25 t轴重荷载作用下隧底脱空区域受力特性分析

2020-04-26李又云孙永梅折惠东

铁道标准设计 2020年4期

李又云,孙永梅,折惠东,2

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安 710064； 2.中国市政工程西北设计研究院有限公司,兰州 730000)

引言

随着列车运行速度及轴重的不断提高，隧道隧底病害逐渐劣化。铁路隧道隧底病害主要表现为铺底混凝土局部开裂，底部翻浆冒泥。尤其铺底混凝土在经过长期的列车荷载作用，加之由于施工原因本就存在的缝隙或脱空区，混凝土易发生疲劳破坏，脱空区越来越大，裂缝不断拓展，最终导致铺底混凝土顶面开裂，如图1所示。

图1 隧底结构病害

鉴于此，国内外非常重视隧底结构问题，在隧底结构病害整治、数值分析和试验研究工作方面取得了一系列成果[1-4]。对隧底病害研究方面，牛亚彬[5]从工程实践的角度出发，对铁路隧道的各种病害现象进行了总结和归类，并对铁路隧道内衬砌开裂漏水和基底脱空、翻浆冒泥提出了治理方法。董风荣[6]总结了铁路隧道基底部分不同的病害机理，并发明了秘井暗管技术。在数值模拟方面，Jones[7]模拟了隧道断面为圆形和矩形两种情况的数值模型，分析了列车运行时隧道结构的动力响应。李德武等[8]采用有限元法分析了隧道及周围环境在列车振动下的响应，并具体研究了仰拱对列车振动的响应。邹文浩、吴秋军等[9-10]研究了列车荷载作用下重载铁路隧道基底结构的应力分布和动力响应，并针对由仰拱不同施工水平形成的3种主要基底结构形态进行对比分析。在实验方面，施成华[11]针对不同结构形式的隧道基底建立预测模型，得到各类型的预测寿命。高峰[12]建立地铁双层隧道的模型，分析了上行、下行和上下交会3种动载工况对隧道结构的影响。薛富春[13]针对隧道不同的底部结构形式，开展了循环动载试验研究工作。付兵先等[14]结合朔黄铁路三家村隧道基底在重载列车作用下的现场测试，系统分析了不同围岩区段基底填充层的动应力幅值。对隧底混凝土存在脱空现象的条件下隧道结构受力性能的研究较少，仅有的研究工作也是针对隧底不密实对隧道结构受力特性研究[15-16]，对于针对隧底脱空区域的受力特性专门报道研究尚未见到。

以Ⅳ级围岩的典型铁路隧道工程为依托，建立围岩压力与列车荷载作用下的隧底混凝土脱空区域的多种工况数值模型，研究了不同脱空区域位于不同位置时的受力特性，为今后铁路隧道隧底病害整治提供理论依据。

1 隧底脱空区域模型建立

1.1 模型工况

我国铁路隧道在施工时，存在隧底混凝土厚度达不到设计要求的现象。且参照襄渝线、包西线上等实际铁路隧道的断面情况，以Ⅳ级围岩的隧道平底断面为典型计算断面，设计行车速度为140 km/h条件下的单线铁路。

模拟时主要考虑围岩压力与列车荷载作用下的隧底脱空区域受力特性两种情况，结合实际隧道雷达检测与钻探资料的隧底脱空范围，模型中脱空区域厚度取10 cm，宽度取40 cm与80 cm进行对比。结合隧道跨度，脱空区距隧道中线横向距离以80 cm为间隔，脱空区距隧道中线距离分别为0，80，160 cm。脱空区具体布置情况见图2。

图2 隧底脱空示意

1.2 计算模型及材料参数

采用有限元软件ABAQUS建模，计算模型埋深取50 m。在确定计算范围时，水平方向上左右两侧各取50 m，底部边界取竖直方向上距离隧道中心50 m。数值模型中，采用六节点实体单元；其中，为直观看出衬砌部分的应力，初期支护和二次衬砌也采用实体单元，隧道基底采用人工手段剖分单元网格[17-18]。

1.3 材料参数的确定

采用围岩强度准则摩尔-库伦强度准则[19-20]，将隧道支护结构混凝土材料及隧道周边围岩简化成均质的、各向同性的弹性材料。具体数值分析计算参数见表1。

表1 材料参数

1.4 荷载施加

模型的荷载施加主要考虑列车轴重、行车速度、轨道不平顺等因素，在数值计算模型中列车动载的施加，可参照典型的激振力函数模拟

F(t)=k1k2(P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+

P3sin(ω3t))

(1)

式中，P0为列车轴重；Pi为典型振动荷载；ωi为振动圆频率；ki为分散系数。对应的取值参见文献[21]。

列车行车速度取140 km/h，轴重取25 t，则可得到列车动载作用的时程曲线如图3所示。依据列车行驶时间模型动载施加时间取两个周期。

图3 列车轴重25 t动载时程曲线

2 围岩压力下脱空区域的受力特性

2.1 隧底无脱空时隧道结构应力分布

隧底不存在脱空现象时，计算得到隧道结构的竖向应力分布如图4所示，该计算结果可作为分析脱空区受力特性的依据。

图4 正常断面隧底应力

2.2 脱空区域周围的受力特性

为研究围岩压力下脱空区域周围的受力特性，得到脱空宽度40，80 cm不同位置脱空区域受拉主应力云图见图5、图6，受压主应力云图如图7、图8所示。

图5 40 cm脱空区域周围受拉主应力云图

图6 80 cm脱空区域周围受拉主应力云图

图7 40 cm脱空区域周围受压主应力云图

图8 80 cm脱空区域周围受压主应力云图

根据图4和图5～图8对比分析可得，隧底脱空区的存在导致脱空区域及周围单位应力重新分布，且其应力分布规律发生显著变化。

由图5和图6可知，脱空宽度80 cm时的应力规律和脱空宽度40 cm时规律一致，脱空区的存在，会在区域中线上壁和外侧顶角混凝土中产生拉应力，且距隧道中线越远，中线上壁拉应力越小，外侧顶角混凝土拉应力越大。当脱空区距隧道中线1.6 m时，脱空宽度40 cm与80 cm脱空区外侧顶角出现的拉应力数值达到最大值，分别为320 kPa与315 kPa，可见脱空宽度的变化对拉应力的影响较小。

由图7和图8可知，脱空区的存在会在内侧顶角混凝土中产生压应力，随着区域距隧道中线越远，压应力集中范围逐渐变小，压应力数值逐渐增大。当脱空区距隧道中线1.6 m时，脱空宽度80 cm与40 cm脱空区压应力达到最大值，分别为4.3 MPa和1.6 MPa，压应力增大了169%，可见受压主应力对脱空的宽度更为敏感。

在围岩压力下，脱空区域的应力分布在40 cm与80 cm的脱空宽度情况时的规律基本一致，随着脱空位置距隧道中线的距离增大，角落处混凝土的应力集中现象越明显，其中脱空区周围受压，主应力对脱空宽度特别敏感。脱空区的存在，会打破原有的基底应力的分布状态，尤其是在脱空区边角部位产生应力集中，易产生开裂破坏，进而导致脱空区域的进一步扩大。

3 列车荷载作用下的动力特性

为了分析列车动载作用下脱空区域上壁的受力情况，在脱空区域处于不同位置时，以脱空区域上壁为路径做出横向动应力特征曲线与竖向动应力特征曲线。

3.1 脱空区上壁横向动应力

列车动载下脱空宽度40 cm与80 cm脱空区域上壁的横向动应力特征曲线如图9所示。

由图9可知，在列车荷载作用下，脱空区上壁出现了拉应力，脱空宽度的增加，其上壁横向拉应力均呈现增大，其中当脱空区距隧道中线80 cm，即位于轨道下时，在80 cm与40 cm脱空宽度时拉应力数值最大，分别为85 kPa 和28 kPa，相比增大了204%，可见上壁横向动应力对脱空宽度变化特别敏感，由于混凝土的特性是抗压强度极高，抗拉强度较低，脱空宽度的增加会使其上壁出现混凝土的受拉破坏。值得注意的是40 cm脱空宽度位于隧道中线处时上壁不存在拉应力，说明隧道中线处隧底脱空宽度小于一定值时对隧道结构影响较小。

图9 脱空区上壁横向动应力

3.2 脱空区上壁竖向动应力

列车动载下脱空宽度40 cm与80 cm脱空区域上壁的竖向动应力特征曲线如图10所示。

图10 脱空区上壁竖向动应力

由图10可知，随着脱空区域宽度的增加，其上壁横向拉应力均呈现增大，当脱空区距隧道中线80 cm，即位于轨道下时，在80 cm与40 cm脱空宽度时竖向动应力最大，分别为150 kPa和100 kPa，相比增大了50%，可见脱空宽度对其上壁动应力影响较大；当位于隧道中线时，脱空区域位于轨道隧道中线下时的影响较小。位于轨道下时对脱空区上壁受力影响最大，严重时将影响隧道结构的安全性。

列车动载作用下，脱空区域的上壁应力分布在40 cm与80 cm的脱空宽度情况时的规律基本一致。在数值上列车动载相对于围岩压力较小，但混凝土材料在循环荷载下的力学特性主要表现为：卸载刚度不断降低；反向加载的单边效应，即当裂缝由受拉状态变到受压状态时，张开裂缝的闭合使材料的弹性劲度只有部分恢复；拉、压状态下损伤异性率相关性，使材料的宏观力学性能指标表现出不同程度的退化或弱化。因此列车动载下脱空区上壁易产生张开型裂缝，使得隧道结构进一步恶化，影响列车行车安全。