杜碧濤,劉遠(yuǎn)明*,陳會(huì)宇,陳慶芝,陳林全,滕召磊

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550025;3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴陽(yáng) 550008)

隨著全國(guó)各地城市軌道交通建設(shè)如火如荼地進(jìn)行,隧道下穿既有鐵路的工況發(fā)生得愈發(fā)頻繁,例如貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線一期工程下穿鐵路的工點(diǎn)就達(dá)3個(gè)之多。貴陽(yáng)屬于喀斯特山地城市,巖溶極其發(fā)育,因此在諸如貴陽(yáng)這種巖溶地區(qū)地鐵隧道施工穿越既有鐵路過(guò)程中極有可能遇見拱頂溶洞,若不采取相應(yīng)防控措施,地表和路基在列車長(zhǎng)期循環(huán)振動(dòng)荷載作用下,會(huì)有塌陷的風(fēng)險(xiǎn),該事故在巖溶地區(qū)已屢見不鮮[1]。在實(shí)際工程中,遇到溶洞一般是采用注漿的方式進(jìn)行填充加固,而列車動(dòng)荷載對(duì)隧道及地層的動(dòng)力響應(yīng)在溶洞處理前后勢(shì)必呈現(xiàn)不同的規(guī)律。

近幾年,學(xué)者們關(guān)于空洞對(duì)淺埋暗挖隧道施工的影響做了不少研究[2-6]。例如,蔡義等[3-4]通過(guò)三維模型試驗(yàn)及FLAC3D數(shù)值模擬分析了隧道上方含空洞地層在地鐵隧道施工擾動(dòng)下的變形規(guī)律。趙文強(qiáng)[5]同樣采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的手段研究了隧道開挖擾動(dòng)下含空洞地層失穩(wěn)機(jī)制,提出“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)+注漿防治”的控制方法并通過(guò)后期監(jiān)測(cè)證實(shí)了該方法的可靠性。邢志豪等[6]依托深圳地鐵16號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越巖溶溶洞工程,采用數(shù)值計(jì)算分析方法,重點(diǎn)研究了不同位置處溶洞注漿加固前后對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的影響作用。與此同時(shí),關(guān)于列車動(dòng)荷載對(duì)新建下穿隧道影響的研究也不少[7-10]。高玄濤[11]與龔倫等[12]通過(guò)數(shù)值分析分別研究了單線與雙線列車運(yùn)行對(duì)下伏隧道的影響,前者發(fā)現(xiàn)隧道施工至交疊處時(shí),列車動(dòng)載對(duì)隧道影響最不利;后者發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)向行駛的兩列車機(jī)車的后轉(zhuǎn)向架輪載同時(shí)作用于隧道正上方時(shí),為隧道結(jié)構(gòu)的最不利位置。于鶴然等[13]研究了高速列車動(dòng)荷載作用下立體交叉鐵路隧道位移、加速度、內(nèi)力的響應(yīng)規(guī)律。Xu等[14]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法,揭示了高架橋列車荷載作用下,樁土復(fù)合地基與相鄰隧道的動(dòng)力響應(yīng)特性。魏云峰等[15]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)列車移動(dòng)荷載作用下運(yùn)營(yíng)隧道-加固區(qū)-地層的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究,并得出了不同列車運(yùn)行速度對(duì)結(jié)構(gòu)-地層系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)加速度、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移的響應(yīng)規(guī)律。晏啟祥等[16]設(shè)計(jì)了有、無(wú)橫通道的 2 種平行交叉的盾構(gòu)隧道模型,研究了列車荷載作用下平行交叉盾構(gòu)隧道的動(dòng)力響應(yīng)特征,弄清了聯(lián)絡(luò)橫通道對(duì)兩主隧道振動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)制。

可以看出,現(xiàn)有研究要么是關(guān)于溶洞及注漿加固后隧道在土層中開挖時(shí)的靜力影響,要么是關(guān)于在無(wú)缺陷均質(zhì)地層中列車動(dòng)載引起的動(dòng)力響應(yīng),而在隧道下穿鐵路時(shí)列車動(dòng)荷載作用下,拱頂存在溶洞及注漿加固對(duì)新建隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律影響的研究尚有欠缺。因此,現(xiàn)以貴陽(yáng)軌道交通3號(hào)線地鐵隧道下穿川黔鐵路為背景,考慮最不利條件,采用列車動(dòng)力計(jì)算中常用的有限元軟件Midas/GTS[17-21],建模計(jì)算分析隧道與既有鐵路交疊處存在隱伏溶洞時(shí),對(duì)其處理前后,鐵路列車移動(dòng)荷載對(duì)下穿隧道、地表及地層的動(dòng)力響應(yīng)的規(guī)律,以期為巖溶地區(qū)隧道下穿既有線工程提供參考。

1 工程背景

1.1 巖溶發(fā)育概況

貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線一期工程沿南北向縱貫貴陽(yáng)市主城區(qū),線路全長(zhǎng)40.86 km,根據(jù)工程勘測(cè)資料,隧道沿線所處巖層主要以白云巖和石灰?guī)r等可溶性碳酸鹽為主。據(jù)鉆孔揭露,巖層常見溶隙及溶洞,全線693個(gè)鉆孔中見溶洞的鉆孔75個(gè),鉆孔見洞率為10.8%,溶洞直徑與埋深分布如圖1所示。

1.2 隧道下穿鐵路段概況

地鐵隧道于花果園西站—花果園東站某區(qū)段以69°斜下穿川黔鐵路,該鐵路為單線,屬于客貨共線鐵路,鐵路路基底距離隧道頂部豎向最小凈距約10 m。該區(qū)間隧道采用上下臺(tái)階法施工,隧道斷面形狀為6.52 m(寬)×7.17 m(高)的馬蹄形,初支采用0.26 m厚C25噴射混凝土和I18型鋼鋼架0.6 m/榀。整個(gè)下穿段隧道均處于風(fēng)化石灰?guī)r地層中。

2 數(shù)值模型建立

2.1 基礎(chǔ)三維模型

由于該區(qū)間隧道下穿段處埋深為10 m,從圖1的溶洞分布圖可以看出,埋深10 m以下溶洞有18個(gè),占24%,且其中洞徑最大的為5 m?；谠搶?shí)際工程背景,考慮最不利條件,建立隧道施工至與鐵路交疊處時(shí),拱頂無(wú)溶洞、有直徑為5 m的溶洞和溶洞注漿加固3種工況的數(shù)值模型(溶洞位于拱頂與地表正中間),計(jì)算分析列車駛過(guò)時(shí)3種工況的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。注漿加固材料采用水泥砂漿,同時(shí)考慮漿液的擴(kuò)散效應(yīng),將注漿加固區(qū)域保守地劃分為厚度均為0.5 m的2部分,3種計(jì)算工況詳情如圖2所示。

圖2 3種不同計(jì)算工況

在巖溶地區(qū),地層情況多為上部覆蓋較薄的土層,下部為可溶性風(fēng)化巖層,為使該研究成果對(duì)不同工程也具有廣泛的借鑒參考價(jià)值,地基簡(jiǎn)化采用巖溶區(qū)地質(zhì)條件較差的強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r。參照實(shí)際工程資料與相關(guān)規(guī)范[22],最終確定模型材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中,軌枕與初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型,分別用實(shí)體與板單元模擬;其余各結(jié)構(gòu)層次材料強(qiáng)度準(zhǔn)則均采用各向同性的摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,用實(shí)體單元模擬。

表1 模型材料參數(shù)

基于圣維南原理,取三維計(jì)算模型尺寸為:70 m(長(zhǎng))×50 m(寬)×50 m(高);鐵路路基相關(guān)幾何尺寸參照規(guī)范[22]取值:軌枕厚度為0.15 m,間距0.6 m;道砟厚度取0.3 m;基床表層與底層厚度分別為0.6 m、1.9 m。建立基礎(chǔ)三維模型如圖3所示。

2.2 特征值分析

在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算之前,需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析獲得質(zhì)量參與率最高的兩個(gè)模態(tài)周期,進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)。根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算特征值分析的彈簧邊界值[23]。

豎向地基反力系數(shù)為

kv=kv0(Bv/30)-3/4

(1)

水平地基反力系數(shù)為

kh=kh0(Bh/30)-3/4

(2)

表2 3種工況主振型周期

2.3 動(dòng)力計(jì)算模型

2.3.1 列車荷載模擬

在實(shí)際工程中,由于列車營(yíng)運(yùn)場(chǎng)地環(huán)境的復(fù)雜性,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得列車動(dòng)力荷載較為困難;因此,絕大多數(shù)研究對(duì)于動(dòng)荷載的模擬都是采用國(guó)內(nèi)外學(xué)者們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)分析方法。其中應(yīng)用范圍最廣的是梁波等[24]提出的與高、中、低頻相應(yīng)的,反映不平順、附加動(dòng)荷和軌面波形磨耗效應(yīng)的激勵(lì)力來(lái)模擬輪軌之間的相互作用力;后經(jīng)充分考慮列車輪對(duì)力在線路上的移動(dòng),疊加組合與鋼軌、軌枕的分散傳遞因素,得到了作用在軌枕上用于模擬高速列車振動(dòng)荷載的激振力函數(shù)[25]為

(3)

式(3)中:k1為相鄰輪軌力疊加系數(shù);k2為鋼軌分散系數(shù);P0為車輪靜載;i=1,2,3,分別對(duì)應(yīng)低、中、高頻3種情況;Pi為振動(dòng)荷載;M0為列車簧下質(zhì)量;αi為軌道的幾何不平順矢高;ωi為不平順振動(dòng)波長(zhǎng)的角頻率;v為列車速度;Li為軌道不平順波長(zhǎng);t為時(shí)間。

列車行駛速度越大,列車荷載對(duì)鄰近建筑的動(dòng)力響應(yīng)也越大;因此,采用客貨共線鐵路最高設(shè)計(jì)時(shí)速v=200 km/h;k1、k2分別取1.6、0.8;取單輪靜載P0=80 kN,簧下質(zhì)量M0=950 kg,低、中、高頻對(duì)應(yīng)的典型不平順波長(zhǎng)和矢高采用英國(guó)鐵路軌道不平順功率譜:L1=10 m,a1=3.5 mm,L2=2 m,a2=0.4 mm,L3=0.5 m,a3=0.08 mm;結(jié)合式(3)計(jì)算得到列車豎向荷載時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 激振力時(shí)程曲線

2.3.2 列車荷載施加方式

列車動(dòng)力荷載確定后,采用定點(diǎn)豎向加載的方式將荷載以固定的時(shí)間間隔依次施加在軌枕上,以模擬列車行駛過(guò)程,如圖5所示。本次模擬取列車長(zhǎng)度為130 m,而列車時(shí)速是55.56 m/s,因此列車駛過(guò)一個(gè)軌枕的時(shí)間約為2.3 s(激振力作用時(shí)長(zhǎng));軌枕間距為0.6 m,故激振力施加于相鄰兩軌枕的間隔時(shí)間為0.010 8 s;該模型路基的長(zhǎng)度為73.2 m,所以列車從進(jìn)入到完全駛出模型邊界需要3.7 s。因此進(jìn)行時(shí)程分析時(shí),設(shè)置動(dòng)力計(jì)算時(shí)間為4 s。為保證計(jì)算精度,隱式積分的時(shí)間步長(zhǎng)不能大于模態(tài)分析中最高階振型周期的1/10,因此在此計(jì)算模型中取積分步長(zhǎng)Δt=0.01 s。

圖5 列車移動(dòng)荷載布置

2.3.3 動(dòng)力邊界條件

在進(jìn)行動(dòng)力理論或數(shù)值分析時(shí),計(jì)算模型都是用有限區(qū)域代替無(wú)限區(qū)域。因此,為了合理地解決動(dòng)力波在邊界上的反射問(wèn)題,模型x、y方向設(shè)置黏性局部人工邊界,底部采用固定邊界。定義黏性邊界需要采用Lysmer等[26]提出的公式計(jì)算各結(jié)構(gòu)材料的阻尼值。

P波阻尼系數(shù)為

(4)

S波阻尼系數(shù)為

(5)

3 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

3.1 分析內(nèi)容與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

主要研究了在列車移動(dòng)荷載作用下,交疊處隧道拱頂無(wú)溶洞、有溶洞及注漿加固3種工況下隧道結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)位移和最大主應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律,地表的豎向動(dòng)位移響應(yīng)規(guī)律以及地層的動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力衰減規(guī)律。對(duì)研究目標(biāo)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示,地表沿路基垂直方向布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),為了便于研究分析,使測(cè)點(diǎn)間距與溶洞直徑相近,同時(shí)要適應(yīng)網(wǎng)格尺寸,因此取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離隧道與路基中線交叉處分別為0.00、4.11、8.22、12.73 m。

3.2 隧道動(dòng)位移響應(yīng)分析

根據(jù)已有學(xué)者的研究,隧道施工至交疊處時(shí),列車動(dòng)載對(duì)隧道影響最不利[11]。因此當(dāng)隧道開挖至交疊處時(shí),在拱頂上方無(wú)溶洞、有溶洞與溶洞注漿加固3種工況模型中,分別施加激振力時(shí)程荷載模擬計(jì)算列車從駛?cè)氲今偝龅耐暾^(guò)程,提取得到隧道拱頂?shù)呢Q向動(dòng)位移時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 隧道拱頂豎向位移時(shí)程曲線

分析圖7可知,無(wú)論在哪種工況下,由于地層的阻尼特性對(duì)振動(dòng)波傳播過(guò)程產(chǎn)生的滯后效應(yīng),拱頂在列車駛?cè)肽Ｐ瓦吔绾蠹s0.3 s才有位移響應(yīng),此后位移呈波動(dòng)性逐漸增大;在列車完全駛?cè)肽Ｐ偷臅r(shí)刻,即1.3 s后位移呈平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì);隨著列車行進(jìn),在2.3 s時(shí)車尾離開駛?cè)朦c(diǎn),同樣由于振動(dòng)波傳播的滯后效應(yīng),拱頂豎向動(dòng)位移在2.6 s后呈波動(dòng)性逐漸衰減,直至列車完全駛出模型,在4 s時(shí)基本回彈恢復(fù)至零。這與張暢飛[27]采用FLAC3D計(jì)算分析上跨隧道中列車移動(dòng)荷載作用下,下穿隧道拱頂?shù)奈灰茣r(shí)程曲線具有一致的振動(dòng)規(guī)律與趨勢(shì)。同時(shí)也將該曲線與Sekiya等[28]在地鐵運(yùn)行時(shí)采用MEMS加速度計(jì)測(cè)得的隧道加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次數(shù)學(xué)積分后得到的位移響應(yīng)曲線進(jìn)行了對(duì)比,由于兩者地質(zhì)情況、隧道類型和列車時(shí)速不同,所以峰值大小有所差異,但同樣具有相同的振動(dòng)規(guī)律,該數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果存在較高相似性,因此,本文研究對(duì)實(shí)際工程具有一定的理論指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

與此同時(shí),列車荷載作用下隧道拱腰、拱腳和拱底豎向位移也具有與拱頂相同的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律,為了更直觀深入地研究分析,現(xiàn)將3種工況下隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向動(dòng)位移峰值變化情況如圖8所示。

圖8 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移峰值變化趨勢(shì)

綜合分析圖8可得如下結(jié)果。

(1)在列車動(dòng)載作用下,隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下豎向動(dòng)位移峰值大小排序均為:溶洞注漿>無(wú)溶洞>有溶洞;前者是由于注漿體的彈性模量比周圍地層更大,相對(duì)不容易發(fā)生壓縮變形,故將列車的豎向荷載更多地傳到了注漿體以下的地層,從而使隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的豎向位移;后者是由于臨空溶洞對(duì)動(dòng)位移進(jìn)行一定程度的釋放。

(2)無(wú)論何種工況,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向動(dòng)位移峰值大小排序均為:拱頂>拱腰>拱腳>拱底;同時(shí),隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)受不同工況的影響程度也遵循該規(guī)律,溶洞的存在及對(duì)其注漿對(duì)拱頂?shù)挠绊懴鄬?duì)顯著,但對(duì)拱底的影響卻比較微弱;顯然這都是由于振動(dòng)波在地層中傳播時(shí)隨著深度增加而逐漸衰減的緣故。

(3)隧道最大位移峰值發(fā)生在溶洞注漿工況下的拱頂位置,為-1.41 mm,相較于無(wú)溶洞和有溶洞工況分別增大了9.3%、16.5%,但即便如此,該位移仍遠(yuǎn)未達(dá)到一般隧道拱頂沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 地表動(dòng)位移響應(yīng)分析

在3種不同工況下分別施加列車移動(dòng)荷載,得到地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1豎向動(dòng)位移時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1豎向位移時(shí)程曲線

不出所料,由于振動(dòng)波還未經(jīng)過(guò)地層阻尼的衰減,與隧道動(dòng)位移相比,地表的動(dòng)位移無(wú)論是波動(dòng)幅度還是峰值都明顯更大;為了研究不同工況下位移振動(dòng)沿地表橫向衰減的規(guī)律,將地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向動(dòng)位移峰值變化情況如圖10所示。

圖10 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移峰值變化趨勢(shì)

綜合分析圖10可得如下結(jié)果。

(1)當(dāng)計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)時(shí),從圖10中可以看出距離交疊處較近的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2受溶洞的存在及對(duì)其注漿的影響相對(duì)較大,3種工況下位移峰值大小排序?yàn)?有溶洞>無(wú)溶洞>溶洞注漿,而測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4幾乎不受影響;由此可知在列車荷載作用下,溶洞的存在及對(duì)其注漿對(duì)地表動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍大致為3.3倍洞徑以內(nèi)(8.22×2/5≈3.3)。

(2)地表最大位移峰值發(fā)生在有溶洞工況下的測(cè)點(diǎn)1位置(路基中線與隧道中線交叉處),為2.74 mm,而無(wú)溶洞和溶洞注漿工況在此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移分別減小了6.6%、21.2%;由此可見,溶洞的注漿加固可以明顯改善降低列車動(dòng)荷載引起的地表瞬時(shí)沉降峰值。

3.4 隧道最大主應(yīng)力響應(yīng)分析

由于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度,而最大主應(yīng)力更接近于拉應(yīng)力,故將初期支護(hù)的最大主應(yīng)力響應(yīng)也納入研究范圍。隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖11所示。

由圖11分析可知,在列車動(dòng)荷載作用下,隧道在不同工況下同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線都具有相同的振動(dòng)規(guī)律,并且拱頂和拱底主要處于受拉振動(dòng)狀態(tài)(正值為拉),而拱腰和拱腳則主要處于受壓振動(dòng)狀態(tài)。為詳細(xì)分析不同工況對(duì)隧道受力狀態(tài)的影響規(guī)律,將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值變化情況繪于圖12所示。

圖12 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力峰值變化趨勢(shì)

綜合分析圖12可得如下結(jié)果。

(1)相較于無(wú)溶洞而言,溶洞的存在使振動(dòng)波在地層的傳播削減后,隧道拱頂、拱腰和拱底的最大主應(yīng)力峰值均有所減小;而溶洞注漿則使隧道拱頂、拱腰和拱腳的最大主應(yīng)力峰值均有所增大。

(2)無(wú)論何種工況下,隧道拱頂和拱底的最大主應(yīng)力峰值均為正,處于不利的受拉狀態(tài),并且拱頂所受的拉應(yīng)力總比拱底大;而拱腰和拱腳的最大主應(yīng)力峰值均為負(fù)值,處于受壓狀態(tài)。

(3)溶洞注漿工況下的隧道拱頂是最不利受力點(diǎn)位,最大主應(yīng)力峰值為-0.36 MPa,遠(yuǎn)小于C25混凝土的極限抗拉強(qiáng)度1.78 MPa,因此列車動(dòng)載作用下隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

3.5 地層動(dòng)應(yīng)力衰減分析

如圖13所示,列車通過(guò)時(shí)不同工況下地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的豎向應(yīng)力也呈有規(guī)律的波動(dòng)狀態(tài)。為詳細(xì)分析地層豎向應(yīng)力的變化情況,將3種工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和隧道拱頂?shù)呢Q向應(yīng)力峰值列于表3所示。

表3 地層不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力峰值

圖13 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力時(shí)程曲線

根據(jù)處于不同地層深度兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值可以看出,無(wú)論哪種工況都不會(huì)改變列車動(dòng)載引起的應(yīng)力響應(yīng)隨地層深度衰減的現(xiàn)象。其中,衰減最明顯的是有溶洞存在的情況,從-0.076 6 MPa 衰減到-0.008 4 MPa,衰減率為89.03%;無(wú)溶洞和溶洞注漿兩種工況的地層應(yīng)力衰減率分別是77.47%、70.47%,相對(duì)較小,這就直觀解釋了溶洞注漿加固后地表的動(dòng)位移響應(yīng)得到減小,而隧道動(dòng)位移響應(yīng)有所增大的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

以貴陽(yáng)軌道交通3號(hào)線的實(shí)際工程背景為依托,研究了在巖溶地層新建地鐵隧道下穿既有鐵路過(guò)程中,時(shí)速為200 km/h的列車振動(dòng)荷載對(duì)隧道、地表及地層的位移和應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律。得出如下結(jié)論。

(1)溶洞的存在和對(duì)其注漿加固并不會(huì)改變列車振動(dòng)荷載引起隧道、地表及地層的位移和應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)的時(shí)程規(guī)律,均是呈有規(guī)則的波動(dòng)狀態(tài),最后逐漸回彈恢復(fù)。

(2)溶洞存在及對(duì)其注漿加固對(duì)地表位移動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍大致為3.3倍洞徑以內(nèi);對(duì)地層溶洞注漿加固后使地表最大瞬時(shí)沉降減小了21.2%,可以有效降低列車荷載在長(zhǎng)期循環(huán)作用下地表振動(dòng)塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)由于振動(dòng)波在地層中傳播時(shí)會(huì)隨深度增加而逐漸衰減,因此在3種工況中,隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向動(dòng)位移峰值大小和動(dòng)位移響應(yīng)受不同工況的影響程度遵循的規(guī)律為:拱頂>拱腰>拱腳>拱底。列車動(dòng)載作用下,隧道拱頂和拱底處于不利的受拉狀態(tài),且拱頂所受的拉應(yīng)力總比拱底大;而拱腰和拱腳則處于受壓狀態(tài)。

(4)由于溶洞注漿加固減小了地層應(yīng)力的衰減,因此使得隧道在外部列車動(dòng)載作用下產(chǎn)生了相對(duì)大的動(dòng)力響應(yīng),但均遠(yuǎn)小于一般隧道拱頂沉降控制值和C25混凝土的極限抗拉強(qiáng)度,是滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的;為了同時(shí)達(dá)到控制地表沉降和保證隧道安全的目的,建議選擇與地層彈性模量接近的注漿材料最佳。