石瑋+趙亮+石恒岳

摘 要：隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路隧道工程的建設(shè)與日俱增，進(jìn)而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前，對(duì)黃土隧道結(jié)構(gòu)的研究僅限于地震荷載一種因素的影響，而對(duì)多因素作用下黃土隧道結(jié)構(gòu)的研究較少。為了得到黃土隧道結(jié)構(gòu)在地震-列車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，本文運(yùn)用ADINA軟件，基于車-軌耦合理論對(duì)曲墻式黃土隧道進(jìn)行了數(shù)值分析。通過分析隧道襯砌關(guān)鍵點(diǎn)的位移、應(yīng)力，得到地震-列車荷載作用下曲墻式黃土隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，旨在為穿越黃土地區(qū)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性研究和設(shè)計(jì)提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：地震；黃土；列車荷載；曲墻式；穩(wěn)定性；動(dòng)力響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U451.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0100-02

黃土主要分布在較為干燥地區(qū)，我國散布著世界上大部分黃土，占國土面積的6.3%，約為6.4萬平方公里。我國黃土地形規(guī)模宏大且發(fā)育完善，主要分布在西北地區(qū)。目前，對(duì)黃土隧道結(jié)構(gòu)圍巖在復(fù)雜應(yīng)力及多場耦合作用下的安全和穩(wěn)定性的研究[1-2]，是未來隧道技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)工作。單一的作用力對(duì)黃土隧道的影響目前都有所研究，但是黃土隧道結(jié)構(gòu)在自重、地震動(dòng)荷載、列車荷載、等諸多因素下的多場耦合分析寥寥無幾。本文就黃土隧道結(jié)構(gòu)在粘彈性人工邊界條件下的黃土隧道在地震動(dòng)與列車作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析做了詳盡的分析與研究。黃土隧道在復(fù)雜荷載耦合情況下，其結(jié)構(gòu)的變形、位移等定性、定量的分析研究，為其設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 材料參數(shù)及分析模型

1.1 材料參數(shù)

本文針對(duì)Q2類黃土，黃土隧道結(jié)構(gòu)的圍巖參數(shù)視為各向同性的理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初次厚度為300mm，二次襯厚度為500mm，均采用C30混凝土，黃土隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)及軌道板等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

1.2 分析模型

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[4]，本文在建立分析模型時(shí)，左右兩側(cè)取5倍隧道寬度，下部取5倍隧道高度，上部取到自由邊界作為計(jì)算范圍。模型的邊界條件為粘彈性邊界，跨度取10m，埋深取30m。本文采用El-Centro波進(jìn)行地震響應(yīng)分析，考慮列車荷載作用時(shí)選取4s的列車激勵(lì)，為實(shí)現(xiàn)作用時(shí)間內(nèi)的全程共同作用，地震持續(xù)時(shí)間也選為4s，并將地震波沿Y方向（ADINA二維模型中，Y向即為水平向）從計(jì)算模型的底部輸入。本文的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型范圍及邊界如圖1所示。

2 高速列車荷載計(jì)算方法

英國鐵路技術(shù)中心的理論和測試研究表明[5]，由于各種軌道不平順及輪周局部缺陷是引起豎向輪軌力的主要原因，文獻(xiàn)[6]將列車荷載簡化為一個(gè)包含振動(dòng)幅值和頻率的指數(shù)函數(shù)形式，本文采用列車激勵(lì)模型表達(dá)式為

本文模擬列車激勵(lì)荷載采用的參數(shù)[7]，列車速度取v=320km/h，其低頻、中頻、高頻的范圍分別為5～9，25～45和100～200Hz。符合上述的試驗(yàn)規(guī)律，激勵(lì)為一不規(guī)則波形，如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果

圖3為曲墻形隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)在地震-列車荷載作用下的水平位移時(shí)程曲線。

由圖3可知，在地震-列車荷載作用下，拱腰水平正向位移最大，為9.12mm；仰拱水平正向位移最小，為8.90mm，比拱腰減小2.4%。拱頂?shù)乃截?fù)向位移峰值最大，為10.42mm；拱腳的水平負(fù)向位移峰值最小，為10.07mm，與拱頂相比降低3.3%。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4、圖5分別為曲墻形隧道結(jié)構(gòu)在地震-列車荷載作用下2.12s時(shí)刻的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖。

根據(jù)圖4、圖5可知，在地震加速度最大時(shí)刻，曲墻形隧道結(jié)構(gòu)在拱頂和仰拱處的第一主應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在仰拱軌道板處，為1066kPa，第三主應(yīng)力沿隧道斷面分布比較均勻，拱頂和仰拱數(shù)值較小，最大值出現(xiàn)在右側(cè)拱腰，為12860kPa。

4 結(jié)語

本文基于強(qiáng)度折減法，在埋深及列車荷載等參數(shù)確定的情況下，通過提取隧道斷面關(guān)鍵點(diǎn)分析了地震-列車荷載作用下曲墻式黃土隧道結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力變化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

（1）地震-列車荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)的水平位移峰值位于拱頂。（2）地震-列車荷載作用下，黃土隧道結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力主要分布在拱頂和仰拱，第三主應(yīng)力分布均勻，主要分布在兩側(cè)拱腰。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭穎人，邱陳瑜，張紅，等.關(guān)于土體隧洞圍巖穩(wěn)定性分析方法的探索[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（10）：1968-1980.

[2]Cheng X.S.，Shi W.，Tian R.R.Safety assessment of lined loess tunnel under earthquake[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2014，19（I）：1903-1915.

[3]黃娟.基于損傷理論的高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析及疲勞壽命研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[4]谷兆祺，彭守拙，李仲奎.地下洞室工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[5]Jenkins H H，Stephenson J E，Clayton G A，et al.The effect of track and vehicle parameters on wheel/rail vertical dynamic forces[J].Railway Engineering Journal，1974，3（1）：2-16.

[6]李軍世，李克釧.高速鐵路路基動(dòng)力反應(yīng)的有限元分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，1995，（1）：66-75.

[7]梁波，羅紅，孫常新.高速鐵路振動(dòng)荷載的模擬研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28（4）：89-94.