30 t軸重下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及動(dòng)力響應(yīng)

鄒文浩，張　梅，劉艷青，馬偉斌

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京　100081；2.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京　100070；3.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京　100081；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081)

當(dāng)前，世界鐵路發(fā)展呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì)，即客運(yùn)高速和貨運(yùn)重載。其中重載鐵路是指行駛列車的總重大、軸重大或行車密度和運(yùn)量特大的鐵路，20世紀(jì)20年代美國(guó)建造首條重載鐵路。60年代以后因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)受到世界多個(gè)國(guó)家鐵路部門的廣泛重視[1]。美國(guó)、加拿大、巴西、澳大利亞、南非等幅員遼闊、煤炭和礦石資源豐富、大宗貨物運(yùn)量比重大的國(guó)家，均在發(fā)展重載鐵路，大量開行重載列車。此外，在歐洲以客運(yùn)為主的客貨混運(yùn)干線上也開始開行重載列車[2]。我國(guó)目前已有大秦鐵路、朔黃鐵路和瓦日鐵路等多條重載鐵路，為了滿足重載鐵路快速發(fā)展的需要，重載鐵路的貨車軸重須由目前主流的25 t提高至30 t，甚至更高。

貨車軸重的提高和列車編組長(zhǎng)度的增加，相應(yīng)增加了隧道結(jié)構(gòu)上的作用力和作用頻度，使得隧道結(jié)構(gòu)的受力、變形以及動(dòng)力性能發(fā)生變化[3]。截止到2016年1月份，全路隧道病害率為48.78%，而重載鐵路隧道病害率的不完全統(tǒng)計(jì)結(jié)果為76.83%，重載鐵路隧道的病害情況比其他鐵路隧道更為嚴(yán)重。

隧道基底結(jié)構(gòu)直接承受列車荷載的作用，受重載列車荷載的影響最大，更容易出現(xiàn)病害。隧道基底病害發(fā)生后，如不及時(shí)處理，線路“帶病”運(yùn)營(yíng)將會(huì)導(dǎo)致隧道基底結(jié)構(gòu)開裂、破損等病害向上部襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)展，致使上部襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、漏水等病害，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的安全儲(chǔ)備下降，這些病害不同程度地惡化行車條件，限制行車速度，危及行車安全，縮短隧道維護(hù)周期和使用壽命，并制約鐵路安全高效服役。隧道基底結(jié)構(gòu)不僅是隧道結(jié)構(gòu)病害的高發(fā)區(qū)域，還是隧道上部襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的主要誘因之一。因此針對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)在大軸重動(dòng)載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入研究十分必要。

近年來已有一些學(xué)者對(duì)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性開展了研究。尹成斐等[4]以朔黃鐵路三家村隧道為工點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究隧底填充層在動(dòng)載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)特性，并通過有限元計(jì)算分析隧底填充層、仰拱、拱腰和邊墻等部位在動(dòng)載作用下的動(dòng)應(yīng)力情況。扶曉康[5]基于已有重載鐵路隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過有限元計(jì)算分析了重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)各部位的動(dòng)力響應(yīng)特性，并研究了仰拱矢跨比、填充層厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)和圍巖軟化、基底脫空等環(huán)境因素對(duì)隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。薛繼連[6]針對(duì)朔黃鐵路某隧道隧底不密實(shí)病害，對(duì)該病害的成因進(jìn)行了分析，提出了采用聚氨酯樹脂漿液對(duì)隧底不密實(shí)處進(jìn)行填充并固結(jié)虛砟的加固方案，并采用有限元計(jì)算對(duì)該方案的加固效果進(jìn)行了分析。李自強(qiáng)等[7]以瓦日鐵路太行山隧道為工點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究軸重為27 t的重載列車經(jīng)過時(shí)基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓力狀況，并采用數(shù)值計(jì)算方法分析隧道基底仰拱等部位動(dòng)壓力的橫向和豎向分布規(guī)律，最后對(duì)比分析了數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果。上述研究基本以數(shù)值計(jì)算為主要研究方法，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要針對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低的既有線或軸重偏低的情況，且數(shù)值計(jì)算模型多為嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建的理想化模型，沒有考慮現(xiàn)場(chǎng)施工方面的因素以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有較大偏差的情況。

鑒于此，本文以某重載鐵路隧道為依托開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬，研究30 t軸重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(dòng)力響應(yīng)，并通過數(shù)值模擬方法對(duì)目前由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(jìn)行施工時(shí)隧道基底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的對(duì)比分析。

1　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

測(cè)試工點(diǎn)為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)4 852 m，所處地段地形起伏強(qiáng)烈、沖溝發(fā)育，襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，軌道形式為無砟軌道，在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域選擇1個(gè)斷面進(jìn)行隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

1.1　監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)主要對(duì)30 t軸重列車動(dòng)荷載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，以掌握30 t軸重列車通過時(shí)隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。所有傳感器均埋設(shè)在填充層中，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1　重載鐵路隧道動(dòng)態(tài)測(cè)試橫斷面布置圖

1.2　動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)斷面主要部位的垂向和水平向動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表1。位于重車線右軌正下方填充層頂部測(cè)點(diǎn)的垂向動(dòng)應(yīng)力典型時(shí)程曲線如圖2所示，其動(dòng)應(yīng)力幅值為122.2 kPa。

圖2　垂向動(dòng)應(yīng)力典型時(shí)程曲線

由表1可見，填充層的垂向動(dòng)應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，沿隧道基底豎向出現(xiàn)較大幅度的衰減，填充層頂部的垂向動(dòng)應(yīng)力幅值遠(yuǎn)大于填充層底部；填充層頂部的水平向動(dòng)應(yīng)力為壓應(yīng)力，底部為拉應(yīng)力，沿豎向出現(xiàn)由壓至拉的轉(zhuǎn)變；重車線正下方作為列車荷載作用的主要區(qū)域，其垂向和水平向動(dòng)應(yīng)力幅值均比其他位置大。

表1　垂向和水平向動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果　kPa

注：正值為壓應(yīng)力。

2　隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

采用有限差分程序FLAC3D建立隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的三維數(shù)值分析模型，對(duì)動(dòng)載作用下的隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道基底結(jié)構(gòu)各部位的動(dòng)應(yīng)力情況。

2.1　數(shù)值模擬

2.1.1隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模型

建立的隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模型如圖3所示，模型沿隧道軸線方向取單位長(zhǎng)度，寬度自隧道軸線向兩側(cè)各取40 m，高度自隧道軸線向上下各取40 m。

對(duì)于模型的邊界條件，除模型頂面為自由邊界外，模型四周和底部均采用靜態(tài)邊界。隧道結(jié)構(gòu)和圍巖均采用實(shí)體單元模擬，隧道結(jié)構(gòu)和圍巖間、仰拱和填充層間以及道床和填充層間均設(shè)置接觸面以模擬層間接觸特性。

圖3　數(shù)值計(jì)算模型

圍巖本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型，參數(shù)根據(jù)該隧道勘察設(shè)計(jì)資料并參考類似地層選??；隧道結(jié)構(gòu)的仰拱、填充層、初支、二襯等各部位均采用線彈性模型，混凝土力學(xué)性能參數(shù)按照TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，有配筋的結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋進(jìn)行等效處理，具體參數(shù)見表2。

表2　材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2列車動(dòng)荷載模擬方法

列車動(dòng)荷載的模擬應(yīng)考慮的影響因素有列車軸重、懸掛質(zhì)量、行車速度和線路平順情況等，較為復(fù)雜。常用的模擬方法大致有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法、人工模擬激勵(lì)法和列車—軌道耦合模型法?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法受載重、車速、軌道狀態(tài)等因素影響，得到的測(cè)試結(jié)果離散性較大，較難用表達(dá)式準(zhǔn)確描述，只能對(duì)特定工況進(jìn)行分析；列車—軌道耦合模型法通過假定的輪軌接觸關(guān)系連接列車模型和軌道模型，考慮較全面，但模型和參數(shù)過于復(fù)雜，且輪軌接觸關(guān)系不夠明確，計(jì)算效率較差；人工模擬激勵(lì)法采用1個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式擬合的激勵(lì)力函數(shù)模擬列車荷載，可全面考慮軸重、車速等因素的影響，形式也較簡(jiǎn)潔，目前應(yīng)用廣泛。

本文采用文獻(xiàn)[8]所述的激振力函數(shù)對(duì)重載列車荷載進(jìn)行模擬，激振力函數(shù)包括靜荷載和反映不平順、軌面波形磨耗效應(yīng)等因素的動(dòng)荷載，并考慮了列車輪對(duì)力的疊加組合和鋼軌、軌枕的分散傳遞，激振力函數(shù)如下。

F(t)=k1k2[P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+P3sin(ω3t)]

(1)

其中，

Pi=maiωii=1，2，3

ωi=2πv/Li

式中：P0為車輪靜載；P1，P2和P3分別為與不平順性、動(dòng)力附加荷載和波形磨耗等相關(guān)的典型動(dòng)荷載；k1為輪軌力疊加系數(shù)；k2為鋼軌分散傳遞系數(shù)；m為列車簧下質(zhì)量；ai為典型矢高；ωi為不平順控制條件下的振動(dòng)圓周率；v為列車行駛速度；Li為軌道幾何不平順波長(zhǎng)管理值。

在列車軸重為30 t、運(yùn)行速度為80 km·h-1的條件下，由式(1)計(jì)算得到的人工激振力時(shí)程曲線如圖4所示，該荷載作用在Beam單元模擬的鋼軌上。

圖4　根據(jù)列車動(dòng)荷載模擬的人工激振力時(shí)程曲線

2.1.3數(shù)值模擬步驟

數(shù)值模擬的具體步驟如下。

(1)建立模型網(wǎng)格，賦予巖體參數(shù)，施加靜力邊界條件，然后生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。

(2)模擬開挖過程。全斷面開挖后，地應(yīng)力釋放10%，施作初期支護(hù)后地應(yīng)力釋放20%，二襯施工后釋放剩下的地應(yīng)力，接著施加填充層和道床。

(3)設(shè)置動(dòng)力邊界條件，并施加人工激振力形式的重載列車荷載，同時(shí)在隧道基底結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。道床底部布置測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2，分別位于重車線右軌正下方和隧道中心線上；填充層底部布置測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5，分別位于重車線右軌正下方、隧道中心線上和空車線中心線上；仰拱底部布置測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8，分別位于重車線右軌正下方、隧道中心線上和空車線中心線上；沿重車線中心線布置1條豎向測(cè)線，以分析動(dòng)應(yīng)力的豎向傳遞。

圖5　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2　數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1動(dòng)應(yīng)力

道床底部測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的垂向及水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6　測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的垂向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7　測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖6可見，測(cè)點(diǎn)1(重載線右軌正下方)和測(cè)點(diǎn)2(隧道中心線上)的垂向動(dòng)應(yīng)力幅值分別為120.8和1.1 kPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，道床垂向動(dòng)應(yīng)力在重車線軌道正下方的變化幅度較大。

由圖7可見，在列車動(dòng)荷載作用下，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的水平向動(dòng)應(yīng)力幅值分別為120.1和62.4 kPa，測(cè)點(diǎn)1的水平向動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于測(cè)點(diǎn)2，兩者均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

填充層底部測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的垂向及水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8　測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的垂向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖9　測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖8可知，測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的垂向動(dòng)應(yīng)力幅值分別為40.0，12.2和1.5 kPa，均為壓應(yīng)力，填充層的垂向動(dòng)應(yīng)力在重車線線上變化較大，隧道中心線上次之，空車線線上較小。

填充層的垂向動(dòng)應(yīng)力與道床的相比，有一定程度的衰減。

由圖9可知，在列車動(dòng)荷載作用下，測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的水平向動(dòng)應(yīng)力幅值依次減小，分別為-56.5，-26.1和-12.8 kPa，均表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

可見，填充層頂面的水平向動(dòng)應(yīng)力為壓，底部為拉。

仰拱底部測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的垂向及水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10可知，測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的垂向動(dòng)應(yīng)力幅值分別為25.8，12.5和2.0 kPa，均為壓應(yīng)力。

圖10　測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的垂向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖11　測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的水平向動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖11可知，測(cè)點(diǎn)6，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的水平向動(dòng)應(yīng)力均為拉應(yīng)力，幅值分別為-115.0，-56.1和-25.5 kPa，大于填充層底部相應(yīng)位置的水平向動(dòng)應(yīng)力幅值。

圖12為重車線右軌正下方垂向和水平向動(dòng)應(yīng)力幅值沿隧道基底豎向的分布情況。由圖12可見：垂向動(dòng)應(yīng)力沿豎向呈逐漸衰減的趨勢(shì)，以道床頂部動(dòng)應(yīng)力為基準(zhǔn)，至道床底部的衰減率為23.2%，至填充層底部的衰減率為74.3%，至仰拱底部的衰減率為83.6%；水平向動(dòng)應(yīng)力沿豎向經(jīng)歷了由壓到拉的變化，道床整體為壓應(yīng)力，填充層頂部為壓應(yīng)力，底部為拉應(yīng)力；仰拱整體為拉應(yīng)力，仰拱底部的拉應(yīng)力較大。

圖12　重車線正下方動(dòng)應(yīng)力幅值沿豎向分布情況

2.2.2與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的基底結(jié)構(gòu)不同位置的垂向動(dòng)應(yīng)力見表3。由表3可見，除測(cè)點(diǎn)2外，其他測(cè)點(diǎn)垂向動(dòng)應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果很接近。

表3　垂向動(dòng)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比　kPa

數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的基底結(jié)構(gòu)不同位置的水平向動(dòng)應(yīng)力見表4。由表4可見，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的填充層水平向動(dòng)應(yīng)力沿豎向的變化趨勢(shì)相同，都為“上壓下拉”，填充層頂部的水平向動(dòng)壓應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果偏小，填充層底部的水平向動(dòng)拉應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果偏大。

表4　水平向動(dòng)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比　kPa

由于數(shù)值模擬的是較為理想化的工況，且考慮的影響因素具有局限性，故計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果稍有差別，但得到的隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力結(jié)果基本能夠反映重載列車荷載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

3　不同隧底結(jié)構(gòu)形態(tài)受力對(duì)比分析

上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬分析的前提是假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求。但是在實(shí)際施工中由于施工技術(shù)水平等因素的影響，成型后的隧道基底結(jié)構(gòu)完全符合設(shè)計(jì)要求的很少，甚至有部分隧道基底結(jié)構(gòu)建成后的形態(tài)與設(shè)計(jì)要求相去甚遠(yuǎn)。較為典型的是仰拱結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前仰拱施作后的典型斷面形態(tài)主要有圖13所示的3種類型。

圖13　仰拱施作后的典型隧道斷面形態(tài)

曲線型斷面是較為理想的斷面形態(tài)，仰拱矢跨比符合設(shè)計(jì)要求；折線型是實(shí)際施工中較為常見的斷面形態(tài)，仰拱靠近墻角連接處的部分和設(shè)計(jì)接近，但填充層下方的區(qū)域曲率不夠，較接近直線；直線型即仰拱施工之后矢跨比很小，基本上和直線接近。

3.1　對(duì)比計(jì)算相關(guān)情況介紹

針對(duì)上述3種隧道斷面形態(tài)建立三維數(shù)值模型，分析隧道開挖過程中仰拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及列車荷載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。三維數(shù)值模型如圖14所示，模型參數(shù)和數(shù)值模擬步驟同第2章一致。

圖14　不同斷面形態(tài)的隧道結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型

3.2　計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2.1隧道基底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)

圖15為不同隧道基底結(jié)構(gòu)形態(tài)時(shí)二襯施作之后仰拱結(jié)構(gòu)的水平向應(yīng)力云圖。由圖15可見，曲線型斷面時(shí)仰拱水平向應(yīng)力基本都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力僅為4.2 kPa；折線型斷面時(shí)仰拱與邊墻連接處及仰拱中心位置出現(xiàn)明顯的水平向受拉情況，最大拉應(yīng)力達(dá)51.3 kPa；直線型斷面時(shí)同樣在仰拱與邊墻連接處及仰拱中心位置出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大值為86.6 kPa。直線型斷面的仰拱受力狀態(tài)最不利，折線型次之，曲線型最好。

圖15　不同隧道基底形態(tài)下仰拱結(jié)構(gòu)的水平向應(yīng)力云圖

3.2.2隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

圖16給出了在30 t軸重列車荷載作用下折線型和直線型隧道基底結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)應(yīng)力幅值沿豎向的分布情況，曲線型的情況見圖12(a)?？梢钥闯?，隧道基底結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)應(yīng)力幅值都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且沿豎向呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)。

圖16　隧道基底結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)應(yīng)力幅值沿豎向分布情況

表5為不同隧道基底結(jié)構(gòu)形態(tài)下垂向動(dòng)應(yīng)力沿隧底結(jié)構(gòu)豎向衰減的情況。曲線型斷面時(shí)的衰減率最高，折線型斷面時(shí)仰拱底部的垂向動(dòng)應(yīng)力幅值比曲線型斷面時(shí)高50.6%，直線型斷面比曲線型斷面高78.0%。直線型斷面隧道基底基巖承受的垂向動(dòng)應(yīng)力最大，為47.3 kPa，折線型斷面次之，曲線型斷面最小。

表5　垂向動(dòng)應(yīng)力沿隧道基底結(jié)構(gòu)豎向的衰減

4　結(jié)　論

(1)30 t軸重實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明：在填充層頂部，重車線下方的垂向動(dòng)應(yīng)力較大，為123.2 kPa的壓應(yīng)力；沿隧道基底結(jié)構(gòu)水平方向擴(kuò)散，隧道中心線位置垂向動(dòng)壓應(yīng)力變?yōu)?5.8 kPa；沿隧道基底結(jié)構(gòu)豎向出現(xiàn)明顯衰減，填充層底部的垂向動(dòng)應(yīng)力約為25 kPa。填充層水平向動(dòng)應(yīng)力由上至下出現(xiàn)了由壓至拉的轉(zhuǎn)變，填充層頂部的水平向動(dòng)應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值為141.2 kPa，填充層底部的水平向動(dòng)應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為46.4 kPa。

(2)數(shù)值模擬得到的隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映出來的趨勢(shì)接近。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：重車線下方道床頂部的垂向動(dòng)應(yīng)力超過150 kPa，至道床底部衰減為120.8 kPa，至填充層底部衰減為60.4 kPa，至仰拱底部衰減為25.8 kPa，衰減率為83.6%，都為壓應(yīng)力。水平向動(dòng)應(yīng)力在填充層中也表現(xiàn)為上壓下拉，和實(shí)測(cè)結(jié)果一致，在道床位置均為壓應(yīng)力，在仰拱位置均為拉應(yīng)力，仰拱底部的水平向動(dòng)拉應(yīng)力較大。

(3)數(shù)值模擬的工況較為理想化，且考慮的影響因素有限，結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)稍有差異，但基本能反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出的趨勢(shì)。

(4)隧道二襯施作后曲線型斷面時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)的水平向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力僅為4.6 kPa；折線型斷面時(shí)仰拱與邊墻連接處及仰拱中心位置出現(xiàn)明顯的水平向受拉情況，最大拉應(yīng)力達(dá)51.3 kPa；直線型斷面時(shí)同樣在仰拱與邊墻連接處及仰拱中心位置出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大值為86.6 kPa。直線型的受力狀態(tài)最不利，折線型次之，曲線型最好。

(5)重載列車荷載作用下曲線型斷面時(shí)沿隧道基底結(jié)構(gòu)豎向的垂向動(dòng)應(yīng)力衰減效果最好，至仰拱底部的衰減率為83.6%；折線型斷面次之，衰減率為77.3%；直線型斷面最差，衰減率為70.8%。隧道基底結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量對(duì)隧道基底結(jié)構(gòu)受力的影響很大，應(yīng)密切關(guān)注。

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