張振興 ， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

目前國內(nèi)外大量調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在列車荷載長期作用下隧道結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生大量病害[1-4]，尤其是隧道底部更為明顯。

劉大鵬等[5]建立有限元模型，研究了填充層強(qiáng)度對隧道病害的影響，上官濤[6]通過大量調(diào)研總結(jié)既有隧道病害現(xiàn)象提出了隧道底部質(zhì)量的控制建議；鄭保才等[7]提出采用注漿堵水手段整治富水地區(qū)隧道基底病害取得了良好效果。

隨著貨運鐵路軸重的不斷提升，隧道基底產(chǎn)生病害的問題也勢必更加嚴(yán)重，因此有必要研究重載鐵路隧道基底合理構(gòu)造措施，從而降低隧道病害發(fā)生的幾率。

1 模型建立

1.1 列車荷載

列車在不平順的軌道上行駛，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向激振荷載，其大小可以用一個激振力函數(shù)來模擬。本文采用式(1)激振力函數(shù)[8]模擬重載列車荷載。

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

(1)

式中：p0為車輪靜載；p1,p2,p3均為振動荷載的控制條件①-③中的某一典型值。

取單邊靜輪重，p0=150 kN，簧下質(zhì)量統(tǒng)一取為M0=1200 kNs2/m。重載鐵路的行車速度一般不會大于100 km/h，故考慮計算時速為v=100 km/h，模擬得到列車荷載時程曲線如圖1所示。計算中列車按雙線同時加載最不利條件考慮。

圖1 重載列車荷載時程曲線

1.2 計算參數(shù)

根據(jù)某既有雙線鐵路隧道橫斷面為基準(zhǔn)，建立不同仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、溝槽布置形式下的三維動力計算模型，如圖2所示。計算中各條件下隧道埋深統(tǒng)一取50 m，整個模型的高度取100 m，寬度取100 m，初期支護(hù)采用C25噴混凝土，二次襯砌采用C30模筑混凝土，圍巖條件為V級圍巖，具體材料參數(shù)如表1所示。

圖2 計算模型

表1 材料參數(shù)

1.3 計算工況

本位從仰拱矢跨比、仰拱填充厚度、仰拱與邊墻連接方式、溝槽布置形式4個方面研究了重載鐵路隧道列車振動下隧道基底合理結(jié)構(gòu)型式。各影響條件下具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

2 計算結(jié)果

2.1 矢跨比影響

通過計算得到了1/8、1/10、1/13、1/15這4種矢跨比條件下，1重載列車經(jīng)過隧道時隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的壓應(yīng)力及豎向位移峰值，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)繪制隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底圍巖的相關(guān)參數(shù)隨矢跨比變化的曲線，如圖3所示。

圖3 隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底圍巖關(guān)鍵參數(shù)隨仰拱矢跨比變化的曲線

通過圖3可知，隨著仰拱矢跨比增大，結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力也隨著增大，襯砌結(jié)構(gòu)的受力更加趨于合理，結(jié)構(gòu)和地層的位移則呈現(xiàn)出減小的趨勢，在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的配筋需求，但較大的矢跨比意味著更大的仰拱填充，工程費用可能進(jìn)一步增加。當(dāng)矢跨比減小時，結(jié)構(gòu)和地層位移也隨之增大，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和尺寸有更高的要求。因此，對于雙線重載鐵路隧道，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中如果基底自身條件較好，可以選擇較小的矢跨比，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的；當(dāng)基底條件較差時，可以適當(dāng)?shù)脑龃笫缚绫?，在?jīng)濟(jì)合理情況下提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.2 仰拱填充厚度影響

通過改變隧道仰拱填充厚度，而圍巖、支護(hù)參數(shù)均保持不變，得到了90 cm、120 cm、150 cm 3種仰拱填充厚度條件下，重載列車經(jīng)過隧道時隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的壓應(yīng)力及豎向位移峰值，繪制得到隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底圍巖的相關(guān)參數(shù)隨仰拱填充厚度變化的曲線，如圖4所示。

圖4 隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底圍巖關(guān)鍵參數(shù)隨仰拱填充厚度變化的曲線

(1)由圖4(a)可知，仰拱填充的厚度越厚，仰拱的壓應(yīng)力越小，較厚的仰拱填充有有助于隧道基底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改善。仰拱填充的厚度越厚，隧底圍巖的壓應(yīng)力變化范圍越小，說明較厚的仰拱填充對于隧底地層的長期受力穩(wěn)定是有利的。

(2)較厚的仰拱填充有助于隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的附加沉降控制，但是由圖4(c)及圖4(d)可知，并不是仰拱填充的厚度越厚，隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的附加沉降就越小，其位移變化規(guī)律較為復(fù)雜。

2.3 溝槽布置形式影響

隧道下部設(shè)置中央排水溝，一方面能夠快速排除隧底以下積水，避免長期振動引起的巖土液化；另一方面破壞了仰拱填充的整體性，在開口處出現(xiàn)應(yīng)力集中，不利于結(jié)構(gòu)的整體受力。因此有必要研究中央排水溝對結(jié)構(gòu)受力的影響。

通過對隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底圍巖相應(yīng)位置的壓應(yīng)力及位移進(jìn)行監(jiān)測，得到了各監(jiān)測點在列車振動過程中壓應(yīng)力及位移峰值，如表3所示。

表3 不同溝槽設(shè)置方式計算結(jié)果比較

由表3可知，設(shè)置中央排水溝相比于不設(shè)置中央排水溝而言，對隧道基底結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較大，內(nèi)力值有明顯的增加，這是因為在設(shè)置中央排水溝的情況下，仰拱結(jié)構(gòu)在排水溝處斷面處發(fā)生較大變化，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在排水溝的附近應(yīng)力將顯著增大；隧道底部圍巖的應(yīng)力值有所減小，底層壓應(yīng)力增量也變小；仰拱及隧底底層附加沉降均有所減小。

可見，設(shè)置中央排水溝對隧道的結(jié)構(gòu)受力影響較為復(fù)雜，但是影響在可控范圍內(nèi)，因此在條件允許的情況下設(shè)置中央排水溝，能夠快速排除隧底以下積水，避免長期振動引起的巖土液化；同時，不會對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響。

3 結(jié)論

本文通過重載雙線鐵路隧道在不同基底構(gòu)造措施下的動力響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行分析得到結(jié)論：

(1)較大的仰拱矢跨比可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，減小結(jié)構(gòu)和地層附加位移，但矢跨比增大意味著更大的仰拱填充從而提高造價，因此對于雙線重載鐵路建議仰拱矢跨比控制在1/10～1/12。

(2)較厚的仰拱填充有有助于隧道基底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改善，即仰拱填充的厚度越厚，仰拱的壓應(yīng)力越小。仰拱填充的厚度越厚，隧底圍巖的壓應(yīng)力就越大，但是應(yīng)力變化范圍則隨之變小，說明較厚的仰拱填充對于隧底地層的長期受力穩(wěn)定是有利的。較厚的仰拱填充有助于隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的附加沉降控制，具體表現(xiàn)為仰拱填充越厚，隧道基底結(jié)構(gòu)及隧底地層的附加沉降就越小。

(3)中央排水溝對結(jié)構(gòu)受力的影響在可控范圍內(nèi)，因此，在條件允許條件可以設(shè)置中央排水溝，能夠有效避免隧底積水，從而引起土體液化。