公轨合建大直径盾构隧道车辆振动响应数值分析

2019-11-29周坤

铁道标准设计 2019年12期

周坤

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

随着我国轨道交通的快速发展，盾构法因其速度快、安全高效、对航道影响小等优点，逐渐成为跨海越江隧道施工的首选工法[1-2]。然而，地铁列车运行引起的地基结构破坏，土体液化及振陷已经在南京、广州等多个城市出现[3-6]。由于轨道不平顺，长期耦合振动荷载会诱发隧道结构产生动力响应，隧道管片可能会出现开裂、剥落等问题，并使原有的损伤和破坏对结构产生更不利的影响[7]，而土体液化则会导致下卧层土体沉降过大，加剧轨道的不平顺，增大列车动荷载，对行车安全有很大的影响[8-11]。

针对列车振动对隧道结构方面的影响，丁祖德、彭立敏[12]等建立隧道-围岩耦合作用的动力有限差分计算模型，研究了围岩条件、列车运行速度、隧道底部结构厚度以及基底软弱层厚度的不同对列车振动荷载作用下隧道的结构动力响应特征。孙晓静[13]采用理论分析、现场测试、数值模拟及原型试验等多种研究方法，完成了地铁振动现状的测试与分析、隧道-地层系统振动特性分析、地表振动响应预测分析、轨道减振性能研究分析、环境振动影响分析等多项工作。黄庆祥[14]建立了地铁荷载下的隧道动力响应模型，对衬砌内力及位移进行监测分析。黄强等[15]通过隧道-地基-钢轨-扣件纵向模型得到作用于隧道道床上的列车荷载，研究了再饱和软土地层中，二维和三维计算模型的振动响应规律。张碧文[16]以广州地铁为例，通过ABAQUS建立三维耦合模型，研究列车荷载作用下盾构隧道衬砌及螺栓的动力响应。

针对振动液化方面的研究，Seed等[17]通过室内动三轴试验，提出了液化的判别方式，认为应从应力状态作为判别砂土液化的标志。Casagrande等[18]认为应以变形作为液化的判别标志，并首次提出“实际液化”的概念。宫全美等[19]通过室内试验建立了荷载作用下的列车孔压累积模型，分析了地基液化性与轨道变形、轨面平顺度的关系。唐益群[20]根据实测数据和室内GDS试验，得出了适用于软黏土中的孔隙水压力发展模型。付海清等[21]通过现场试验，对砂土液化过程中孔压与剪应变关系进行研究并给出两者关系表达式。

三阳路长江隧道是国内首个跨江公铁合建盾构隧道，隧道内部结构所受荷载由地铁和汽车振动引起，在国内鲜有对两种荷载耦合作用的研究，且隧道基底部分穿越透水性较强的粉细砂层上，下覆粉细砂层的稳定性也成为了值得关注的重要问题。因此本文通过动力有限元方法，选取江中盾构段的最不利断面，分析隧道结构动力响应特征及粉砂基地层的液化情况，讨论隧道结构安全性问题。

1 工程背景

三阳路长江隧道是国内首个跨江公铁合建大盾构隧道，线路北起汉口三阳路，南接武昌秦园路(图1)，是武汉市轨道交通7号线一期工程的关键工程。主线全长4 650 m，根据结构形式不同分为江中盾构段、工作井、明挖暗埋段及敞开段等区段，其中，盾构段长2 590 m，隧道横断面为双孔圆形结构，管片外径15.2 m，管片厚度0.65 m。隧道采用双向六车道公铁合建方案，即单线隧道具有3个公路车道和1条单向地铁线路，见图2。

图1 武汉三阳路长江隧道纵剖面

图2 武汉三阳路长江隧道盾构段隧道横断面

2 数值分析

2.1 2.5维有限元法

2.5维有限元法又称波数有限元法，其基本思想是先将结构截面不均匀二维区域进行空间笛卡尔坐标积分，然后再在有相同几何尺寸的方向进行波数域中的计算，最后将频域内求解的结果通过反变换可得三维空间中的解答[22-23]。该法既可极大地较少计算所需的单元数，节省计算时间，同时又能正确地考虑波在三维半空间中传播产生的马赫辐射效应，因此本文采用该计算方法，分析隧道结构动力响应特征及粉砂基地层的液化情况，讨论隧道结构安全性问题。

2.2 列车、汽车荷载的确定

三阳路长江隧道采用的是双向六车道公铁合建方案，即单线隧道具有3个道路车道和1单向地铁线路。考虑最不利情况，即3个道路车道同时受运行汽车作用，而隧道基底受列车振动荷载作用，见图3。

图3 交通荷载位置示意

地铁列车振动荷载计算中，取地铁列车为8节编组A型车，取地铁轨道为DTVI2扣件型轨道，并以美国轨道不平顺5级谱描述轨道表面的不平顺。列车轮轴示意见图4。地铁列车荷载由相应列车编组的各轮轴轴重组成，具体地，作用于左、右轨的列车荷载(图3)均可表示为

图4 列车轮轴空间分布(单位：m)

(1)

三阳路长江隧道单线隧道共计设置了3条公路车道，在考虑汽车移动荷载时，按3条车道同时受系列汽车荷载作用的最不利情况考虑。假定3条公路车道所受汽车荷载相同，且每条车道均受4辆相同的、等距排列的两轴汽车所组成的车队作用。在具体分析中，汽车运行速度取为80 km/h，汽车前后轴距取为2.8 m，左右轮距取为1.5 m，前后轮轴轴重均取为9 kN，相邻两车对应轮轴之间的距离保守地取为40 m。汽车荷载在横断面上的作用位置同样可参见图3，均可表示为

(2)

2.3 数值分析模型

2.3.1 数值模型

根据三阳路长江隧道地质勘查资料及纵断面图，选择江中盾构段的最不利断面——右线隧道里程RK1+573.4 m为计算断面。在该计算断面处，三阳路隧道上部位于较为软弱的粉质黏土层中，下部直接与透水性较强的粉细砂层邻接，隧道埋深为10.9 m，计算模型示意及隧道内部结构示意见图5。计算断面处的主要岩土参数取值见表1。本文主要对列车、汽车荷载同时作用下隧道-地层结构的动力响应特征进行研究，考虑最不利情况作为计算工况：列车速度100 km/h，汽车速度80 km/h。

图5 动力计算的2.5维数值模型

表1 各土层主要物理参数

2.3.2 监测点设置

在分析中，计算断面在2.5维数值模型中的纵向坐标设置为x=160 m。为了充分研究隧道结构及粉细砂层在交通荷载作用下的变形受力特征，在计算断面位置隧道衬砌结构上选取A1～A88个监测点，在计算断面位置隧道正下方粉细砂层中向下每隔5 m选择1个监测点，共计选择S1～S55个监测点，分析他们在列车、汽车运行过程中物理参量的动态变化特征。衬砌监测点A1～A8及粉细砂层监测点S1～S5空间位置参见图6。

图6 模型监测点示意

3 计算结果与分析

图7及图8为地铁列车(100 km/h)及汽车车队(80 km/h)联合作用下计算断面衬砌监测点的垂向位移响应及粉细砂层监测点的垂向位移响应。从图7、图8可以看出，在列车荷载和汽车荷载联合作用下，隧道衬砌结构及粉细砂层的垂向振动位移响应主要由1 Hz以下的低频成分组成；由于隧道周围地层较为软弱的缘故，在联合荷载作用下，隧道结构的各监测点具有波形、量值相似的垂向振动位移，而隧道结构不同部位间的相对变形量值很小；然而，在联合荷载作用下，粉细砂地层中监测点的振动量值随距隧道结构距离的增加衰减明显，其位移最大幅值在S1监测点为-0.425 mm，而在S5监测点则为-0.051 mm，衰减约88%；在地铁列车和汽车车队联合作用下，衬砌监测点的最大垂向变形约为-0.425 mm。

图9给出了地铁列车及汽车车队联合作用下典型时刻(t=8 s)计算断面上部分典型衬砌监测点的动应力时程。从图9可以看到，在交通荷载作用下，隧道结构的应力响应量值远远小于结构的承载能力，交通荷载对结构自身不会产生不利影响。

图10给出了地铁列车及汽车车队联合作用下粉细砂层监测点S1～S5的超静水孔隙压力及有效动应力随时间的变化规律。其中，图中的有效动应力并未考虑结构自重效应，是单纯由交通荷载引起的动应力的有效应力。

图7 衬砌监测点的垂向位移响应

从图10可以看到，在隧道正下方的监测点中，随着监测点距隧道距离的增大，超静孔隙水压力大体上呈现出减小的趋势，但当前工况下，超静孔隙水压力在粉细砂层中随距离的衰减相对较为缓慢；在考虑的联合荷载作用下，隧道下覆粉细砂层中的最大超静孔隙水压力为765 Pa；交通荷载引起下覆粉细砂层有效动应力随距荷载作用点距离增大的衰减极为迅速；在考虑的联合荷载作用下，隧道下覆粉细砂层各方向上的有效动应力在多数时刻均为压应力，只有监测点S2与S4之间的部分区域在列车及汽车通过期间，横向有效动应力大多时刻表现为拉应力。但该计算断面粉细砂层的垂向静有效应力≥∑γjhj=0.203 MPa(受压)，横向纵向静有效应力≥∑K0jγjhj=0.104 MPa(受压)，均显著大于列车通过过程中可能出现的动拉应力量值。因此，可以推断，在地铁列车及汽车耦合振动作用下，三阳路隧道的下覆粉细砂地层是稳定的，不会出现砂土液化的失稳现象。