岩劣化等因素，造成隧底结构与底部围岩无法完全接触，从而使得混凝土不密实。该病害常伴随其他病害同时发生。

2 重载铁路隧底结构病害分析

采用高密度电法、地质雷达法等无损检测技术对隧底结构病害进行检测，结果见表1。

表1 隧底结构病害分布 m

从表1可以看出：病害连续长度集中在3～9 m区间，约占67.2%，其中3～6 m区间病害累计长度最长，达 2 354.5 m，占43.8%。

隧底结构混凝土破损和混凝土不密实这2种病害的分布见表2。

表2 混凝土破损和混凝土不密实病害的分布 m

隧底结构最为普遍的病害是混凝土破损，连续长度集中在3～9 m区间，部分病害区段连续长度大于15 m;其次是混凝土不密实，连续长度均不超过15 m，其中3～6 m区间病害累计长度最长，达163.5 m。

通过统计分析这2种病害发生的区段，74.5%的隧底结构混凝土破损地段也存在混凝土不密实。

不同围岩级别条件下病害段的累计长度见图1。

图1 不同围岩级别条件下病害段的累计长度

从图1可以看出：Ⅲ级围岩病害段累计长度最短，约占Ⅲ级围岩段总长 11 790 m的17.2%；Ⅳ级、Ⅴ级围岩病害段累计长度相差不大，其中Ⅳ级围岩病害段累计长度占其区段总长 11 790 m 的25.1%，Ⅴ级围岩病害段累计长度占其区段总长 11 790 m 的26.2%。总体上表现为围岩越差病害越严重。

由以上对隧底结构病害的分析可以得出：①重载铁路隧底病害连续长度主要集中在3～9 m区间。②隧底结构混凝土破损比较普遍，混凝土不密实次之，并且大部分混凝土破损伴随着混凝土不密实发生。③不同围岩级别病害率(病害累计长度与总长之比)为Ⅲ级(17.2%)<Ⅳ级(25.1%)<Ⅴ级(26.2%)，表现为围岩越差病害越严重。

3 重载铁路隧底结构病害影响因素

为了进一步研究重载铁路隧底结构损伤机理，综合分析现场病害调查结果，总结出影响隧底病害的几个主要因素。

1)大轴重、高频次列车动荷载

与客货共线铁路隧道相比，重载铁路隧道病害集中发生在隧底；与线间、空车线侧等受动荷载影响较小的位置相比，重载铁路隧道重车线侧直接承受列车荷载，病害率更高，病害范围更大。这表明大轴重列车动荷载作用将率先导致隧底病害的出现，即大轴重列车动荷载是引起隧底病害的直接因素。

2)存在缺陷的隧底围岩

围岩在天然状态下都具有一定程度的缺陷，在大轴重列车动荷载循环作用下隧底围岩缺陷被放大，损伤逐渐积累，隧底病害也随之产生，所以有缺陷的隧底围岩为隧底病害的源头。

3)地下水作用

重载铁路隧底损伤少不了地下水的参与，这一点可以从朔黄铁路、大秦铁路隧底病害的调研结果得到验证。朔黄铁路隧底病害多发区段围岩条件较差，主要表现为不整合接触、结构松散、节理发育、风化严重等。从水文条件来看，隧底病害区段均有不同含量的裂隙水存在。大秦铁路隧底病害主要表现为由雨季渗漏水引起的翻浆冒泥等，这主要由隧道所在区段地下水和列车动荷载循环作用相互影响所致。

综合分析以上影响因素可知，有缺陷的隧底围岩和地下水为损伤的发展提供了客观条件，相比普通铁路列车，重载铁路列车动荷载的循环作用更容易使隧底围岩与结构损伤迅速累积，导致隧底结构病害的出现。因此，重载列车的大轴重是隧底结构病害的主要影响因素。

4 重载铁路隧底结构疲劳损伤分析

隧底结构混凝土破损主要为列车动荷载循环作用后出现的疲劳破坏。当前主流的疲劳损伤计算方法主要有基于试验获得的S-N曲线预测疲劳累积的名义应力法[9]。

4.1 疲劳损伤理论

隧底结构为钢筋混凝土结构，结构的疲劳损伤表现为高周疲劳，即疲劳过程中不可恢复的应变仅由微塑性引起。应力值一般低于结构的屈服极限，但循环次数较高，一般超过10万次。故本文采取基于S-N曲线预测疲劳累积的名义应力法来分析重载铁路隧道的疲劳损伤问题。

S-N曲线为疲劳寿命曲线。其中：S为应力，此处指重载列车动荷载循环中的应力幅值σa；N为疲劳次数。σa的计算公式为

(1)

式中：σmax，σmin分别为重载列车动荷载循环中最大应力和最小应力。

由疲劳试验得到的最大应力与最小应力，可计算出不同应力对应的疲劳次数。计算公式为

lgN=16.67-16.76St max+5.17St min

(2)

式中:Smax为最大应力水平，Smax=σmax/f，f为材料极限强度；Smin为最小应力水平，Smin=σmin/f；t为荷载作用时间。

将式(2)输入软件中，即可自动拟合得到混凝土材料的S-N曲线。此外，在软件计算中还定义了平均应力修正法则，考虑了平均应力σm对疲劳寿命的影响。平均应力σm的计算公式为

(3)

综上可以看出，隧底结构的疲劳寿命由其应力幅值与平均应力共同决定。

4.2 疲劳损伤计算

由于Ⅴ级围岩条件下隧底结构病害段累计长度最长，病害最为严重，因此本文以V级围岩为例，采用ANSYS中Workbench模块研究双线铁路隧道(左线通行重载列车，右线通行普通列车)按设计使用寿命100年进行计算。依据计算结果分析隧底结构损伤机理。

建立重载列车荷载作用下轨道-隧道-地层三维耦合精细化结构模型，采用三维实体单元Solid185来模拟，见图2。Ⅴ级围岩和结构用材料的物理力学指标依据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》选取，并对锚杆、配筋等进行等效处理，具体取值见表3、表4。

隧底各部位损伤云图见图3，损伤情况见表5。其中，损伤值=疲劳寿命/设计寿命。

图2 计算模型

重度/(kN·m-3)弹性反力系数/(MPa·m-1)变形模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPa计算摩擦角/(°)17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.2040～50

表4 结构用材料的物理力学指标

图3 隧底各部位损伤云图

部位最大损伤值最早损伤时间/年损伤破坏位置重载线路普通线路重载线路普通线路重载线路普通线路道床8.55.11220重载线路轨道下方仰拱填充层5.23.31930重载线路轨道下方仰拱4.22.02449重载线路下方区域

由图3和表5可得：①双线隧道底部结构中道床、仰拱填充层和仰拱均出现了损伤，只是损伤程度和出现的时间不同。说明2种线路在荷载长期作用下隧底结构承受的荷载较大，并且长期处于疲劳损伤状态。②双线隧道道床、仰拱填充层和仰拱损伤出现的时间由上至下逐渐变晚，隧道运行12年后重载线路的道床最早出现损伤。③双线隧道内道床、仰拱填充层和仰拱损伤影响范围由上至下逐渐增大。可能是由于重载线路列车荷载在隧底结构中的传递随着竖向深度的增加不断衰减，道床结构因直接承受列车荷载致使疲劳损伤更集中，仰拱位于最下层，列车荷载扩散故影响范围更大。④重载线路侧损伤明显早于和大于普通线路侧，但两侧疲劳损伤整体分布规律基本相同。普通线路侧道床也在隧道运营20年后出现了损伤，说明在普通列车长期作用下该位置线路也处于较危险状态，且双线隧道的道床最危险。

5 结论

本文对现场病害调查结果进行分析，得出隧底结构病害主要为隧底下沉、翻浆冒泥、侧沟外挤、混凝土破损和混凝土不密实。隧底结构病害连续长度多集中在3～9 m区间，围岩越差隧底病害越严重。

通过数值模拟发现，在重载列车荷载长期作用下隧底结构道床、仰拱填充层和仰拱均出现了损伤，且出现时间由上至下逐渐变晚。运行12年后重载线路的道床最早出现损伤。轨枕下方损伤影响范围由上至下逐渐增大。另外，在重载列车荷载和普通列车荷载的长期作用下普通线路也处于较危险状态。普通线路侧道床在隧道运营20年后也出现了损伤。