软基地段不同轴重列车动荷载作用下基底动力响应差异研究

张振兴 张志强

【摘要】在重载列车长期反复作用下，隧道基底往往会出现基底脱空等问题，尤其是在软弱围岩地段更为显著，严重时将会对列车隧道结构产生损伤并影响列车的正常运营。文章采用大型通用有限差分元分析软件FLAC3D对软弱围岩基底在不同轴重列车动荷载下的基底动力响应进行了研究，得到了隧道基底位移和隧道基底应力响应规律。

【关键词】重载铁路; 软弱围岩; 隧道基底; 动力响应

【中国分类号】U212.33+4【文献标志码】A

1 重载列车对隧道基底的影响

相比于普通铁路隧道结构，重载铁路隧道结构在列车动荷载作用下具有以下特征：

（1）在重载列车长期作用下，隧道基底结构的受力状态有所改变，其局部弯矩和剪力将大增，并最终导致隧道基底结构关键截面的开裂破坏。

（2）在重载铁路运行过程中，受重载列车振动和长期反复冲击作用以及隧道基底围岩压力共同作用，尤其是隧道基底为土质及软弱围岩地段，会出现隧道基底脱空的问题，由此引起基础沉降，严重时对重载铁路隧道的结构产生损伤，影响重载铁路隧道结构可靠性和行车安全。

目前，许多学者都对重载铁路隧道动力响应进行了研究，李自强等[1]研究了时速80 km/h，轴重为27 t的重载列车经过隧道时基底结构的动压力响应;

邹文浩等[2]分析了30 t轴重列车荷载作用下不同基底结构形态下的应力分布和动力响应;尹成斐等[3]依托以朔黄铁路三家村隧道，以隧道基底实测加速度时程曲线为激励荷载，利用ANSYS软件对重载列车作用的下隧道动应力进行了分析;邓斌等[4]利用现场实测数据和数值计算分析了30 t轴重下不同铺底厚度和隧道基底不同吊空程度时隧道铺底结构的动力响应特征;林越翔等[5]采用激振函数模拟列车荷载，分别分析了不同矢跨比、填充层厚度和仰拱厚度对重载铁路隧道底部结构动力响应特性的影响。

本文利用FLAC3D软件进行数值模拟分析，研究了单线铁路隧道在软弱围岩基底条件下，不同轴重列车动荷载下的隧道基底动力响应特征。

2 模型概况

本文计算隧道断面采用单线铁路隧道标准断面图，通过FLAC3D程序建立计算分析模型如图1所示。隧道埋深取50 m，整个模型的高度为100 m，宽度为100 m;初期支护采用C25喷混凝土，二次衬砌采用C30模筑混凝土。静力计算的边界条件：土层底部完全固定，左、右两侧面限制水平方向的位移，竖向自由;前后两面限制轴线方向的位移，竖向自由;地面完全自由。列车的通过速度取100 km/h。

单线铁路隧道计算分析模型的材料参数见表1。

为分析隧道基底围岩在动力计算过程中的位移、应力时程响应特征，在隧道基底附近围岩布置了监测点，监测点如图2所示。

本文所采用计算工况如表2所示。

3 计算结果分析

3.1 基底位移响应分析

提取监测点数据，得到不同列车轴重作用下隧道基底竖向位移时程曲线如图3所示。

由图3可知：

（1）在列车动荷载作用下，隧道基底位移随时间的变化呈波动形分布，呈现出周期性，这与列车的动荷载施加方式是相互对应的。不同轴重列车动荷载作用下的隧道基底竖向位移时程规律基本相同。

（2）随着荷载的增加，其引起的竖向位移峰值也会增加;荷载波动会引起位移的波动，荷载越大，隧道基底位移波动幅度越大。

提取不同列车轴重作用下的隧道基底残余变形，绘制关系曲线图如图4所示。

由图4可知：

（1）不同轴重车辆通过后，隧道基底的下沉不会完全恢复，残留量级很小的位移变形，单次过车引起的隧道基底围岩残余位移变形分别为：0.016 5 mm（15 t轴重）、0.027 1 mm（25 t轴重）、0.032 4 mm（30 t轴重）。当过车次数达到一定数量时，残余变形就会累计到较高水平，从而引起隧道基底的脱空。

（2）不同轴重的列车荷载造成的残余变形量各不相同，轴重越大，所遗留的残余变形量就越大，基底围岩出现脱空的时间就相应越短。

3.2 基底应力响应分析

提取监测点数据，得到不同列车轴重作用下隧道基底围岩应力时程曲线和隧道基底围岩荷载动应力时程曲线分别如图5和图6所示。

由图5、图6可知：

（1）在列车动荷载作用下，隧道基底应力随时间的变化呈波动形分布，呈现出周期性，这与列车的动荷载施加方式是相互对应的。不同轴重列车动荷载作用下的隧道基底应力时程规律基本相同。

（2）列车轴重增加会造成隧道基底应力增加;列车轴重的增加会影响隧道基底应力的变化幅度。

（3）隧道基底荷载动应力随列车轴重增加不断变大，说明在隧道基底较软弱的情况下，应针对重载进行隧道基底加固。

表3中对隧道基底位移响应和荷载动应力响应做量化比较。由表3可知：在列车动荷载作用下，隧道基底围岩会产生竖向位移。随着轴重增加，隧道基底围岩竖向位移值是相应增加的。相较于15 t轴重的载荷作用产生的竖向位移峰值，25 t作用下峰值增长了66 %左右，30 t情况下竖向位移峰值增长了99.7 %。这表明隧道基底围岩的竖向位移值与列车轴重呈正相关关系，并且相较于普通铁路，重载铁路情况下隧道基底竖向位移增加明显。因此，在既有铁路上加开轴重较大的列车时，应对列车荷载作用产生的沉降进行评估、控制。

在列车荷载的作用下，隧道基底围岩会产生动力响应。并且随轴重增加，动应力也有增长。其中，25 t轴重列车作用下产生的动力响应比15 t轴重作用产生的提高了66.5 %;而30 t轴重作用时，产生的动应力比15 t轴重时高出99.7 %。这说明，隧道基底围岩产生的动应力与列车轴重是正相关的，并且重载铁路相比于普通铁路，动应力增加更加明显。在软弱地基条件下，新建重载隧道应根据条件对隧道基底加固。

4 结论

综合以上分析可以得出，在不同轴重列车（普通铁路、重载铁路）动荷载作用下，隧道基底围岩的动力响应特征有着明显的差异，具体表现为：

（1）列车的轴重越大，引起隧道基底位移波动幅度越大、竖向位移峰值越大。

（2）轴重增加会引起隧道基底竖向位移的增加，单次过车引起的隧道基底围岩残余位移变形分别为：0.016 5 mm（15 t轴重）、0.027 1 mm（25 t轴重）、0.032 4 mm（30 t轴重）。在重载列车长期营运情况下，必然会因累积变形造成隧道基底沉降或脱空。

（3）列车的轴重越大，对隧道基底应力的影响范围越大、隧道基底应力响应更明显;由于残余位移的累计会引起隧道基底的脱空，动应力会引起隧道基底承载能力的下降，加之轴重的增加，在软弱围岩条件下，重载铁路必然不同于普通铁路，其承载能力要求更高。

参考文献

[1] 邓斌，乔春生，余东洋，等.重载铁路隧道铺底结构动力响应分析[J].铁道建筑，2019，59（10）：75-79.

[2] 林越翔，彭立敏，施成華，等.重载作用下铁路隧道底部结构动力响应特征及合理设计参数研究[J].现代隧道技术，2017，54（5）：86-92+100.

[3] 邹文浩，张梅，刘艳青，等.30t轴重下重载铁路隧道基底结构的应力分布及动力响应[J].中国铁道科学，2016，37（5）：50-57.

[4] 李自强，王明年，于丽，等.重载铁路隧道基底结构的动压力响应[J].中国铁道科学，2016，37（1）：71-77.

[5] 尹成斐，付兵先，马伟斌.重载列车作用下隧道结构的动应力分析[J].中国铁道科学，2013，34（3）：47-52.