重载双线铁路隧道基底构造措施分析

张振兴 ， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

目前国内外大量调研数据显示，在列车荷载长期作用下隧道结构往往会产生大量病害[1-4]，尤其是隧道底部更为明显。

刘大鹏等[5]建立有限元模型，研究了填充层强度对隧道病害的影响，上官涛[6]通过大量调研总结既有隧道病害现象提出了隧道底部质量的控制建议；郑保才等[7]提出采用注浆堵水手段整治富水地区隧道基底病害取得了良好效果。

随着货运铁路轴重的不断提升，隧道基底产生病害的问题也势必更加严重，因此有必要研究重载铁路隧道基底合理构造措施，从而降低隧道病害发生的几率。

1 模型建立

1.1 列车荷载

列车在不平顺的轨道上行驶，对隧道结构产生竖向激振荷载，其大小可以用一个激振力函数来模拟。本文采用式(1)激振力函数[8]模拟重载列车荷载。

F(t)=p0+p1sin(ω1t)+p2sin(ω2t)+p3sin(ω3t)

(1)

式中：p0为车轮静载；p1,p2,p3均为振动荷载的控制条件①-③中的某一典型值。

取单边静轮重，p0=150 kN，簧下质量统一取为M0=1200 kNs2/m。重载铁路的行车速度一般不会大于100 km/h，故考虑计算时速为v=100 km/h，模拟得到列车荷载时程曲线如图1所示。计算中列车按双线同时加载最不利条件考虑。

图1 重载列车荷载时程曲线

1.2 计算参数

根据某既有双线铁路隧道横断面为基准，建立不同仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、沟槽布置形式下的三维动力计算模型，如图2所示。计算中各条件下隧道埋深统一取50 m，整个模型的高度取100 m，宽度取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，围岩条件为V级围岩，具体材料参数如表1所示。

图2 计算模型

表1 材料参数

1.3 计算工况

本位从仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、仰拱与边墙连接方式、沟槽布置形式4个方面研究了重载铁路隧道列车振动下隧道基底合理结构型式。各影响条件下具体计算工况如表2所示。

表2 计算工况

2 计算结果

2.1 矢跨比影响

通过计算得到了1/8、1/10、1/13、1/15这4种矢跨比条件下，1重载列车经过隧道时隧道基底结构及隧底地层的压应力及竖向位移峰值，提取相应数据绘制隧道基底结构及隧底围岩的相关参数随矢跨比变化的曲线，如图3所示。

图3 隧道基底结构及隧底围岩关键参数随仰拱矢跨比变化的曲线

通过图3可知，随着仰拱矢跨比增大，结构竖向应力也随着增大，衬砌结构的受力更加趋于合理，结构和地层的位移则呈现出减小的趋势，在一定程度上降低了结构的配筋需求，但较大的矢跨比意味着更大的仰拱填充，工程费用可能进一步增加。当矢跨比减小时，结构和地层位移也随之增大，对结构的强度和尺寸有更高的要求。因此，对于双线重载铁路隧道，在结构设计过程中如果基底自身条件较好，可以选择较小的矢跨比，达到经济节约的目的；当基底条件较差时，可以适当的增大矢跨比，在经济合理情况下提高结构的承载能力。

2.2 仰拱填充厚度影响

通过改变隧道仰拱填充厚度，而围岩、支护参数均保持不变，得到了90 cm、120 cm、150 cm 3种仰拱填充厚度条件下，重载列车经过隧道时隧道基底结构及隧底地层的压应力及竖向位移峰值，绘制得到隧道基底结构及隧底围岩的相关参数随仰拱填充厚度变化的曲线，如图4所示。

图4 隧道基底结构及隧底围岩关键参数随仰拱填充厚度变化的曲线

(1)由图4(a)可知，仰拱填充的厚度越厚，仰拱的压应力越小，较厚的仰拱填充有有助于隧道基底结构受力状态的改善。仰拱填充的厚度越厚，隧底围岩的压应力变化范围越小，说明较厚的仰拱填充对于隧底地层的长期受力稳定是有利的。

(2)较厚的仰拱填充有助于隧道基底结构及隧底地层的附加沉降控制，但是由图4(c)及图4(d)可知，并不是仰拱填充的厚度越厚，隧道基底结构及隧底地层的附加沉降就越小，其位移变化规律较为复杂。

2.3 沟槽布置形式影响

隧道下部设置中央排水沟，一方面能够快速排除隧底以下积水，避免长期振动引起的岩土液化；另一方面破坏了仰拱填充的整体性，在开口处出现应力集中，不利于结构的整体受力。因此有必要研究中央排水沟对结构受力的影响。

通过对隧道基底结构及隧底围岩相应位置的压应力及位移进行监测，得到了各监测点在列车振动过程中压应力及位移峰值，如表3所示。

表3 不同沟槽设置方式计算结果比较

由表3可知，设置中央排水沟相比于不设置中央排水沟而言，对隧道基底结构的内力影响较大，内力值有明显的增加，这是因为在设置中央排水沟的情况下，仰拱结构在排水沟处断面处发生较大变化，易产生应力集中现象，在排水沟的附近应力将显著增大；隧道底部围岩的应力值有所减小，底层压应力增量也变小；仰拱及隧底底层附加沉降均有所减小。

可见，设置中央排水沟对隧道的结构受力影响较为复杂，但是影响在可控范围内，因此在条件允许的情况下设置中央排水沟，能够快速排除隧底以下积水，避免长期振动引起的岩土液化；同时，不会对结构造成严重的影响。

3 结论

本文通过重载双线铁路隧道在不同基底构造措施下的动力响应指标进行分析得到结论：

(1)较大的仰拱矢跨比可以改善结构受力状态，减小结构和地层附加位移，但矢跨比增大意味着更大的仰拱填充从而提高造价，因此对于双线重载铁路建议仰拱矢跨比控制在1/10～1/12。

(2)较厚的仰拱填充有有助于隧道基底结构受力状态的改善，即仰拱填充的厚度越厚，仰拱的压应力越小。仰拱填充的厚度越厚，隧底围岩的压应力就越大，但是应力变化范围则随之变小，说明较厚的仰拱填充对于隧底地层的长期受力稳定是有利的。较厚的仰拱填充有助于隧道基底结构及隧底地层的附加沉降控制，具体表现为仰拱填充越厚，隧道基底结构及隧底地层的附加沉降就越小。

(3)中央排水沟对结构受力的影响在可控范围内，因此，在条件允许条件可以设置中央排水沟，能够有效避免隧底积水，从而引起土体液化。