不同土质围岩条件下隧底围岩脱空规律与结构受力特征研究

2020-04-21傅支黔段儒禹聂大丰董宇苍

隧道建设(中英文) 2020年3期

傅支黔，段儒禹，聂大丰，华阳，董宇苍, *

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

0 引言

目前，世界范围内的货物列车重载运输技术发展十分迅速，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到各国铁路行业的广泛重视[1-3]。隧道作为重载线路的关键组成部分，其服役过程中的安全稳定直接影响重载铁路运输技术的发展与推广。而重载铁路隧道隧底结构受到列车长期作用时，往往会引发隧底结构脱空、下沉等病害，严重降低隧道服役寿命，制约重载铁路的高效运营[4-6]。因此，重载铁路隧道隧底脱空问题引起了国内外学者的广泛关注。

目前，针对重载铁路隧道隧底脱空问题，国内外相关学者已经开展了大量深入研究。程建平[7]明确了基底混凝土厚度参数对重载隧道结构受力的影响规律。李力[8]基于隧底病害产生机制，给出了重载铁路隧道基底加固建议措施。孟宪洪[9]提出了重载铁路隧道翻浆冒泥病害的整治技术。常凯等[10]根据重载铁路隧底病害起因，给出了相应的换底整治技术关键参数。华阳[11]探明了隧底与围岩接触面积对围岩接触压力的影响规律。彭立敏等[12]基于现场测试，给出了列车激振荷载作用下隧底结构的加速度响应特征。Degrande等[13]基于现场实测，给出了不同轴重、列车激振荷载下隧道结构各关键点的受力特征。文献[14]基于实车试验，明确了列车激振荷载作用下隧道结构振动与加速度响应特征。邹文浩[15]探明了重载铁路动力响应特征并建立了重载隧道服役状态评价体系。刘宁等[16]给出了不同基底条件对重载铁路隧道服役寿命与动力响应的影响规律。李自强等[17]探明了不同轴重下隧底结构的动力响应特征。Jones等[18]基于边界元-有限元耦合方法，得到了不同衬砌结构形式下隧道振动响应传播规律。

综上所述，目前针对列车激振荷载作用下铁路隧道隧底结构问题的研究，主要集中在列车激振荷载计算方法、隧底结构动力响应特征以及隧底病害整治措施等方面。而对于隧底围岩脱空演变过程研究仍不充分、不全面，不同脱空类型条件下隧底结构受力特征尚不明确。鉴于此，本文采用室内模型试验方法，首先探明不同土质围岩类型下底板、仰拱隧底结构背后围岩脱空规律，给出了底板、仰拱隧底结构围岩脱空类型；进而，采用三维有限元数值分析软件，分析不同脱空类型对隧底结构内力的影响，明确不同脱空类型条件下隧底结构受力特征。研究成果以期为重载铁路隧道隧底结构设计、病害防治提供理论支撑及指导作用。

1 室内相似试验设计

f(σ,ε,E,μ,X,L,γ,c,φ,R,ρ,u,a,v,t)=0。

(1)

进而，试验以几何相似比CL=1∶20、容重相似比Cγ=1∶1为基础相似比，可得出其余试验所需物理参数相似比。室内相似试验所需物理相似比如表1所示。

表1 室内试验物理量相似比

1.1 相似材料

1.1.1 围岩相似材料

本次试验分别设计卵石土、黏性土和砂质土3种不同土质围岩类型试验工况，3种土质围岩宏观力学参数均根据《铁路隧道设计规范》[22]中Ⅴ级围岩力学参数进行取值。围岩相似材料以各工况原始土样作为基础材料，根据目标力学参数值，添加石膏进行混合配制，直至围岩相似材料力学宏观参数满足试验要求。围岩原型与模型物理力学参数如表2所示。

表2 围岩原型与模型物理力学参数

Table 2 Physico-mechanical parameters of surrounding rock prototype and model

围岩重度/(kN/m3)变形模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa原型17.01.400.3520.050.0模型16.80.050.3421.52.5

1.1.2 隧底结构相似材料

本次试验中，以单线重载铁路隧道为原型隧道断面，如图1所示。根据重载铁路病害调研、隧道结构受力现场测试结果可知，列车激振荷载主要对隧底结构产生显著影响，且隧底结构病害严重[15]。因此，本次室内试验中仅模拟隧底结构，而不模拟拱墙结构。同时，本次试验主要目的为获得隧底围岩的脱空演变过程，并非隧底结构动力响应特征。为方便试验操作，在浇筑隧底结构时，将道床、填充层以及底板(仰拱)结构进行统一浇筑，隧底结构相似材料采用石膏与水混合浇筑成型。不同隧底结构形式相似模型如图2所示。原型与模型隧底结构力学参数如表3所示。

(a) 底板型式 (b) 仰拱型式

图1 单线重载铁路隧道原型断面图(单位： cm)

Fig. 1 Prototype cross-section of single-track heavy-haul railway tunnel (unit: cm)

图2 不同隧底结构形式相似模型图

Fig. 2 Similarity model sketches of different tunnel bottom structure forms

表3 原型与模型隧底结构混凝土材料

Table 3 Parameters of prototype and model tunnel bottom structure concrete material

力学参数原型值模型值单轴抗压强度/MPa17.00.850弹性模量/GPa29.51.475

1.2 试验装置

本次模型试验在自行设计的重载铁路隧底围岩脱空演变试验平台上进行。试验平台包括主体试验箱、列车荷载加载系统、隧底结构与围岩材料3部分。

主体试验箱采用有机玻璃板进行制作，可随时观测隧底围岩脱空演变过程。试验箱宽度为30 cm(按单线隧道宽度换算得出)，长度为40 cm(按单节重载列车长度换算得出)，高度为30 cm。同时，在主体试验箱两侧分别设置左、右渗流通道，为主体试验箱内地下水以及流失土颗粒提供渗流出口，使隧底围岩在列车激振荷载-地下水作用下产生围岩颗粒流失现象。主体试验箱如图3所示。

图3 主体试验箱(单位： cm)

1.3 列车模拟装置

根据单线重载铁路隧道列车激振荷载现场激振测试数据可知，实测道床顶面最大激振力可达170 kPa，实测道床表面激振荷载振动周期为0.77 s[23]。列车激振荷载模型试验中列车荷载通常视为单向脉冲应力波，其形式为正弦波形，表达式见式(2)[24]。因此，在本次试验中，采用可调周期振动电机对隧底模型表面施加单向正弦应力波的方式，模拟列车激振荷载作用。其中，振动周期设置为1 s，施加振动力设置为10 kPa。道床表面激振荷载时程曲线及激振荷载振动器如图4所示。

F(t)=Fmaxsin(2πft)。

(2)

式中：Fmax为峰值激振荷载，kPa；f为周期频率，s；t为激振荷载作用时间。

(a) 道床表面激振荷载时程曲线

(b) 激振荷载振动器

Fig. 4 Time-history curves of vibration load on surface of tunnel bed of single heavy-haul railway tunnel and vibration exciter

1.4 试验工况及流程

为获得不同土质围岩类型下底板、仰拱结构形式背后围岩脱空演变规律，本次试验中设置6组试验工况，如表4所示。

表4 试验工况

试验流程如下： 1)首先以10 cm高度分层填筑围岩相似材料，并在每层压实后取样检测其宏观力学参数满足试验工况要求；待围岩相似材料填筑完毕后，向模型箱注入，以实现围岩富水状态。2)安装隧底结构模型，保证与围岩相似材料密贴；进而，在隧底结构表面安装列车激振模拟装置。3)待试验各部分结构安装完毕后，进行围岩脱空试验；试验完成后，依次记录不同工况下围岩颗粒流失质量、围岩脱空类型。单次工况数据记录完成后，清空主体模型箱，更换围岩相似材料试验，再次进行下组工况试验。试验过程如图5所示。

(a) 围岩材料填筑

(b) 列车激振、隧底结构布置

2 不同围岩类型条件下底板、仰拱隧底结构围岩冲刷脱空特征

2.1 不同围岩类型条件下围岩冲刷量

富水条件下隧底围岩在列车激振-地下水耦合作用下会发生颗粒流失现象，如图6所示。

图6 激振-地下水耦合作用下围岩细颗粒流失现象

Fig. 6 Loss of fine particles in surrounding rock under excitation-groundwater coupling

通过分析不同围岩类型、隧底结构条件下围岩颗粒流失量，以获得相应工况的围岩颗粒流失特征。3种不同土质围岩类型下底板、仰拱隧底围岩细颗粒流失量如图7所示。

图7 不同围岩类型下细颗粒流失量

Fig. 7 Fine particle loss under different types of surrounding rocks

由图7可知，相同隧底结构形式下，不同围岩类型工况的细颗粒流失量差异较大，黏性土围岩细颗粒流失量最大，砂质土细颗粒流失量最小。以底板结构形式为例，黏性土围岩细颗粒流失量为1 445 g，而砂质土围岩流失量为1 026 g。分析认为，黏性土由于颗粒平均直径较小，动水压力作用下细小颗粒易率先发生流失现象，且小直径颗粒所占比重较高，围岩流失过程中易形成较大流失通道，引发颗粒进一步大范围的流失，最终导致颗粒流失总量最大。而相对于黏性土，砂质土颗粒粒度相对较大，且颗粒级配较为均匀，当小颗粒发生流失现象时，大颗粒在自重作用下不易发生流失现象，且大颗粒对细颗粒迁移产生一定阻力，会阻碍小颗粒迁移现象的发生，因此颗粒流失总量最小。在相同土质围岩类型条件下，底板结构围岩颗粒流失量均比仰拱结构颗粒流失量大，以卵石土为例，仰拱结构围岩颗粒流失量为941 g，而底板结构围岩颗粒流失量增加到1 163 g，增加了23.6%，说明底板形式的隧底结构在列车激振作用下更易发生围岩劣化脱空现象。

综上所述，当列车激振荷载作用于相同隧底结构形式时，黏性土、卵石土、砂质土3种隧底围岩脱空程度依次降低；在相同隧底围岩类型条件下，相比于仰拱结构形式，底板结构形式更易发生围岩脱空现象。

2.2 卵石土围岩底板、仰拱隧底结构围岩脱空特征

图8分别示出卵石土工况下底板、仰拱结构围岩脱空特征。由图8可知，在列车激振荷载作用下，隧底围岩颗粒流失量逐渐增大，底板、仰拱结构均会发生整体下沉现象，下沉量约为1 cm。同时，对比卵石土工况下底板结构与仰拱结构脱空类型可知，2种不同隧底结构形式下围岩脱空类型均表现为局部小范围脱空，且局部脱空位置均在隧底结构两侧靠近渗流出口位置处。卵石土围岩所表现出的小范围局部脱空特征，主要是由于卵石土自身性质决定：卵石土通常颗粒级配较差，颗粒直径离散程度较大，且孔隙率较大。当列车激振荷载作用时，细小颗粒经由内部孔隙通道发生流失现象，而大直径颗粒在自重作用下不发生迁移与流失，从而造成局部小范围脱空。当列车荷载长期反复作用时，卵石土围岩最终会形成多处小范围局部脱空。

(a) 底板结构围岩脱空

(b) 仰拱结构围岩脱空

Fig. 8 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in pebble soil

2.3 黏性土围岩底板、仰拱隧底结构围岩脱空特征

图9分别示出黏性土工况下底板、仰拱结构围岩脱空特征。

(a) 底板结构围岩脱空 (b) 仰拱结构围岩脱空

图9 黏性土底板、仰拱围岩脱空

Fig. 9 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in cohesive soil

由图9可知，在黏性土工况下，底板、仰拱结构形式均表现为整体性脱空，且脱空位置均在隧底结构两侧边缘位置，即靠近渗流出口位置。分析认为，由于黏性土颗粒平均直径较小，且颗粒直径范围较为接近，当列车激振荷载作用时，黏性土中细小颗粒率先发生流失，并随着流失量的增加，逐渐形成流失通道，从而导致较大颗粒经由流失通道发生进一步流失现象，最终导致整体性的脱空特征。同时，由脱空发生位置可知，黏性土整体脱空演变过程由隧底结构两端渗流出口附近逐渐向围岩内部扩展。因此，当列车荷载长期反复作用时，隧底黏性土围岩最终会形成整体性脱空。

2.4 隧底砂质土围岩底板、仰拱隧底结构围岩脱空特征

图10分别示出砂质土工况下底板、仰拱结构围岩脱空特征。

(a) 底板结构围岩脱空 (b) 仰拱结构围岩脱空

图10 砂质土底板、仰拱围岩脱空

Fig. 10 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in sandy soil

由图10可知，在砂质土工况下，底板、仰拱结构均表现出隧底结构中部位置附近大范围脱空、两侧出现“凸起”硬块的脱空特征。造成这种脱空类型主要是因为列车激振作用下，砂质土颗粒流失过程呈现由两侧向中间扩展趋势，从而逐渐形成中部位置大范围脱空；同时，在形成中部大范围脱空过程中，某些颗粒在迁移过程中由于遇到较大颗粒阻碍而停止迁移，导致该位置区域颗粒密度增加，加之列车激振荷载作用对该区域颗粒产生击实作用，最终导致“凸起”硬块。

综上所述，在相同土质围岩类型条件下，不同隧底结构形式对围岩脱空类型影响较小；隧道围岩脱空演变过程呈现由隧底结构两侧逐渐向中部位置扩展的趋势。在列车激振荷载长期反复作用下，卵石土围岩脱空类型为多处局部小范围脱空；黏性土围岩脱空类型为整体性脱空；砂质土围岩脱空类型为隧底结构中部区域大范围脱空。列车荷载长期作用下，3种不同土质围岩最终脱空类型如图11所示。

(a) 卵石土

(b) 黏性土

Fig. 11 Cavity types of surrounding rock under different soil surrounding rock conditions

3 不同脱空类型条件下隧底结构受力特征

基于获得的不同土质围岩条件下隧底围岩脱空类型，建立实体单元-荷载结构模型，分析不同围岩脱空类型条件下隧底结构受力特征。

3.1 数值计算模型

衬砌结构采用实体单元Solid45进行模拟，材料取值按原始试验参数值进行选取。围岩被动抗力作用采用Combin39弹簧单元进行模拟，围岩抗力系数按V级围岩抗力系数200 kPa/m3进行取值；主动抗力作用采用集中荷载形式进行模拟，荷载量值按《铁路隧道设计规范》中深埋围岩压力计算方法进行计算取值。列车荷载按单线铁路最不利情况考虑，采用拟静力方式进行施加，施加方式与李自强[25]所采用施加方式相同。数值模拟尺寸与单线铁路隧道原型断面尺寸相同。

根据2种隧底结构形式，本次数值模拟试验共设置8种试验工况，分别计算不同隧道结构形式及脱空类型下隧底结构受力特征。每组数值模拟工况下，针对底板、仰拱结构形式，分别在左、右两侧及中部位置设置关键点，计算各关键点弯矩、轴力。数值模拟脱空类型及监测点布置如图12所示。

3.2 无脱空、整体脱空工况下隧底结构受力特征

无脱空、整体脱空工况下仰拱、底板结构弯矩轴力变化曲线如图13所示。

(a) 无脱空

(b) 小范围脱空

(d) 整体脱空

(a) 关键点弯矩变化曲线图

(b) 关键点轴力变化曲线图

图13 无脱空、整体脱空工况下仰拱、底板结构弯矩变化曲线

Fig. 13 Bending moment variation curves of inverted arch and floor structure under no cavity or overall cavity condition

由图13(a)可知，在隧底围岩无脱空条件下，底板、仰拱结构中部主要受负弯矩作用，底板负弯矩最大值为-50.29 kN·m，仰拱负弯矩最大值为-20.64 kN·m，均位于结构中点附近；而底板、仰拱结构左右两侧主要受正弯矩作用，底板正弯矩最大值为26.17 kN·m，仰拱正弯矩最大值为25.6 kN·m，均位于结构左右两侧附近。当隧底围岩发生整体脱空时，底板、仰拱结构受力均发生明显变化，结构中部位置附近主要承受正弯矩作用，底板正弯矩最大值为80.24 kN·m，仰拱正弯矩最大值为60.17 kN·m；底板、仰拱结构两侧主要承受负弯矩作用，底板负弯矩最大值为-13.48 kN·m，仰拱负弯矩最大值为-30.1 kN·m。

由图13(b)可知，在隧底围岩无脱空条件下，底板、仰拱结构各关键点轴力分布较为均匀。当隧底围岩完全脱空时，底板、仰拱结构各关键点轴力均发生明显减小，底板结构最大轴力由未脱空时的260.53 kN减小至189.6 kN，减小了27.2%；仰拱结构最大轴力由未脱空时的295.3 kN减小至222.68 kN，减小了24.5%。同时，当隧底围岩整体脱空时，底板、仰拱结构轴力分布均呈“中间大、两端小”的分布特征。

无脱空与整体脱空工况下底板、仰拱结构第一主应力云图如图14所示。

由图14可知，无脱空工况下底板、仰拱结构中部受负弯矩作用、两端受正弯矩作用，使底板、仰拱结构均呈现中部内侧受拉、外侧受压的应力特征。当隧底围岩发生整体脱空现象时，底板、仰拱受力特征的改变导致结构主应力分布形式也发生明显变化：底板结构呈现内侧压应力集中、外侧拉应力集中现象，且底板外侧中部位置最大拉应力为7.35 MPa，已超过结构极限抗拉承载能力，底板结构已发生损坏；而仰拱结构呈现全截面受拉特征，且仰拱结构外侧最大拉应力为4.46 MPa，已超过结构极限抗拉承载能力，此时仰拱结构外侧已发生张拉破坏。同时，对比相同脱空工况下底板、仰拱结构内力特征可知，当发生隧底围岩脱空时，相比于仰拱结构，底板结构受力特征变化较为剧烈，应力集中现象更为明显，更易发生结构破坏。

3.3 局部小范围、大范围脱空工况下隧底结构受力特征

局部小范围、大范围脱空工况下底板、仰拱结构各关键点弯矩、轴力变化曲线如图15—16所示。

由图15可知，当底板、仰拱结构中部及左、右两侧发生局部脱空现象时，底板、仰拱结构中部位置所受弯矩均由无脱空时的负弯矩作用转变为正弯矩作用，使隧底结构中部外侧产生拉应力集中；底板、仰拱两侧位置所受弯矩均由无脱空时的正弯矩作用转变为负弯矩作用，使隧底结构两侧产生压应力集中。并且，随着脱空范围的增大，弯矩变化量呈增大趋势。