30 t軸重重載列車作用下隧底脫空對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響

徐新利

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

30 t軸重重載列車作用下隧底脫空對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響

徐新利

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

采用無損檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔法對(duì)一既有重載隧道基底進(jìn)行了探測(cè)，依據(jù)探測(cè)結(jié)果分析了隧底吊空對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響。同時(shí)，利用ANSYS建立圍巖—隧道結(jié)構(gòu)—軌道結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力分析模型，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)并結(jié)合實(shí)車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，分析了30 t軸重重載列車通過隧道時(shí)基底吊空對(duì)基底結(jié)構(gòu)受力的影響。分析結(jié)果表明，在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，當(dāng)隧底混凝土厚度1.0～1.2 m時(shí)，輕重車線同時(shí)吊空且縱向吊空超過3.2 m、重車線吊空且縱向吊空超過5.5 m、重車線半幅吊空且縱向吊空超過8.0 m后，隧底最大主應(yīng)力均超過其容許應(yīng)力。疲勞分析結(jié)果表明，當(dāng)基底仰拱沿縱向吊空從2.5 m增加到4.8 m時(shí)，其疲勞壽命降低最為明顯;從4.8 m增加至8.0 m后，其疲勞壽命降低速率逐漸減弱;超過8.0 m后，其疲勞壽命基本趨于穩(wěn)定且不足1年。因此，對(duì)于隧底出現(xiàn)的吊空病害應(yīng)該及時(shí)加固處理，以保證列車安全。

鐵路隧道 重載列車 隧道結(jié)構(gòu) 容許應(yīng)力 疲勞分析

1 概述

隨著列車軸重的不斷提高，重載列車對(duì)隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用問題日益突出，主要表現(xiàn)在重載列車的長(zhǎng)期作用下，隧底填充層、仰拱開裂，水溝出現(xiàn)外擠等病害［1-3］。若隧底出現(xiàn)不密實(shí)、吊空及混凝土厚度、強(qiáng)度不足等缺陷則會(huì)進(jìn)一步加劇病害的發(fā)展。本文通過對(duì)既有重載隧道基底的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，重點(diǎn)對(duì)一隧道基底吊空病害進(jìn)行了分析，為該隧道后期病害整治提供依據(jù)。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果表明，朔黃線一隧道存在基底厚度不足、基底不密實(shí)以及基底吊空等。為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔。現(xiàn)場(chǎng)鉆孔探測(cè)結(jié)果見表1。

對(duì)該隧道基底鉆孔芯樣作混凝土抗拉強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果表明，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)［4］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)C18混凝土抗拉強(qiáng)度值(1.6 MPa)。

表1 基底鉆孔探測(cè)結(jié)果

通過隧道動(dòng)力響應(yīng)的分析可知，列車動(dòng)荷載作用下隧道襯砌最危險(xiǎn)部位為鋼軌正下方的仰拱［5-6］。在長(zhǎng)期的往復(fù)動(dòng)載作用下，特別是地下水發(fā)育的地段，仰拱破損屢為工程實(shí)踐所證實(shí)。基底仰拱吊空后，在重載列車的振動(dòng)沖擊作用下，仰拱底面承受較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致仰拱底面產(chǎn)生V形縱向裂縫，出現(xiàn)損傷。隨著損傷不斷累積，仰拱及填充層最終形成縱向貫通型張拉裂縫，加之地下水的作用，道床出現(xiàn)翻漿冒泥，進(jìn)而影響列車安全?；椎蹩諏?dǎo)致仰拱出現(xiàn)裂縫及下沉，如圖1所示。

圖1 基底吊空引發(fā)的病害

2 隧底吊空受力分析

2.1 基底吊空工況分析

考慮到基底吊空后，重載列車的沖擊作用對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響較大，需要對(duì)軌下仰拱處基巖破損引起脫空的情況進(jìn)行分析，以研究軌下基底脫空條件下基底結(jié)構(gòu)的受力狀況。

隧道施工二次襯砌時(shí)，模板臺(tái)車每環(huán)施作距離基本在10～12 m，每板之間設(shè)置環(huán)向施工縫。由于環(huán)向施工縫轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小，無法傳遞彎矩、軸力及剪力，因此，隧道基底出現(xiàn)脫空后，仰拱可簡(jiǎn)化為沿縱向及環(huán)向的簡(jiǎn)支曲面薄板。尤其是每環(huán)完全脫空后(最不利情況)仰拱的受力極限可作為基底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)之一。

以隧道Ⅴ級(jí)圍巖地段為例，隧道埋深50 m，仰拱矢跨比1/20(鋼軌下方隧底混凝土厚度1.0～1.2 m)?；籽龉暗蹩杖鐖D2所示，計(jì)算工況見表2。

圖2 基底仰拱吊空(單位:cm)

表2 吊空計(jì)算工況

2.2 基底吊空計(jì)算模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，選擇雙線鐵路隧道建立計(jì)算模型，隧道模型均采用實(shí)際尺寸，計(jì)算模型的邊界條件嚴(yán)格遵照隧道力學(xué)分析的要求。模擬計(jì)算采用彈塑性三維地層與結(jié)構(gòu)共同作用模式，計(jì)算所需的初始巖土及支護(hù)參數(shù)均參照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果選取。計(jì)算模型全長(zhǎng)50 m，模型橫向?qū)?0 m，豎向深30 m，模型邊界尺寸分別為50 m×60 m×50 m，共劃分131 886個(gè)單元，140 343個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]到軌枕與道床、道床與填充層之間模量有較大差異，在軌枕與道床、道床與填充層之間建立接觸面。劃分網(wǎng)格后的實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 基底吊空計(jì)算模型

2.3 計(jì)算單元選取

有限元分析采用ANSYS軟件，圍巖、初期支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)、道床、軌枕及仰拱填充層采用Solid45八節(jié)點(diǎn)空間實(shí)體單元模擬;鋼軌視為彈性點(diǎn)支撐上的無限長(zhǎng)梁，采用Beam188梁?jiǎn)卧M標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m鋼軌;扣件及墊板采用Combin 14彈性阻尼單元模擬;采用Targe170和Conta174單元模擬軌枕與道床、道床與填充層的接觸面。

2.4 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

圍巖、支護(hù)與軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3、表4。隧道頂面為自由表面，四周為法向約束，底面全部固定。

2.5 荷載取值

對(duì)于列車荷載的模擬需要考慮以下因素:①機(jī)車的動(dòng)力性能;②速度;③軌道不平順;④鋼軌頂面不均勻磨耗;⑤車輪安裝偏心引起的連續(xù)不平順，以及車輪踏面不均勻磨耗引起的單獨(dú)不平順。

表3 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表4 軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

實(shí)測(cè)30 t軸重列車以75 km/h通過隧道時(shí)，鋼軌垂向力分布如圖4所示。

圖4 鋼軌垂向力分布

由圖4可以看出，30 t軸重列車通過隧道時(shí)，鋼軌垂向力最大為185.5 kN，動(dòng)力系數(shù)為1.25，因此，鋼軌上加載垂向力F=150×1.25=187.5 kN。以國(guó)內(nèi)新研制的30 t軸重貨車(圖5)為例進(jìn)行計(jì)算。

圖5 30t軸重列車參數(shù)

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

2.6.1 工況1

30 t軸重重載列車作用下輕車、重車線全幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖如圖6所示。仰拱底面拉應(yīng)力與吊空長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 輕重車線全幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖

圖7 隧底不同吊空長(zhǎng)度仰拱拉應(yīng)力沿縱向分布曲線(輕車、重車線全幅吊空)

由圖6、圖7可以看出:當(dāng)隧道基底仰拱沿環(huán)向全幅吊空(重車、輕車線全幅吊空)，在重車、輕車交會(huì)通過隧道基底仰拱不同吊空地段時(shí)，隧道仰拱底面均呈受拉狀態(tài)。正對(duì)鋼軌下方仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力在相鄰轉(zhuǎn)向架作用位置分別達(dá)到最大值。仰拱沿縱向吊空2.5 m后，仰拱底面最大拉應(yīng)力約為0.42 MPa;吊空10.0 m后，最大拉應(yīng)力達(dá)到1.20 MPa，遠(yuǎn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度容許值。另外，仰拱吊空長(zhǎng)度從2.5 m增加至10.0 m后，仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力增幅達(dá)173%，動(dòng)應(yīng)力增幅明顯。

2.6.2 工況2

30 t軸重重載列車作用下重車線全幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖如圖8所示。仰拱底面拉應(yīng)力與吊空長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8 重車線全幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖

圖9 隧底不同吊空長(zhǎng)度仰拱拉應(yīng)力沿縱向分布曲線(重車線全幅吊空)

圖10 重車線半幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖

圖11 隧底不同吊空長(zhǎng)度仰拱拉應(yīng)力沿縱向分布曲線(重車線半幅吊空)

由圖8、圖9可以看出:當(dāng)隧道基底仰拱沿環(huán)向重車線全幅吊空，在重車、輕車交會(huì)通過隧道基底仰拱不同吊空地段時(shí)，隧道仰拱底面均呈受拉狀態(tài)。正對(duì)鋼軌下方仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力在相鄰轉(zhuǎn)向架作用位置分別達(dá)到最大值。仰拱沿縱向吊空2.5 m，仰拱底面最大拉應(yīng)力約為0.30 MPa;吊空10.0 m后，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.82 MPa，遠(yuǎn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度容許值。另外，仰拱吊空長(zhǎng)度從2.5 m增加至10.0 m后，仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力增幅達(dá)172%，動(dòng)應(yīng)力增幅明顯。

2.6.3 工況3

30 t軸重重載列車作用下重車線半幅吊空仰拱底面拉應(yīng)力云圖如圖10所示。仰拱底面拉應(yīng)力與吊空長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖10、圖11可以看出:當(dāng)隧道基底仰拱沿環(huán)向重車線半幅吊空，在重車、輕車交會(huì)通過隧道基底仰拱不同吊空地段時(shí)，隧道仰拱底面均呈受拉狀態(tài)。正對(duì)鋼軌下方仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力在相鄰轉(zhuǎn)向架作用位置分別達(dá)到最大值。仰拱沿縱向吊空2.5 m后，最大拉應(yīng)力約為0.20 MPa;吊空10.0 m后，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.59 MPa，略大于混凝土抗拉強(qiáng)度容許值。另外，仰拱吊空長(zhǎng)度從2.5 m增加至10.0 m后，仰拱底面動(dòng)拉應(yīng)力增幅達(dá)182%，動(dòng)應(yīng)力增幅明顯。

2.6.4 沿縱向脫空長(zhǎng)度的影響

30 t軸重重載列車作用下隧道仰拱底面拉應(yīng)力與吊空長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖12所示。

由圖12可以看出:隨著基底吊空長(zhǎng)度的增大，基底仰拱拉應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)。其中，輕車、重車線同時(shí)吊空且縱向吊空超過3.2 m、重車線吊空且縱向吊空超過5.5 m、重車線半幅吊空且縱向吊空超過8.0 m后，仰拱底面拉應(yīng)力均超過混凝土容許應(yīng)力(0.50 MPa)。

圖12 吊空長(zhǎng)度與最大拉應(yīng)力關(guān)系曲線

3 基底結(jié)構(gòu)疲勞分析

3.1 素混凝土疲勞方程

隧底混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是軌道結(jié)構(gòu)的基床，其在列車動(dòng)荷載作用下，承受著變幅的應(yīng)力作用。當(dāng)應(yīng)力超過材料的疲勞極限時(shí)將引起疲勞損傷，其破壞是不同頻率和幅值所造成損傷逐步累積的結(jié)果。疲勞累積損傷是使用壽命設(shè)計(jì)的核心問題［7］。

混凝土的壓縮、彎壓、拉伸和彎拉的設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度，據(jù)日本鐵道混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，一般按下式計(jì)算［8］

式中:fcrd為混凝土的設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度;fk為混凝土各強(qiáng)度的特性值，由混凝土28 d齡期強(qiáng)度試驗(yàn)獲得;K值當(dāng)混凝土處在水中，或經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)，或采用輕骨料時(shí)取10，除此以外取17;Kcr值當(dāng)壓縮或彎曲壓縮時(shí)取0.85，拉伸或彎曲拉伸時(shí)取1.0;σmin是混凝土受最小應(yīng)力或永久荷載作用時(shí)的設(shè)計(jì)應(yīng)力，受變幅應(yīng)力時(shí)一般取為0;N為疲勞壽命;rc為混凝土的材料系數(shù)，一般取1.3。

從上式可以看出，混凝土的疲勞強(qiáng)度，除因工況不同而異外，主要與疲勞壽命即交變荷載的次數(shù)有關(guān)。當(dāng)混凝土承受一定幅值的重復(fù)應(yīng)力作用時(shí)，其疲勞壽命與Smin(最小應(yīng)力與靜力強(qiáng)度之比)、Smax(最大應(yīng)力與靜力強(qiáng)度之比)或應(yīng)力幅值與靜力強(qiáng)度之比Sr(Sr=Smax－Smin)有關(guān)。一般表達(dá)式為

上式中，靜力強(qiáng)度是各工況強(qiáng)度的特性值。

疲勞壽命試驗(yàn)只有2×106次數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果還有待進(jìn)一步試驗(yàn)得出。

3.2 隧底混凝土疲勞分析

根據(jù)該隧道后期運(yùn)營(yíng)狀況，初步按照每天開行100對(duì)列車，每列按照100節(jié)編組考慮，結(jié)合計(jì)算獲得的基底仰拱拉應(yīng)力荷載譜，確定了變幅應(yīng)力，計(jì)算分析了仰拱底面的疲勞特性，計(jì)算結(jié)果見表5。30 t軸重重載列車作用下隧道仰拱疲勞壽命與基底吊空長(zhǎng)度關(guān)系曲線如圖13所示。

表5 仰拱不同吊空長(zhǎng)度時(shí)的疲勞壽命年

圖13 仰拱疲勞壽命與吊空長(zhǎng)度關(guān)系曲線

從表5及圖13可以看出，隨著縱向吊空長(zhǎng)度的增大，基底仰拱的疲勞壽命逐漸降低。輕車及重車線全幅吊空、重車線全幅吊空及重車線半幅吊空三類情況下，當(dāng)基底仰拱沿縱向吊空從2.5 m增加到4.8 m，基底仰拱的疲勞壽命降低最為明顯;從4.8 m增加至8.0 m，疲勞壽命降低速率逐漸減弱;超過8.0 m后，疲勞壽命基本趨于穩(wěn)定，且不足1年。這說明，當(dāng)基底仰拱吊空到一定范圍后，隨著基底仰拱吊空長(zhǎng)度的增大，仰拱疲勞壽命不再進(jìn)一步減小。

4 結(jié)論

1)隨著基底吊空長(zhǎng)度的增大，基底仰拱拉應(yīng)力呈增大趨勢(shì)。輕車及重車線同時(shí)吊空超過3.2 m、重車線吊空超過5.5 m、重車線半幅吊空超過8.0 m后，仰拱底面拉應(yīng)力均超過混凝土容許應(yīng)力(0.50 MPa)。從二次襯砌的受力可以看出，隧道結(jié)構(gòu)的安全性主要由仰拱與墻腳控制。

2)疲勞分析結(jié)果表明，隨著縱向吊空長(zhǎng)度的增加，基底仰拱的疲勞壽命逐漸降低，疲勞壽命降低速率逐漸減弱，基底仰拱沿縱向吊空超過8.0 m后，基底仰拱的疲勞壽命基本趨于穩(wěn)定，且壽命不足1年。

［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］．鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2008(2):34-39．

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

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Influence of separation from tunnel's bottom on bearing capacity of base structure under train loading of 30 t axle load

XU Xinli
(Shuohuang Railway Development Co．，Ltd．，Suning Hebei 062350，China)

T he existing overloaded tunnel basement was detected by nondestructive testing and field drilling method and the effect of tunnel bottom hanging on basement structure force was analyzed according to the detecting results．Combining with the field sampling test and real vehicle dynamic experiments，the influence of tunnel bottom hanging on basement structure force when heavy haul train passing through the tunnel with 30 t axle load is analyzed by establishing three-dimensional dynamic analysis model of surrounding rock-tunnel structure-track structure with ANSYS．T he analysis results showed that both light and heavy vehicle line hang together and vertical hanging length is over 3.2 m，the heavy vehicle line hangs and the vertical hanging length is over 5.5 m in the V surrounding rock conditions when the concrete thickness of tunnel bottom is in 1.0～1.2 m，the maximum principal force of tunnel bottom is 0.5 M Pa more than the allowable stress when half of heavy vehicle line hangs and the vertical hanging length exceeds 8.0 m．T he results of fatigue analysis showed that fatigue life of basement inverted arch decreases obviously when longitudinal hanging length of inverted arch is from 2.5 m to 4.8 m，the fatigue life and rate gradually decreases when longitudinal hanging length is from 4.8 m to 8.0 m，fatigue life tends to be stable and the service life is less than 1 years when longitudinal hanging length is over 8.0 m，which means tunnel hanging diseases should be reinforced on time in order to ensure the safe train operation．

Railway tunnel;Heavy haul train;T unnel structure;Allowable stress;Fatigue analysis

U456

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．13

1003-1995(2015)04-0044-06

(責(zé)任審編李付軍)

2014-11-16;

2015-01-12

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

徐新利(1966—)，男，河南臨潁人，高級(jí)工程師，碩士。