李又云,折惠東,趙越超,崔齊飛,張庭順

(1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安 710064； 2.鄭州市軌道交通設(shè)計研究院有限公司,鄭州 450000； 3.中國鐵路西安局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,西安 710054)

引言

近年來，隨著列車運行速度及軸重的不斷提高，隧道基底與圍巖負荷不斷增加?；准跋虏繃鷰r因已有微小裂損缺陷，導(dǎo)致該部位服務(wù)質(zhì)量在長期的列車荷載作用下出現(xiàn)逐漸劣化，最終導(dǎo)致隧道基底病害[1-6]?；谀壳皣鴥?nèi)在役鐵路隧道病害情況的調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在役運行鐵路隧道中，50%以上的隧道基底均存在各種不同程度的病害。西安鐵路局2016年統(tǒng)計資料顯示：在轄區(qū)內(nèi)的1 485座隧道中，病害隧道共1 064座，占比為71.65%；其中仰拱或鋪底變形損壞的隧道達180余座，損壞段落約為596處，累計長度達60 567 m。

在列車荷載現(xiàn)場測試方面，國外，Degrande等[7]依托歐盟CONVURT科研項目，針對35輛倫敦地鐵試驗車輛正常運營時的振動，進行了現(xiàn)場測試分析，由測試數(shù)據(jù)得出隧道鋼軌、邊墻與仰拱的動應(yīng)力會隨著列車速度的提高而增大。國內(nèi)，李德武、高峰[8]在對金家?guī)r隧道的動載振動響應(yīng)現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，得出列車振動所引起的在軌道以下0.55 m處的隧底的豎向加速度可達到6.8 m/s2，認為造成隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種病害的主要原因是列車的振動荷載。王祥秋、楊德林等[9]依托京廣鐵路線上的朱亭隧道的振動響應(yīng)現(xiàn)場測試，研究了列車振動影響規(guī)律并建立了列車振動荷載的計算公式。薛富春等[10]在黃土隧道內(nèi)做循環(huán)荷載試驗來模擬高速列車的振動條件下隧底圍巖壓力的變化規(guī)律，得出隧道仰拱和其地基土中的振動速度與圍巖應(yīng)力均出現(xiàn)逐漸衰減的現(xiàn)象。

列車動載作用下隧道結(jié)構(gòu)振動效應(yīng)方面，丁祖德等[11]結(jié)合MTS疲勞試驗對隧道基底軟巖進行循環(huán)加載，深入分析了循環(huán)動力、振動頻率等對軟巖隧道基底的影響。張玉娥、白寶鴻[12]結(jié)合列車動載的定量分析和圍巖本構(gòu)關(guān)系，研究了高速列車振動荷載作用下隧道的動力工作狀態(tài)。李德武等[13]采用有限元法分析了隧道及周圍環(huán)境在列車振動下的響應(yīng)，并具體研究了仰拱對列車振動的響應(yīng)。付兵先等[14]結(jié)合朔黃鐵路三家村隧道基底在重載列車作用下的現(xiàn)場測試，系統(tǒng)分析了不同圍巖區(qū)段基底填充層的動應(yīng)力幅值，并采用列車-隧道-軌道結(jié)構(gòu)耦合分析模型，分析了列車振動荷載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及沖擊系數(shù)。段景川[15]以廣深港客運專線獅子洋隧道工點，研究了不同車速列車振動荷載下、不同圍巖級別交叉盾構(gòu)隧道及交叉隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。鄒文浩、吳秋軍等[16-17]主要分析了列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和動力響應(yīng)，并進一步對仰拱不同施工水平形成的3種主要基底結(jié)構(gòu)形態(tài)進行對比分析。程建平[18]分析了在既有重載鐵路下隧道基底混凝土厚度對基底結(jié)構(gòu)受力的影響因素。康立鵬等[19]結(jié)合立體交叉隧道，分析了高速列車荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)抗減振措施與隧道動力響應(yīng)特性間的相互關(guān)系。

針對隧道基底病害問題，許多學(xué)者進行了研究分析?；谝延醒芯课墨I，普遍認為隧道基底結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生的原因主要有兩點：一是列車荷載長期的反復(fù)作用，二是基底周邊地下水的影響。在地下水對隧道基底結(jié)構(gòu)影響方面，翟可[20]對富水鐵路隧道基底的翻漿冒泥現(xiàn)象進行了研究，針對鐵路富水隧道，提出了“降水壓、消隱患、排滲水”的預(yù)防思路。劉敏捷、伍毅敏等[21]對公路隧道基底結(jié)構(gòu)水害機理進行了分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合基底結(jié)構(gòu)形式及孔隙率在交通荷載作用下的動水壓力響應(yīng)特征，采用數(shù)值手段進行了進一步研究，發(fā)現(xiàn)孔隙率是影響動水壓力的一個重要因素，且列車荷載作用下形成的負動孔隙水壓力形成的泵吸作用是基底結(jié)構(gòu)水害發(fā)生的根本原因。

通過上述分析，目前已有研究成果多集中在列車動載作用下隧道結(jié)構(gòu)的動力特性等方面，而對隧底與基巖存在脫空現(xiàn)象的條件下基底狀況對隧道結(jié)構(gòu)受力性能的影響研究較少。鑒于此，本文基于現(xiàn)場測試，得到了該類型隧道鋪底混凝土頂?shù)膭討?yīng)力分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用有限元法建立數(shù)值模型，進一步研究該種隧道基底病害對隧底和隧底圍巖動力響應(yīng)特征。

1 工程概況及測試方案

1.1 工程概況

該隧道全長3614.15 m，位于襄渝Ⅱ線安梁段，是此段中的控制性工程之一，其中Ⅱ級圍巖長度310 m，Ⅲ級圍巖長度1 845 m，Ⅳ級圍巖長度750 m，Ⅴ級圍巖長度709 m。隧道圍巖地質(zhì)以泥巖夾砂為主。隧道采用上下導(dǎo)坑分三步開挖，并采用中空直眼掏槽和短進尺、弱爆破、強支護，節(jié)能環(huán)保水壓爆破等方法。該隧道為單線隧道，設(shè)計行車速度140 km/h，隧道部分縱斷面地質(zhì)剖面如圖1所示。

依據(jù)隧道掃描結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隧道病害主要分布在Ⅲ級圍巖段。基底產(chǎn)生局部沉降，且因結(jié)構(gòu)開裂，出現(xiàn)翻漿冒泥，慣性晃車現(xiàn)象嚴(yán)重。為保證行車安全，已對隧道內(nèi)線路進行了3次大型機械搗固作業(yè)，但治理效果不理想。后因病害地段基床繼續(xù)下陷，又對該地段進行維修作業(yè)，但收效甚微。為了探明基底病害產(chǎn)生的原因，采用地質(zhì)雷達與地質(zhì)鉆孔對隧道基底進行了探查，探查結(jié)果顯示該隧道隧底存在脫空現(xiàn)象，脫空厚度一般為5～10 cm，橫向脫空寬度主要分布在30～80 cm。典型探測結(jié)果如圖2所示。

依據(jù)探測結(jié)果及隧底病害表現(xiàn)，基底不斷沉降變形的首要原因主要是在列車荷載長期反復(fù)作用下，因基底圍巖在地下水浸泡軟化，逐漸破碎，在超孔隙水壓力作用下，細小顆粒沿隧底結(jié)構(gòu)裂縫擠出，造成基底脫空，為沉降變形提供了較大空間。

圖1 隧道地質(zhì)縱剖面

圖2 基底不密實病害

1.2 測試方案

為了分析該隧道基底在列車荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)，為分析隧道基底病害產(chǎn)生的機理奠定基礎(chǔ)，首先在Ⅲ級圍巖正常段落選取典型斷面?；冖蠹墖鷰r隧道斷面結(jié)構(gòu)的分析，為了避免軌枕下碎石道床的影響，直接將壓力盒埋設(shè)安放在隧道鋪底混凝土頂面，直接獲得列車荷載作用下的鋪底混凝土層的動力時程曲線。壓力盒具體安放位置如圖3所示。3個測點分別在基底鋪底混凝土層頂面的軌道中心、軌枕端頭下及軌道處下3處不同位置。

為了保證測試數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先清除頂面上道砟，然后在鋪底混凝土頂面鋪設(shè)1～2 cm細砂進行找平，之后將壓力盒固定好后，再在壓力盒上覆蓋一層3～5 cm細砂，最后進行道砟回填。為了保證測試數(shù)據(jù)有效性與真實性，正式數(shù)據(jù)采集安排在壓力盒埋設(shè)后7 d后進行。

圖3 測試布置示意

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果分析

現(xiàn)場測試經(jīng)歷數(shù)天，每天有數(shù)十列列車經(jīng)過新大成隧道，在這些列車中既有客車通過，也有貨車經(jīng)過。在每列車中各組成車廂的情況也不相同，導(dǎo)致波形呈現(xiàn)不同起伏變化。測試數(shù)據(jù)較多，本文選取列車荷載較大的測試數(shù)據(jù)進行分析，相應(yīng)測試結(jié)果見圖4。

圖4 鋪底頂面動載時程曲線

由圖4可以看出，在軌枕端處鋪底混凝土頂面受到的最大動載為20 kPa；軌道位置鋪底混凝土頂面受到最大動載為80 kPa；在中間位置處最大動載值為60 kPa?？梢娷壍老落伒谆炷潦艿降膭雍奢d最大，其次是軌道中間位置，軌枕端頭處受到的動載最小。這主要是因為鋼軌將列車荷載通過軌枕及道砟傳遞至鋪底混凝土上，中間部分由于受到兩側(cè)鋼軌的共同作用，加之軌枕將荷載平均分散，動載小于軌道處，兩側(cè)位置處于軌枕的端頭，動載較中間部分衰減更快。此外，由圖4還可看出，列車荷載作用頻率在2 Hz左右。

因?qū)к壸笥覂蓚?cè)動載基本呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，因此，鋪底混凝土頂面動載橫向分布如圖5所示?；谏鲜龇治觯梢钥闯?，列車荷載沿橫斷面呈現(xiàn)“M”形分布規(guī)律。

圖5 鋪底頂面動載橫向分布

3 基底受力數(shù)值分析

通過隧道基底病害調(diào)查，該隧道基底存在不密實及脫空。故數(shù)值模擬中，除了模擬按實測隧道建立的正常斷面模型外，還重點模擬了其基底脫空斷面的情況，以便分析隧道基底病害對襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響。

3.1 計算模型

采用有限元軟件ABAQUS建模，以實際行車速度為40 km/h條件下的單線鐵路Ⅲ級圍巖的隧道斷面為典型計算斷面，建立隧道實際斷面和基底脫空斷面兩個數(shù)值計算模型，其中基底脫空斷面的幾何模型如圖6所示。根據(jù)現(xiàn)場探查的實際結(jié)果，為分析基底脫空規(guī)模和脫空位置對基底結(jié)構(gòu)受力的影響，模型中脫空寬度取40 cm和80 cm進行對比，厚度統(tǒng)一取10 cm，脫空區(qū)上壁距隧道鋪底頂面的距離為60 cm。結(jié)合隧道跨度，脫空區(qū)距隧道中線橫向距離以80 cm為間隔，脫空區(qū)距隧道中線距離分別為0，80 cm和160 cm。對脫空情況取基底3條測線進行分析，具體情況見圖6。

圖6 基底脫空示意

計算模型埋深取50 m。在確定計算范圍時，水平方向上以隧道中線為軸線，左右兩側(cè)各取50 m，底部邊界取豎直方向上距離隧道中心50 m。數(shù)值模型中，采用六節(jié)點實體單元；其中，為直觀看出襯砌部分的應(yīng)力，初期支護和二次襯砌也采用實體單元，隧道基底采用人工手段剖分單元網(wǎng)格。計算網(wǎng)格模型見圖7。

圖7 隧道計算網(wǎng)格模型

3.2 計算參數(shù)的確定

邊界條件根據(jù)研究的實際情況，在隧道模型兩側(cè)施加水平位移約束，在底面邊界上施加水平與豎向的位移約束。動載施加于鋪底混凝土頂面情況見圖5，施加荷載的時程曲線取實測荷載的兩個周期進行計算。

材料參數(shù)的確定：圍巖強度準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則，將隧道支護結(jié)構(gòu)混凝土材料及隧道周邊圍巖簡化成均質(zhì)的、各向同性的彈性材料。數(shù)值模擬具體計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值分析材料參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 正常斷面基底豎向動應(yīng)力

在列車荷載作用下，正常斷面基底中心線、軌道處、軌枕端頭處動應(yīng)力見圖8。

圖8 基底結(jié)構(gòu)動應(yīng)力曲線

由圖8可知，軌道處動應(yīng)力沿深度衰減最快，自鋪底混凝土頂面的76 kPa，到深度為3.5 m，動應(yīng)力降低為18 kPa左右，且呈現(xiàn)單調(diào)降低趨勢。斷面中心線處的動應(yīng)力初期隨著深度的增加呈增加趨勢，當(dāng)深度達1.0 m時，動應(yīng)力達到最大值，然后隨深度增加，動應(yīng)力逐漸減小，最終深度為3.8 m時，動應(yīng)力降低至20 kPa左右。軌枕端頭處動應(yīng)力的變化規(guī)律與中間位置動應(yīng)力變化規(guī)律較為類似，但增加幅度相對較小。

數(shù)值模擬的基底無病害情況下，基底動應(yīng)力與實測動應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律類似，但實際測試中一方面列車荷載存在不確定性；另一方面埋設(shè)在鋪底混凝土頂面與基底實際情況有略微差別，導(dǎo)致壓力傳遞至壓力盒過程中有一定的損失，所以實測與數(shù)值模擬的動應(yīng)力數(shù)值在不同深度略有差異，但結(jié)果偏小。

4.2 脫空斷面基底豎向動應(yīng)力

4.2.1 中心線動應(yīng)力

基底脫空寬度40 cm及80 cm處于不同位置時，中心線處動應(yīng)力曲線如圖9所示。

圖9 中心線處動應(yīng)力曲線

由圖9可以看出，在列車荷載作用下，當(dāng)基底脫空區(qū)位于中心線位置時，中心線動應(yīng)力出現(xiàn)先減小再增加現(xiàn)象，即在脫空區(qū)上部動應(yīng)力逐漸減小，在其下部時逐漸增加，當(dāng)深度接近2.0 m時，中心線動應(yīng)力大小與未脫空時基本一致。當(dāng)基底脫空寬度40 cm距隧道中線距離大于80 cm以上時與脫空寬度80 cm距隧道中線160 cm時，脫空區(qū)的存在，對中心線動應(yīng)力大小基本沒有影響。值得注意的是，當(dāng)脫空寬度80 cm距隧道中線80 cm，即脫空區(qū)側(cè)邊處于隧道中線時，中心線動應(yīng)力出現(xiàn)增加現(xiàn)象，增加近50%。

4.2.2 軌道處動應(yīng)力

基底脫空寬度40 cm及80 cm處于不同位置時，軌道處動應(yīng)力如圖10所示。

圖10 軌道處動應(yīng)力曲線

由圖10可以看出，在列車荷載作用下，基底脫空區(qū)在中心位置與最外側(cè)(脫空區(qū)距隧道中線為0 cm與160 cm)時，動應(yīng)力基本與未脫空情況基本一致。當(dāng)基底脫空區(qū)位于軌道處，該處應(yīng)力出現(xiàn)先減小再增加現(xiàn)象，即在脫空區(qū)上部動應(yīng)力逐漸減小，在其下部時動應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)深度接近2.0 m時，該處動應(yīng)力大小與未脫空時基本一致。值得注意的是，當(dāng)基底脫空區(qū)距隧道中線80 cm時，即脫空區(qū)位于軌道處的一側(cè)時，動應(yīng)力增大。

4.2.3 軌枕端頭動應(yīng)力

基底脫空寬度40 cm及80 cm處于不同位置時，軌枕端頭處動應(yīng)力如圖11所示。

圖11 軌枕端頭處動應(yīng)力曲線

由圖11可以看出，在列車荷載作用下，基底脫空寬度40 cm距隧道中線為0 cm與80 cm時和脫空寬度80 cm距隧道中線0 cm時，軌枕端頭處位置動應(yīng)力基本與未脫空情況基本一致?；酌摽諈^(qū)距隧道中線為160 cm時，由于脫空區(qū)位于軌枕端頭處，該處動應(yīng)力出現(xiàn)先減小再增加現(xiàn)象，即在脫空區(qū)上部逐漸減小，在其下部時逐漸增加，當(dāng)深度接近2.0 m時，該處動應(yīng)力大小與未脫空時基本一致。值得注意的是，當(dāng)基底脫空區(qū)距隧道中線為80 cm時，該處動應(yīng)力出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象。

脫空寬度80 cm時的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和脫空寬度40 cm時規(guī)律一致，在列車荷載作用下，基底脫空位于測線位置時，動應(yīng)力出現(xiàn)先減小再增加現(xiàn)象，即在脫空區(qū)上部動應(yīng)力逐漸減小，在其下部時逐漸增加，當(dāng)深度接近2.0 m時，測線動應(yīng)力大小與未脫空時基本一致。當(dāng)脫空區(qū)域距隧道中線80 cm，即脫空區(qū)域出現(xiàn)在軌道下方時，振動應(yīng)力突變最大，振動應(yīng)力達到120 kPa。測線位于脫空區(qū)域側(cè)邊時，該處動應(yīng)力出現(xiàn)急增，脫空區(qū)域側(cè)壁受力較大，存在應(yīng)力突增現(xiàn)象。對基底脫空地段應(yīng)及時處理，以保證基底結(jié)構(gòu)的安全。

通過脫空寬度80 cm與脫空寬度40 cm比較，當(dāng)脫空寬度為40 cm時，脫空區(qū)沿豎向的影響范圍約為1 m；當(dāng)脫空寬度為80 cm時，脫空區(qū)沿豎向的影響范圍約為2 m。脫空寬度的增加，造成的列車荷載引起的動應(yīng)力沿豎向影響范圍增加1倍。可見基底脫空區(qū)寬度的增加對結(jié)構(gòu)安全影響巨大，在實際檢測中應(yīng)密切關(guān)注基底脫空范圍。

4.3 基底振動特性分析

根據(jù)已有的經(jīng)驗，列車經(jīng)過時產(chǎn)生的加速度對隧道結(jié)構(gòu)的安全性有較大影響，故根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，提取在基底脫空條件下的鋪底頂面軌道下與中心線的加速度和振動位移。以此來評價基底病害對結(jié)構(gòu)加速度的影響。

4.3.1 鋪底頂面的加速度

鋪底頂面在不同脫空位置下的加速度峰值曲線如圖12所示。

圖12 不同脫空位置加速度峰值

從圖12可以看出，鋪底中心處的加速度隨著脫空區(qū)距隧道中線越遠逐漸變小，是由于下部存在脫空區(qū)時，臨空面的存在，材料變形更大；軌道的加速度隨著脫空區(qū)距隧道中線越遠先變大再變小，當(dāng)基底脫空區(qū)距隧道中線0.8 m左右，即脫空區(qū)位于軌道時，加速度達到最大，為0.277 m/s2。脫空區(qū)位于軌道時加速度最大是由于軌道列車傳遞的動載最大，加速度本質(zhì)上來說是由于荷載擠壓混凝土造成的，當(dāng)最大荷載作用在脫空區(qū)的中部時，產(chǎn)生的變形自由度最大。

脫空寬度80 cm時的豎向加速度規(guī)律和脫空寬度40 cm時的規(guī)律一致，但數(shù)值上較脫空寬度40 cm大。最大加速度出現(xiàn)在脫空區(qū)距隧道中線80 cm時軌道處，達到0.358 m/s2，比脫空寬度40 cm最大值增大30%，由加速度分析可知，脫空區(qū)的存在對鋪底部分加速度產(chǎn)生了很大影響，且對脫空區(qū)的寬度尤其敏感。

4.3.2 鋪底頂面的振動位移

鋪底頂面在不同脫空位置下的振動位移峰值曲線如圖13所示。

圖13 不同脫空位置振動位移峰值

由圖13可見，在基底不同位置脫空條件下，鋪底中心處與軌道處的振動位移同加速度規(guī)律一致。中心處的振動位移隨著脫空區(qū)距隧道中線變遠逐漸變?。卉壍赖恼駝游灰齐S著脫空區(qū)距隧道中線變遠先變大再變小，當(dāng)基底脫空區(qū)距隧道中線0.8 m左右，即脫空區(qū)位于軌道，振動位移達到最大，為0.0302 mm。同樣，脫空區(qū)位于軌道時振動位移最大，也是由于軌道列車傳遞的動載最大，振動位移本質(zhì)上來說是由于荷載擠壓混凝土造成的，當(dāng)最大荷載作用在脫空區(qū)的中部時，產(chǎn)生的變形自由度最大。

脫空寬度80 cm時的豎向振動位移規(guī)律和脫空寬度40 cm時的規(guī)律一致，但數(shù)值上較脫空寬度40 cm大。最大振動位移出現(xiàn)在脫空區(qū)距隧道中線80 cm時軌道處，達到0.031 mm，比脫空寬度40 cm最大值增大3%。

5 結(jié)論

(1)列車荷載作用下，軌道位置的動應(yīng)力沿深度衰減最快，且呈現(xiàn)單調(diào)降低趨勢。斷面中間位置處的動應(yīng)力隨著深度的增加呈增加趨勢，當(dāng)深度達1.0 m時，動應(yīng)力達到最大值，然后隨深度增加，動應(yīng)力逐漸減小。軌枕端頭處動應(yīng)力的變化規(guī)律與中間位置動應(yīng)力變化規(guī)律較為類似，但增加幅度相對較小。

(2)基底存在40 cm與80 cm寬脫空區(qū)時，在軌枕端頭處、軌道處及中心線處應(yīng)力規(guī)律基本一致，在脫空區(qū)處應(yīng)力出現(xiàn)先減小再增加現(xiàn)象，即在脫空區(qū)上部應(yīng)力逐漸減小，在其下部時應(yīng)力逐漸增加，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且軌道處突變最大，脫空區(qū)影響深度范圍約2 m。

(3)列車荷載作用下，在基底存在脫空區(qū)時，鋪底中心處的振動位移與加速度隨著脫空區(qū)位置向兩側(cè)移動逐漸變小;軌道處的振動位移與加速度隨著脫空區(qū)距隧道中線變遠先變大再變小，其中脫空區(qū)位于軌道處下時鋪底頂面軌道處加速度和振動位移達到最大。

(4)通過對脫空寬度80 cm與脫空寬度40 cm相比較，脫空寬度的增加，造成的列車荷載引起的動應(yīng)力沿豎向影響范圍增加1倍左右，且鋪底頂面的振動位移與加速度均增大?；酌摽諈^(qū)寬度的增加對結(jié)構(gòu)安全影響巨大，在實際檢測中應(yīng)密切關(guān)注基底脫空范圍的大小。