孫明輝，晏啟祥，李彬嘉，吳政隆，張建輝，鄧志鑫

（1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；3.四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610042）

營(yíng)運(yùn)列車(chē)脫軌事故在世界范圍內(nèi)時(shí)有發(fā)生。2013年7月24日，西班牙1列快速列車(chē)由馬德里開(kāi)往費(fèi)羅爾的途中發(fā)生嚴(yán)重脫軌事故；2016年11月20日，印度1 列14 節(jié)編組的快速列車(chē)全部脫軌；2019年9月12日，剛果民主共和國(guó)東南部坦噶尼喀?。═anganyika）發(fā)生1 起列車(chē)脫軌事故；2020年2月6日，意大利1 列由米蘭始發(fā)的高速列車(chē)在行駛途中脫軌造成人員傷亡。這些脫軌事故帶來(lái)的慘痛教訓(xùn)至今仍尤為深刻。當(dāng)前世界范圍內(nèi)鐵路規(guī)模不斷增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)營(yíng)速度持續(xù)提高，一旦發(fā)生脫軌事故，造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等將更為嚴(yán)重。列車(chē)脫軌引發(fā)安全事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)，正日益引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在日本，學(xué)者Doi、Hung、Ishida、Sato 等建立了多體動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)脫軌行為開(kāi)展了一系列相關(guān)研究［1-4］。在我國(guó)，關(guān)慶華［5］對(duì)列車(chē)脫軌機(jī)理及運(yùn)行安全性進(jìn)行了系統(tǒng)研究；劉艷輝等［6］對(duì)歐洲規(guī)范中列車(chē)脫軌撞擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；朱翔等［7］采用非線性有限元方法，分析了列車(chē)脫軌后的運(yùn)行姿態(tài)；張景峰等［8］對(duì)脫軌列車(chē)撞擊U 型梁的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。但以上研究大多關(guān)注列車(chē)脫軌機(jī)理或是脫軌撞擊地面結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)。

近年來(lái)，開(kāi)始有學(xué)者關(guān)注列車(chē)脫軌撞擊盾構(gòu)隧道相關(guān)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。盾構(gòu)隧道具有修筑速度快、對(duì)環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為修建城市地鐵和鐵路水下線路的首選方案。但同時(shí)，盾構(gòu)隧道也存在整體剛度低、穩(wěn)定性較整體式現(xiàn)澆襯砌結(jié)構(gòu)差等缺點(diǎn)。當(dāng)列車(chē)在隧道內(nèi)脫軌時(shí)，勢(shì)必會(huì)與隧道發(fā)生劇烈撞擊，特別是在盾構(gòu)隧道，因脫軌產(chǎn)生的撞擊，極易引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)損傷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致盾構(gòu)隧道貫穿性破壞、防水失效、局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等一系列安全問(wèn)題。對(duì)于此，張蒙［9］通過(guò)建立列車(chē)—?jiǎng)傂詨?shù)值模型研究了盾構(gòu)隧道襯砌動(dòng)力響應(yīng)特性；李彬［10］研究了撞擊荷載下雙層襯砌盾構(gòu)隧道以及接頭螺栓的開(kāi)裂行為；晏啟祥等［11-15］在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)列車(chē)撞擊盾構(gòu)隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；肖明清等［16］研究了不同類型列車(chē)撞擊盾構(gòu)隧道的動(dòng)力響應(yīng)。以上研究采用的模擬方法，大多是提取列車(chē)撞擊剛性墻仿真實(shí)驗(yàn)獲得的撞擊荷載，然后以平均面力的形式施加到盾構(gòu)隧道內(nèi)表面，沒(méi)有考慮撞擊過(guò)程中，列車(chē)與襯砌結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)態(tài)接觸行為，更鮮有考察列車(chē)不同脫軌速度撞擊盾構(gòu)隧道襯砌管片損傷特性的相關(guān)研究。

為此，本文建立了考慮列車(chē)與盾構(gòu)隧道非線性動(dòng)態(tài)接觸行為的有限元模型，依托上海—南通跨黃浦江盾構(gòu)隧道工程，研究列車(chē)不同速度脫軌撞擊作用下撞擊荷載特性?；诨炷了苄該p傷理論，以200 km·h-1脫軌速度撞擊下的盾構(gòu)隧道為例，研究分析列車(chē)撞擊下隧道管片襯砌的損傷演化規(guī)律，并對(duì)比研究列車(chē)不同脫軌速度撞擊對(duì)襯砌管片拉壓損傷的影響。以期解決前述問(wèn)題，為盾構(gòu)隧道的防撞設(shè)計(jì)提供參考。

1 考慮列車(chē)與盾構(gòu)隧道非線性動(dòng)態(tài)接觸行為的有限元模型

為進(jìn)行列車(chē)撞擊盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真分析，依托上?！贤琰S浦江盾構(gòu)隧道工程，分別建立圍巖—襯砌模型和簡(jiǎn)化動(dòng)車(chē)組列車(chē)模型。通過(guò)設(shè)置襯砌與列車(chē)之間的接觸算法，對(duì)撞擊過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。

1.1 圍巖—襯砌模型

根據(jù)地質(zhì)資料，選取隧道位于砂性土以及風(fēng)化泥質(zhì)粉砂地層當(dāng)中。隧道襯砌內(nèi)外直徑分別為9.8和10.8 m，管片幅寬為2 m。襯砌管片采用錯(cuò)縫拼裝方式，襯砌環(huán)接縫連接包括24 顆環(huán)向螺栓和22顆縱向螺栓。在保證計(jì)算精度的前提下，為了提高計(jì)算效率，僅將列車(chē)初始撞擊位置附近的5環(huán)管片進(jìn)行拼裝式建模，并采用較小的網(wǎng)格尺寸；其余各環(huán)管片襯砌按照抗彎剛度等效的原則作均質(zhì)化近似處理。

選取隧道的圍巖—襯砌模型如圖1所示，圍巖模型的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為120，40和40 m，上邊界設(shè)置為自由邊界，其余邊界通過(guò)設(shè)置黏彈性人工邊界來(lái)近似模擬巖體無(wú)限域邊界條件。圍巖和管片襯砌單元類型皆為8 節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元（C3D8R）。圍巖單元數(shù)16 240 個(gè)，管片襯砌單元數(shù)127 584 個(gè)。圍巖材料采用彈性模型，管片襯砌采用混凝土塑性損傷模型［18］。圍巖、襯砌和接頭螺栓的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 圍巖—襯砌有限元模型（單位：m）

表1 材料參數(shù)

1.2 動(dòng)車(chē)組列車(chē)簡(jiǎn)化模型

在列車(chē)高速撞擊過(guò)程中，撞擊荷載特征主要由前幾節(jié)列車(chē)決定。英國(guó)學(xué)者Lu［17］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車(chē)編組輛數(shù)達(dá)到4節(jié)時(shí)，就與完全模擬整列編組列車(chē)獲得的荷載具有較高的相似度?？紤]到計(jì)算成本，本文在研究時(shí)，參照上述研究結(jié)果，建立4節(jié)編組的列車(chē)模型，進(jìn)行撞擊動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析。

依據(jù)實(shí)際列車(chē)尺寸，建立能反映列車(chē)基本幾何特性的列車(chē)簡(jiǎn)化模型如圖2所示，其中機(jī)車(chē)長(zhǎng)26.200 m，后續(xù)車(chē)輛長(zhǎng)24.175 m；機(jī)車(chē)與車(chē)輛高3.890 m，寬3.260 m。車(chē)體之間的車(chē)鉤及緩沖裝置通過(guò)非線性彈簧模擬，其力學(xué)參數(shù)取值依據(jù)中國(guó)常用車(chē)鉤及緩沖裝置力學(xué)性能參數(shù)，剛度為2 000 kN·m-1，阻尼系數(shù)為40 kN·m-1。

圖2 列車(chē)有限元模型

構(gòu)建列車(chē)模型時(shí)，主要采用4 節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元（S4R），車(chē)頭流線型區(qū)域則采用3 節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元（S3R），列車(chē)單元總數(shù)為22 342，網(wǎng)格模型如圖3所示。車(chē)體材料為鋁合金?？紤]到車(chē)載設(shè)備和車(chē)輛定額人員也是車(chē)輛荷載的組成部分之一，通過(guò)在列車(chē)模型局部區(qū)域嵌入玻璃鋼和泡沫材料等實(shí)現(xiàn)列車(chē)剛度和質(zhì)量分布的近似等效［18］。列車(chē)采用等向強(qiáng)化彈塑性模型，考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 列車(chē)網(wǎng)格模型

表2 列車(chē)材料參數(shù)

1.3 脫軌撞擊假設(shè)條件

營(yíng)運(yùn)列車(chē)由于車(chē)輛和軌道結(jié)構(gòu)破壞、車(chē)輛系統(tǒng)蛇形失穩(wěn)、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)以及地震、空氣動(dòng)力等原因可能發(fā)生脫軌事故［5］。Grob［19］通過(guò)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，列車(chē)初始脫軌姿態(tài)主要包括以下3種：①列車(chē)機(jī)車(chē)（車(chē)頭位置）脫軌；②列車(chē)尾部脫軌；③列車(chē)中間段任意相鄰兩節(jié)車(chē)脫離軌道。由于列車(chē)實(shí)際脫軌情況十分復(fù)雜，列車(chē)脫軌機(jī)理也非本文研究重點(diǎn)，因此本文假定列車(chē)按照Grob 提出的第1 種方式發(fā)生脫軌（機(jī)車(chē)首先脫軌），脫軌撞擊角度為12.5°，列車(chē)與襯砌、襯砌與圍巖以及襯砌管片間設(shè)置面面接觸。此時(shí)，法向接觸行為設(shè)置為“硬”接觸，可以傳遞各種接觸壓力；切向接觸行為設(shè)置為庫(kù)倫摩擦接觸［20］；接觸算法采用罰函數(shù)方法，列車(chē)的動(dòng)能通過(guò)接觸面施加到管片襯砌內(nèi)表面。根據(jù)模型尺寸及脫軌撞擊角度，設(shè)置列車(chē)與隧道襯砌內(nèi)側(cè)的初始接觸位置如圖4所示。撞擊過(guò)程中，列車(chē)與隧道襯砌之間的動(dòng)態(tài)接觸區(qū)域，根據(jù)接觸算法由有限元程序自動(dòng)計(jì)算識(shí)別，相應(yīng)列車(chē)—襯砌—圍巖動(dòng)力分析模型如圖5所示。

圖4 列車(chē)與隧道襯砌初始接觸

圖5 列車(chē)—襯砌—圍巖動(dòng)力分析模型

為準(zhǔn)確分析不同脫軌速度列車(chē)撞擊作用下盾構(gòu)隧道的動(dòng)力損傷特性，選取列車(chē)脫軌速度作為唯一控制變量，并結(jié)合我國(guó)旅客列車(chē)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度，按高速（300 km·h-1）、中速（200 km·h-1）、低速（120 km·h-1）3種速度分別進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］，列車(chē)與隧道劇烈撞擊作用主要發(fā)生在撞擊時(shí)刻50 ms 時(shí)間范圍內(nèi)。為提高計(jì)算效率，按此數(shù)值設(shè)置計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

2 模型計(jì)算結(jié)果

基于上述模型，對(duì)列車(chē)撞擊盾構(gòu)隧道的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，提取列車(chē)撞擊荷載及拉壓損傷，分析如下。

2.1 列車(chē)撞擊荷載

2.1.1 撞擊荷載變化規(guī)律

圖6 撞擊力分量時(shí)程曲線

3 種脫軌速度下，列車(chē)撞擊盾構(gòu)隧道的撞擊力分量時(shí)程曲線如圖6所示，設(shè)x方向?yàn)樗矫鎯?nèi)垂直隧道軸線方向，y方向?yàn)樨Q直方向，z方向?yàn)檠厮淼垒S線方向。由圖可知，3 種脫軌速度下，各方向撞擊力分量的變化規(guī)律基本一致：從列車(chē)與隧道襯砌發(fā)生碰撞接觸開(kāi)始各方向撞擊力迅速增大，在短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到峰值，之后撞擊力震蕩減小，在大約25 ms 以后撞擊力保持穩(wěn)定波動(dòng)。這說(shuō)明列車(chē)與隧道襯砌結(jié)構(gòu)劇烈的撞擊作用主要發(fā)生在撞擊前期，即25 ms 之前；之后撞擊作用主要表現(xiàn)為列車(chē)與盾構(gòu)隧道內(nèi)壁的刮擦接觸。由此，根據(jù)撞擊荷載的變化規(guī)律，可將列車(chē)與盾構(gòu)隧道的撞擊過(guò)程分為初始撞擊、碰撞耗能以及穩(wěn)定撞擊3個(gè)階段。

（1）初始撞擊階段，自列車(chē)開(kāi)始與管片襯砌接觸，至撞擊力達(dá)到峰值。此階段中，列車(chē)機(jī)車(chē)前部與盾構(gòu)隧道發(fā)生接觸碰撞，而后續(xù)車(chē)輛由于慣性的影響仍然以較高的速度運(yùn)行。由于后續(xù)車(chē)輛的持續(xù)沖擊，機(jī)車(chē)與管片襯砌之間的碰撞力不斷增加，并達(dá)到峰值。

（2）碰撞耗能階段，自撞擊荷載達(dá)到峰值，至撞擊后大約25 ms。此階段中，機(jī)車(chē)與相接觸的管片襯砌均產(chǎn)生較大的變形，列車(chē)動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)車(chē)以及襯砌管片的塑性耗散能和內(nèi)能，撞擊荷載持續(xù)減小。

（3）穩(wěn)定撞擊階段，自撞擊后大約25 ms，至撞擊分析結(jié)束時(shí)間。此階段中，列車(chē)與管片襯砌間劇烈的撞擊過(guò)程基本結(jié)束，列車(chē)與襯砌管片主要發(fā)生刮擦接觸。由于此時(shí)列車(chē)仍有較高的運(yùn)行速度，總撞擊力保持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.1.2 撞擊荷載峰值對(duì)比

整理3 種脫軌速度下，各撞擊力分量的峰值以及達(dá)到峰值的時(shí)刻見(jiàn)表3?？梢钥闯觯S列車(chē)脫軌速度的增加，各撞擊力分量的峰值也在增大，并且撞擊力分量峰值發(fā)生的時(shí)刻也有所延后。

表3 撞擊力分量峰值及發(fā)生時(shí)刻

以x方向撞擊力分量為例進(jìn)行兩兩比較。當(dāng)列車(chē)脫軌速度為120 km·h-1時(shí)，x方向撞擊力分量峰值為1 974.8 kN，發(fā)生時(shí)刻為5.4 ms；當(dāng)列車(chē)脫軌速度增至200 km·h-1時(shí)，撞擊力峰值為3 227.9 kN，大約是120 km·h-1速度下x方向撞擊力分量峰值的1.6倍，發(fā)生時(shí)刻則延緩1.5 ms。當(dāng)列車(chē)脫軌速度為300 km·h-1時(shí)，x方向撞擊力分量增至4 926.1 kN，大約是120 km·h-1速度下的2.5 倍，發(fā)生時(shí)刻則延緩3.6 ms。這說(shuō)明，撞擊分量峰值隨列車(chē)脫軌速度的增加呈非線性增大趨勢(shì)。

就3 個(gè)方向的撞擊力分量做進(jìn)一步分析可知，x方向撞擊力分量的峰值最大，y方向和z方向撞擊力分量的峰值相差不多，并且3個(gè)方向撞擊力分量峰值幾乎是在同一時(shí)刻達(dá)到最大值。

當(dāng)列車(chē)脫軌速度為120 km·h-1時(shí)，x方向撞擊力分量峰值大約是其他方向撞擊力峰值的1.6倍。當(dāng)列車(chē)脫軌速度為200 km·h-1時(shí)，x方向撞擊力分量峰值與其他2個(gè)方向撞擊力分量峰值的比值大約為1.7～1.8。當(dāng)列車(chē)脫軌速度增至300 km·h-1時(shí)，x方向撞擊力分量峰值與其他2 個(gè)方向撞擊力分量峰值的比值約為1.7～2.0。

將模擬結(jié)果與國(guó)際鐵路聯(lián)盟2002年發(fā)布的UIC777第2 版規(guī)范［21］進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)列車(chē)脫軌速度為120 和200 km·h-1時(shí)，橫向撞擊力分量峰值分別為1 974.8 和3 227.9 kN，低于規(guī)范規(guī)定的最大橫向撞擊荷載3 500 kN。當(dāng)列車(chē)脫軌速度增至300 km·h-1時(shí)，橫向撞擊力峰值則增至4 926.1 kN，超過(guò)規(guī)范規(guī)定值的41%。這意味著，隨著我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，在參照國(guó)際鐵路聯(lián)盟規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際對(duì)規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.2 襯砌管片損傷

為便于分析襯砌管片損傷發(fā)展情況，將列車(chē)撞擊點(diǎn)周?chē)? 環(huán)拼裝式襯砌依次編號(hào)為：R1，R2，R3，R4，R5。單環(huán)管片從封頂塊開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)為：F1，L1，B1，B2，B3，B4，B5，L2。如圖7（a）和圖7（b）所示。

模擬可知，列車(chē)與盾構(gòu)隧道的撞擊接觸主要發(fā)生在R1～R3 襯砌環(huán)，為此，在列車(chē)初始撞擊點(diǎn)所在的L1-3管片及其縱向相連的2塊管片上（B1-2，L1-1）沿列車(chē)行進(jìn)方向設(shè)置15 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各觀測(cè)點(diǎn)間距0.5 m，列車(chē)初始撞擊點(diǎn)為3 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，如圖7（c）所示。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，3 種脫軌速度撞擊下，襯砌管片的損傷演化規(guī)律基本一致，但限于篇幅，本文僅以200 km·h-1撞擊速度下的盾構(gòu)隧道為例，研究襯砌管片的拉壓損傷發(fā)展情況，分析列車(chē)撞擊對(duì)盾構(gòu)隧道損傷演化的影響。

2.2.1 壓縮損傷發(fā)展趨勢(shì)

1）壓縮損傷發(fā)展及分布

特定時(shí)刻下，盾構(gòu)隧道襯砌管片內(nèi)、外表面壓縮損傷發(fā)展情況如圖8所示。由圖可知，在列車(chē)劇烈的撞擊作用下，襯砌管片內(nèi)、外表面均會(huì)出現(xiàn)較大程度的壓縮損傷。

圖7 襯砌管片編號(hào)及數(shù)值觀測(cè)點(diǎn)

圖8 襯砌管片內(nèi)、外表面壓縮損傷演化

從時(shí)間的變化來(lái)看，0.5 ms 時(shí)，在襯砌管片內(nèi)表面列車(chē)初始撞擊點(diǎn)附近開(kāi)始出現(xiàn)壓縮損傷，此時(shí)管片外表面尚未出現(xiàn)壓縮損傷；隨著時(shí)間的推移，襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷值迅速發(fā)展；至2.5 ms 時(shí)，襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷最大值已達(dá)0.941 5（超過(guò)0.9，即表明襯砌結(jié)構(gòu)剛度極大弱化，可能導(dǎo)致隧道出現(xiàn)貫穿性裂縫或局部失穩(wěn)），此時(shí)管片外表面也出現(xiàn)了一定程度的壓縮損傷，最大壓縮損傷值達(dá)0.418；20 ms 時(shí)，內(nèi)、外表面壓縮損傷已經(jīng)從初始撞擊管片發(fā)展到相鄰的管片上，并且外表面的壓縮損傷最大值也達(dá)0.941 5；20 ms之后壓縮損傷的范圍逐漸擴(kuò)大，壓縮損傷峰值并無(wú)明顯增大。

從損傷的分布來(lái)看，壓縮損傷主要分布在R1、R2 和R3 環(huán)的L1-1、L1-2、B1-2、L1-3 這4 塊管片上，其中壓縮損傷值較大（大于0.9）的區(qū)域主要集中在B1-2、L1-3 這2 塊管片。在撞擊分析結(jié)束時(shí)刻，壓縮損傷分布范圍呈現(xiàn)出沿隧道軸向大于環(huán)向的“梭形”形態(tài)。

總體來(lái)看，襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷的發(fā)展更為迅速。在撞擊分析結(jié)束時(shí)刻，襯砌管片外表面壓縮損傷的分布范圍更為廣泛。壓縮損傷值的發(fā)展主要是在撞擊初始階段，之后壓縮損傷的演化主要體現(xiàn)為壓縮損傷分布范圍的擴(kuò)大。

2）壓縮損傷值

撞擊結(jié)束時(shí)，提取各觀測(cè)點(diǎn)的壓縮損傷值如圖9所示。由圖可知，在列車(chē)劇烈的撞擊作用下，管片內(nèi)、外表面各觀測(cè)點(diǎn)位置都出現(xiàn)了不同程度的壓縮損傷，其中壓縮損傷較大值（大于0.9）主要出現(xiàn)在觀測(cè)點(diǎn)3～8。內(nèi)、外表面壓縮損傷最大值均達(dá)到0.941 5，此時(shí)盾構(gòu)隧道襯砌管片已發(fā)生了較為嚴(yán)重的破壞。

圖9 各觀測(cè)點(diǎn)壓縮損傷值

沿列車(chē)行進(jìn)方向，在初始撞擊點(diǎn)前邊觀測(cè)點(diǎn)（觀測(cè)點(diǎn)1 和觀測(cè)點(diǎn)2）的壓縮損傷值處于較低水平。在初始撞擊點(diǎn)一定范圍內(nèi)襯砌管片壓縮損傷值達(dá)到0.9 以上，其后觀測(cè)點(diǎn)的壓縮損傷值迅速降低。在撞擊分析時(shí)間內(nèi)，壓縮損傷較大值僅分布在初始撞擊點(diǎn)所在管片及其鄰近管片上。

2.2.2 拉伸損傷發(fā)展趨勢(shì)

1）拉伸損傷發(fā)展及分布

具體時(shí)刻下，襯砌管片內(nèi)、外表面拉伸損傷的發(fā)展情況如圖10所示，與壓縮損傷的發(fā)展情況基本類似。

圖10 襯砌管片內(nèi)、外表面拉伸損傷演化

從時(shí)間的變化來(lái)看，在0.5 ms 時(shí)刻，襯砌管片內(nèi)表面開(kāi)始出現(xiàn)拉伸損傷，此時(shí)管片外表面尚未出現(xiàn)拉伸損傷。在1 ms 時(shí)刻，內(nèi)、外表面拉伸損傷已達(dá)到峰值，之后拉伸損傷的發(fā)展主要表現(xiàn)為損傷面積的不斷擴(kuò)大。

從損傷的分布來(lái)看，與壓縮損傷相比，拉伸損傷的分布范圍更加廣泛，不僅在出現(xiàn)在L1-1、L1-2、B1-2、L1-3 這4 塊管片上，在距離初始撞擊點(diǎn)一定距離的B1-3，L1-3，L1-4 等管片上也有出現(xiàn)，這與管片混凝土材料較弱的抗拉性能有關(guān)。

2）拉伸損傷值

提取撞擊分析結(jié)束時(shí)刻，襯砌管片各觀測(cè)點(diǎn)位置處的拉伸損傷值如圖11所示。由圖可知，觀測(cè)點(diǎn)3～13 位置處內(nèi)、外表面的拉伸損傷值均達(dá)到0.932 7。此時(shí)，出現(xiàn)拉伸損傷較大值（大于0.9）的觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)是出現(xiàn)壓縮損傷較大值個(gè)數(shù)的1.7倍，說(shuō)明拉伸損傷更容易導(dǎo)致管片襯砌的大面積破壞。其余各觀測(cè)點(diǎn)的拉伸損傷值也均表現(xiàn)出外表面大于內(nèi)表面的特征。

圖11 各觀測(cè)點(diǎn)拉伸損傷值

2.2.3 不同列車(chē)脫軌速度撞擊下的拉壓損傷對(duì)比

以3 種列車(chē)脫軌速度撞擊下，襯砌管片內(nèi)表面的損傷情況為分析對(duì)象，針對(duì)撞擊分析結(jié)束時(shí)刻（50 ms），分別構(gòu)建襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷和拉伸損傷云圖如圖12-13 所示。可以看出，隨著列車(chē)脫軌速度的提高，壓縮損傷和拉伸損傷的分布范圍均顯著增大，其中各列車(chē)脫軌速度撞擊下的拉伸損傷分布范圍均相對(duì)更為廣泛。

1）損傷峰值及損傷面積

進(jìn)一步分析3 種列車(chē)脫軌速度撞擊下，襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷和拉伸損傷的峰值以及損傷面積，見(jiàn)表4?？梢钥闯觯熊?chē)的脫軌速度并不會(huì)對(duì)壓縮損傷和拉伸損傷峰值產(chǎn)生較大的影響，在較小脫軌速度列車(chē)的撞擊下，襯砌管片內(nèi)表面仍會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷。而列車(chē)脫軌速度對(duì)損傷面積的影響則十分顯著。

以襯砌管片內(nèi)表面拉伸損傷面積為例。當(dāng)列車(chē)脫軌速度為120 km·h-1時(shí)，管片內(nèi)表面拉伸損傷面積約為16.76 m2；當(dāng)脫軌速度提高到200 km·h-1時(shí)，管片內(nèi)表面拉伸損傷面積則增至24.04 m2，約是120 km·h-1脫軌速度撞擊下拉伸損傷面積的1.4 倍；當(dāng)脫軌速度進(jìn)一步提高到300 km·h-1時(shí)，管片內(nèi)表面拉伸損傷面積達(dá)到30.51 m2，約是120 km·h-1撞擊速度下拉伸損傷面積的1.8倍。

圖12 襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷（50 ms）

圖13 襯砌管片內(nèi)表面拉伸損傷（50 ms）

表4 3種列車(chē)脫軌速度撞擊下襯砌管片內(nèi)表面壓縮損傷、拉伸損傷的峰值及面積

2）損傷分布

就管片內(nèi)表面的損傷分布范圍而言，同一脫軌速度列車(chē)撞擊下，拉伸損傷的面積始終大于壓縮損傷的面積。在撞擊分析結(jié)束時(shí)刻（50 ms），120 km·h-1脫軌速度撞擊下拉伸損傷面積大約為壓縮損傷面積的6.9 倍，200 km·h-1脫軌速度撞擊下拉伸損傷面積與壓縮損傷面積的比值為3.6；當(dāng)脫軌速度提高到300 km·h-1時(shí)，管片內(nèi)表面拉伸損傷面積增至30.51 m2，此時(shí)壓縮損傷面積為10.25 m2，兩者的比值大約為3.0。進(jìn)一步印證了：與壓縮損傷相比，拉伸損傷可能導(dǎo)致襯砌更大范圍內(nèi)的破壞。

3 結(jié) 論

（1）隨著列車(chē)脫軌速度的增加，各撞擊力分量的變化規(guī)律基本一致，撞擊力分量峰值卻呈現(xiàn)出非線性增大的特點(diǎn)，特別是當(dāng)列車(chē)脫軌速度為300 km·h-1時(shí)，橫向撞擊力峰值已超出UIC 規(guī)定值的41%。隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提升，參考UIC 規(guī)范進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正。

（2）在不同脫軌速度列車(chē)撞擊下，襯砌管片壓縮損傷與拉伸損傷的演化規(guī)律都基本一致。在列車(chē)劇烈的撞擊作用下，襯砌管片內(nèi)表面首先出現(xiàn)損傷，并在撞擊初始階段即達(dá)到峰值。管片外表面損傷值的發(fā)展略微滯后于內(nèi)表面。損傷達(dá)到峰值之后的發(fā)展主要表現(xiàn)為損傷面積的擴(kuò)大。

（3）襯砌管片壓縮損傷主要出現(xiàn)在列車(chē)初始撞擊位置臨近的4塊管片上，損傷范圍基本呈現(xiàn)出沿隧道軸向大于環(huán)向的“梭形”形態(tài)。拉伸損傷除了分布在初始撞擊位置臨近的管片之外，在距離初始撞擊位置較遠(yuǎn)的管片上也有不同程度的分布。

（4）列車(chē)脫軌速度對(duì)壓縮損傷和拉伸損傷的峰值并無(wú)明顯影響。在較小的脫軌速度撞擊下，襯砌管片仍會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷（損傷值大于0.9）。而隨著列車(chē)脫軌速度的增加，拉壓損傷面積均有顯著增大，且襯砌管片內(nèi)表面的拉伸損傷面積始終大于壓縮損傷面積。相較于壓縮損傷，拉伸損傷更易導(dǎo)致襯砌的大范圍破壞。