既有重載鐵路隧道基底混凝土厚度對(duì)隧底結(jié)構(gòu)受力的影響

程建平

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司，山西 原平 034000)

既有重載鐵路隧道基底混凝土厚度對(duì)隧底結(jié)構(gòu)受力的影響

程建平

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司，山西 原平 034000)

采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)一既有重載隧道基底混凝土厚度進(jìn)行了探測(cè)，測(cè)試斷面基底混凝土厚度小于設(shè)計(jì)值。利用ANSYS建立荷載—結(jié)構(gòu)平面動(dòng)力分析模型，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合實(shí)車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，分析了30 t軸重重載列車通過時(shí)隧道基底混凝土厚度對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響。分析結(jié)果表明，基底混凝土安全系數(shù)從規(guī)范中的3.0降至2.0，有一定的安全儲(chǔ)備?？紤]到隧道結(jié)構(gòu)尺寸要求，示范段內(nèi)的隧道基底混凝土厚度Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.5 m，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.4 m。因此，對(duì)于隧底出現(xiàn)的混凝土厚度不足情況，應(yīng)酌情進(jìn)行加固處理，從而保證列車安全運(yùn)營(yíng)。

重載隧道 基底結(jié)構(gòu) 混凝土厚度 安全系數(shù)

大軸重重載運(yùn)輸是我國(guó)重載鐵路的發(fā)展方向之一。隨著軸重的增加與運(yùn)輸密度的提高，隧底結(jié)構(gòu)受力及振動(dòng)效應(yīng)逐步加大［1-4］。這種情況下基底混凝土厚度不足會(huì)導(dǎo)致既有隧底結(jié)構(gòu)開裂、破損、下陷、向兩側(cè)外擠以及翻漿冒泥［5］。本文考慮既有重載鐵路開行30 t及以上軸重列車情況，對(duì)不同隧底混凝土厚度下結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析。

既有重載隧道基底仰拱往往不呈拱形，更多情況下為一支撐在彈性地基上的薄板。在重載列車的作用下混凝土上表面呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，混凝土底面呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。若基底混凝土厚度不足，混凝土底面首先出現(xiàn)張拉裂縫，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，隨著重載列車的長(zhǎng)期作用，裂縫向上擴(kuò)展，損傷逐步累積。當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷度達(dá)到或超過1.0后，裂縫貫通，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂，引起晃車。若病害地段隧底富水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生翻漿冒泥，嚴(yán)重影響行車安全。鑒于此，本文針對(duì)既有重載隧道軸重標(biāo)準(zhǔn)，提出合理的基底混凝土厚度，為后期病害整治提供依據(jù)。

1 基底混凝土性能檢測(cè)

1.1 基底混凝土厚度檢測(cè)

在資料分析的基礎(chǔ)上，借助于車載地質(zhì)雷達(dá)對(duì)一隧道基底現(xiàn)狀進(jìn)行普查?；捉Y(jié)構(gòu)雷達(dá)檢測(cè)采用人員拖拽的方式，在軌道中心及軌枕兩側(cè)分別布置測(cè)線。

基底混凝土厚度檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 基底混凝土厚度分布

從圖1可知，該隧道Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)隧底混凝土厚度分布在0.42～0.75 m，平均厚度約為0.50 m;Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)隧底混凝土厚度分布在0.48～0.98 m，平均厚度約為0.75 m;Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)隧底混凝土厚度分布在0.62～1.00 m，平均厚度約為0.85 m。各測(cè)試斷面基底混凝土厚度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。

1.2 基底混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

考慮到進(jìn)行理論計(jì)算分析時(shí)參數(shù)取值需要，對(duì)該隧道個(gè)別地段進(jìn)行了鉆孔取芯，并對(duì)芯樣混凝土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)［6］，換算后棱柱體抗拉強(qiáng)度在1.99～2.03 MPa，平均值為2.01 MPa，高于原設(shè)計(jì)200號(hào)(C18)混凝土抗拉強(qiáng)度值(1.6 MPa)。

2 基底混凝土厚度對(duì)隧底結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1 計(jì)算模型

該隧道基底結(jié)構(gòu)完整，仰拱與圍巖接觸密貼，由于隧道施工期間，基底仰拱開挖不足，導(dǎo)致基底混凝土厚度不足。洞身段存在大量此類情況。

為了分析襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀況，采用荷載—結(jié)構(gòu)法模型，襯砌采用實(shí)體單元模擬，而圍巖與襯砌的相互作用采用“無(wú)拉鏈桿”模擬，重點(diǎn)對(duì)重載列車作用下基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。有限元程序計(jì)算采用ANSYS軟件，基底混凝土采用平面Plane42單元，圍巖采用Link10單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)

材料模型:圍巖采用彈塑性D-P本構(gòu)模型，混凝土采用線彈性本構(gòu)模型?；炷粮髦饕W(xué)參數(shù)按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］、《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)——隧道》［7］取值，圍巖材料參數(shù)按照該隧道前期勘察設(shè)計(jì)資料取值，具體計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算彈簧剛度時(shí)，按照相關(guān)規(guī)范，Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)及Ⅲ級(jí)圍巖彈性抗力系數(shù)分別取150，350及850 MPa/m。

2.3 邊界條件

模型中沿襯砌周向連桿單元端部自由度均固定。

2.4 荷載取值

重載線動(dòng)荷載可直接施加在填充層表面，如圖2所示?？蛰d線動(dòng)荷載按列車自重考慮，約為重車線的1/4，列車荷載為周期性荷載，測(cè)試得到的動(dòng)荷載時(shí)長(zhǎng)為10 s，計(jì)算周期時(shí)長(zhǎng)2.0 s。

圖2 基底荷載(單位:kPa)

實(shí)測(cè)30 t軸重條件下基底填充層頂面動(dòng)壓應(yīng)力時(shí)程曲線圖3所示，基底荷載幅值約為145 kPa。

當(dāng)采用連續(xù)介質(zhì)理論計(jì)算時(shí)，需要確定阻尼比系數(shù)α和β，以及動(dòng)力計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng) Δt等參數(shù)，根據(jù)模態(tài)分析得到的任意兩階頻率ωi和ωj可確定α和β為

圖3 實(shí)測(cè)基底動(dòng)壓應(yīng)力時(shí)程曲線(30 t軸重列車)

式中，εk為阻尼比，巖土介質(zhì)的阻尼比通常在0.01～0.30，本次計(jì)算取0.02。

通過模態(tài)分析求得結(jié)構(gòu)體系的最大固有周期Tmax，為保持足夠的精度，時(shí)間步長(zhǎng)不應(yīng)大于最大固有周期的1/100。通過模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)體系的前5階頻率及時(shí)間步長(zhǎng)，由Ⅴ級(jí)圍巖一階頻率與任意階頻率計(jì)算得到阻尼比，最終確定阻尼比系數(shù)α=0.271，β=0.001，時(shí)間步長(zhǎng) Δt=0.001 s。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

2.5.1 結(jié)構(gòu)受力

30 t軸重列車作用1.96 s后，隧底仰拱底面第一主應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 仰拱第一主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

30 t軸重列車作用下，隧底混凝土厚度與仰拱底面第一主應(yīng)力的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 隧底混凝土厚度與仰拱底面第一主應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖5可知:不同圍巖級(jí)別下，隨著隧底混凝土厚度的增加，基底仰拱拉應(yīng)力均呈減小的趨勢(shì)。其中，Ⅴ級(jí)圍巖地段，隧底混凝土厚度從0.5 m增加至1.1 m后，基底仰拱拉應(yīng)力減少32.3%;Ⅳ級(jí)圍巖地段，軌下混凝土厚度從0.4 m增加至1.2 m后，基底仰拱拉應(yīng)力減少32.5%;Ⅲ圍巖地段，軌下混凝土厚度從0.4 m增加至1.0 m后，基底仰拱拉應(yīng)力減少37.5%。

2.5.2 安全系數(shù)

列車荷載為隧道結(jié)構(gòu)的附加荷載，其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響比隧道開挖荷載小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用范圍主要集中在隧道基底及墻腳，在隧道基底存在缺陷的情況下，常由于基底彎曲拉應(yīng)力過大而出現(xiàn)拉裂破壞。計(jì)算結(jié)果顯示，仰拱及墻腳部位存在較大拉應(yīng)力，實(shí)際中以仰拱底部的破壞為主，因此采用基底最大彎曲拉應(yīng)力安全系數(shù)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)前期室內(nèi)材料強(qiáng)度推定值，可知基底混凝土強(qiáng)度介于C25～C30，抗拉強(qiáng)度為2.01 MPa。國(guó)內(nèi)既有結(jié)構(gòu)抗拉安全系數(shù)取值的規(guī)定如下。

1)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］

參照規(guī)范破損階段設(shè)計(jì)法，基底混凝土從抗裂的角度出發(fā)，并考慮主要荷載+附加荷載，安全系數(shù)取為3.0。參照容許應(yīng)力法，各種荷載組合下，考慮主要荷載+附加荷載，并提高30%，計(jì)算容許應(yīng)力為0.66 MPa，安全系數(shù)約為3.04。

2)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005)［8］

該規(guī)范對(duì)混凝土彎曲拉應(yīng)力采用容許應(yīng)力法進(jìn)行評(píng)定，混凝土彎曲拉應(yīng)力容許值是彎曲抗拉極限值除以安全系數(shù)(4.0)。

3)《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.4—2005)［9］

該規(guī)范對(duì)混凝土彎曲拉應(yīng)力的安全系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，混凝土彎曲拉應(yīng)力容許值是彎曲抗拉極限值除以安全系數(shù)(4.0)。

綜合以上可以看出，各規(guī)范中對(duì)抗拉安全系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，所采用的安全系數(shù)基本在3.0～4.0。

圖6 隧底混凝土厚度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

30 t軸重列車作用下，隧底混凝土厚度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線見圖6。從圖6可知，不同圍巖級(jí)別下，隨著隧底混凝土厚度的增加，基底仰拱抗拉安全系數(shù)均呈增大趨勢(shì)。其中，Ⅴ級(jí)圍巖地段，隧底混凝土厚度從0.5 m增加至1.1 m后，基底仰拱拉應(yīng)力安全系數(shù)增加47.7%;Ⅳ級(jí)圍巖地段，隧底混凝土厚度從0.4 m增加至1.2 m后，基底仰拱的抗拉安全系數(shù)增加48.2%;Ⅲ圍巖地段，隧底混凝土厚度從0.4 m增加至1.0 m后，基底仰拱抗拉安全系數(shù)增加59.9%。

2.5.3 基底混凝土厚度取值

前期分析表明，采用3.0的安全系數(shù)，軸重提高到30 t時(shí)，復(fù)合式及整體式襯砌隧道基底混凝土厚度對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖不應(yīng)小于1.0 m，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖不應(yīng)小于0.8 m。由于安全余量較大，可適當(dāng)調(diào)整基底結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。已有研究表明，混凝土出現(xiàn)初始裂縫的最大拉應(yīng)力約為(0.5～0.7)ft，ft為極限抗拉強(qiáng)度。若取下限值(0.5ft)，基底混凝土抗拉容許值為1.00 MPa，安全系數(shù)約為2.0。

依據(jù)混凝土彎拉試驗(yàn)及線性累積損傷理論，在基底局部拉應(yīng)力譜作用下，在30 t軸重列車作用下基底混凝土每年的損傷度約為0.20，按此推算，基底混凝土損傷度到1.0時(shí)的時(shí)間大約為5年，基本為一個(gè)大修養(yǎng)護(hù)周期。

綜上分析，將基底檢算安全系數(shù)作適當(dāng)調(diào)整，從規(guī)范中的3.0降至2.0，這樣既有一定的安全儲(chǔ)備，又可兼顧經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，考慮隧道本身結(jié)構(gòu)尺寸要求，示范段內(nèi)的隧道基底混凝土厚度Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.5 m，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.4 m。

3 結(jié)論

本文以一既有重載隧道為例，計(jì)算分析了隧底混凝土厚度對(duì)其受力的影響，主要結(jié)論如下:

1)采用3.0的安全系數(shù)，列車軸重提高到30 t時(shí)，復(fù)合式及整體式襯砌隧道基底混凝土厚度對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖不應(yīng)小于1.0 m，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖不應(yīng)小于0.8 m。

2)由于安全余量較大，基底混凝土安全系數(shù)從規(guī)范中的3.0降至2.0，既有一定的安全儲(chǔ)備，又可兼顧經(jīng)濟(jì)性?？紤]到隧道結(jié)構(gòu)尺寸要求，示范段內(nèi)的隧道基底混凝土厚度Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.5 m，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)應(yīng)不小于0.4 m。

3)在目前隧底混凝土厚度不足的情況下，少量開行大軸重列車，該隧道基底能夠滿足列車的安全運(yùn)營(yíng)要求。

［1］王志勇，梁波．高速列車荷載作用下仰拱對(duì)隧道整體動(dòng)力特性的影響分析［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(5):2008．

［2］王祥秋，楊林德，高文華．鐵路隧道提速列車振動(dòng)測(cè)試與荷載模擬［J］．振動(dòng)與沖擊，2005，24(3):99-102．

［3］李德武，高峰．隧道仰拱對(duì)列車振動(dòng)衰減影響的研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，1999，21(4):60-63．

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［5］彭立敏，覃長(zhǎng)炳，施成華，等．鐵路隧道基底病害整治現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26(2):39-43．

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［7］鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)——隧道［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1995．

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［9］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10002.4—2005 鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

Influence of existing concrete thickness of tunnel floor for heavy haul railway on bearing capacity of tunnel bottom structure

CHENG Jianping

(The Shuo-Huang Railway Development Co．Ltd．Yuan ping branch，Yuanping Shanxi 034100，China)

The existing heavy haul railway tunnel floor concrete thickness was detected by ground penetrating radar and floor concrete thickness of test section was less than the design value．Combining with field sampling test results and train dynamic test results，the influence of tunnel floor concrete thickness on tunnel bottom structure stress was analyzed by building load-structure plane dynamic analysis model with ANSYS when 30 t axle load heavy haul train passes．The analysis results showed that the floor concrete safety coefficient is from specification value 3 to 2 and there is some safety reserve，tunnel floor concrete thickness ofⅤ-grade surrounding rock zone in demonstration section will not be less than 0.5 m and concrete thickness ofⅣ-grade surrounding rock zone will not be less than 0.4 m by considering the size requirements of tunnel structure．Therefore，the insufficient concrete thickness of tunnel floor should be timely reinforced in order to guarantee the safety of train operation．

Heavy haul railway tunnel;Tunnel bottom structure;Concrete thickness;Safety coefficient

TU411

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．12

1003-1995(2015)07-0039-04

2014-12-10;

2015-01-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

程建平(1965— )，男，山西原平人，工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)