廣深港高速鐵路獅子洋隧道減振無砟軌道對周邊軟土地層影響分析

許克亮，肖明清，李秋義

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

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廣深港高速鐵路獅子洋隧道減振無砟軌道對周邊軟土地層影響分析

許克亮，肖明清，李秋義

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

為防止高速列車振動引起廣深港高鐵獅子洋大斷面盾構水底隧道軟土地層液化風險，軌道結構采用減振板式無砟軌道。為考察減振措施效果，分別建立列車-軌道模型、隧道-地層有限元模型，分析列車荷載作用下隧道結構及周圍土層動力響應及分布規(guī)律，對比分析減振和非減振兩種工況下地層動剪應力和加速度，結果表明，采取減振措施可有效降低軟土地層液化風險，提高安全儲備，達到了預期的目標。研究成果對隧道穿越軟土地層設計具有指導意義。

高速鐵路；鐵路隧道；盾構隧道；軟土；無砟軌道； 減振；液化

廣深港高速鐵路獅子洋隧道為世界首座時速350 km的雙孔單線盾構水底隧道[1-2]，地質條件復雜，周圍軟弱地層地基在長期高速列車循環(huán)荷載作用下存在液化風險，一旦發(fā)生液化隧道累積沉降增加，將導致軌道豎向不平順、隧道襯砌開裂和變形等，進而加大行車時隧道及軌道結構所受的動應力，縮短結構的使用壽命，增加維修的費用和難度。國內外對于軟弱地層條件下盾構隧道研究非常少[3-6]，可供借鑒的資料和經(jīng)驗非常有限[7-10]。為保證獅子洋隧道運營安全，需要對軌道結構采取減振措施，進一步降低列車振動對隧道結構和地層的影響。

本文從防止獅子洋隧道軟土地層發(fā)生液化角度，基于影響軟弱地層液化的剪應力和加速度兩項重要指標，對軌道結構減振效果進行了分析，評估了隧道結構及軟土地層的安全性。

1 工程概況

1.1 隧道概況

廣深港高鐵獅子洋隧道位于東涌站至虎門站區(qū)間，全長10.8 km，是目前國內里程最長、建設標準最高的第一座水下高速鐵路隧道。國內首次在高速鐵路采用10.8 m大直徑盾構。獅子洋隧道位于珠江三角洲平原區(qū)，穿越地層較復雜。隧址地層自上而下為人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積層及白堊系白鶴洞組猴崗段泥質粉砂巖、砂巖、砂礫巖。隧道穿越淤泥質土層、粉細砂層及中砂層等軟土。根據(jù)鐵道部科研課題《獅子洋水下隧道結構靜動力學特征及關鍵技術參數(shù)試驗研究》(2006G007—B)研究成果，在軟弱地層地段應采取一定的軌道減振措施，降低高速列車運行對隧道底部地層的影響，確保隧道安全運營。

1.2 減振無砟軌道概況

獅子洋隧道減振型板式無砟軌道結構由鋼軌、彈性扣件、軌道板、CA砂漿調整層、減振墊層、凸形擋臺及混凝土底座等組成[11]，如圖1所示。廣深港高鐵減振軌道結構設計為浮置板體系，在傳統(tǒng)CRTS I型板式無砟軌道的CA砂漿與底座之間鋪設了彈性隔振元件——減振墊層，減振墊層的剛度取為0.046 N/mm3，厚度為27 mm。橡膠減振墊是最早在德國應用的一種高等減振措施，國內首先在城市軌道交通中引進和應用，減振效果可達到10 dB。

圖1 減振型板式無砟軌道

2 計算模型和計算方法

當列車穿越隧道時，車輛輪系與軌道之間產(chǎn)生動力相互作用，形成振動源，振動能量通過鋼軌、道床和隧道結構傳遞給周圍地層。列車荷載作用下的地下結構振動是個復雜的課題[12-14]，要想通過理論分析得到符合實際的結果，必須考慮很多因素，使得體系的力學模型十分復雜。為了簡化計算模型、提高計算效率，本文首先建立“列車-軌道耦合系統(tǒng)”動力仿真模型，通過動力分析得到作用在“軌道-隧道-地層”上的列車荷載激勵曲線及其功率譜；然后建立“隧道-地層”有限元模型，通過施加列車荷載激勵曲線，研究列車荷載作用下隧道及周邊地層的振動響應規(guī)律，分析減振墊層對軟土液化的影響。

2.1 列車-軌道系統(tǒng)模型

2.1.1 車輛模型

車輛一軌道耦合動力模型由車輛模型、軌道模型和輪軌間的耦合關系組成。其中，車輛模型由一個車輛系組成，每一節(jié)是一個多自由度的振動系統(tǒng)，包括車體、轉向架、輪對、彈簧和阻尼器。

車輛模型假定如下：

(1)每節(jié)車輛的車體、轉向架和輪對均視為剛體，不計它們在振動中的彈性變形；

(2)車輛懸掛系統(tǒng)的一系和二系阻尼均簡化為黏滯阻尼器。對于非黏滯阻尼的減振器，可換算成由當量阻尼比確定的黏滯阻尼計算；

(3)橫向運動(橫擺、搖頭、側滾)與豎向運動(浮動、點頭)互不耦合，因此可單獨分析豎向振動；

(4)不考慮車體、轉向架和輪對沿車輛縱軸方向的振動。

2.1.2 軌道模型

軌道模型包括鋼軌、扣件、軌道板、橡膠墊層、底座等，見圖2，假定如下：

(1)鋼軌視為置于彈簧(扣件)之上的無限長梁；

(2)減振無砟軌道簡化為“質量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)，即浮置板軌道系統(tǒng)。

圖2 車輛-軌道耦合動力學模型

2.2 高速列車激振荷載的確定

圖3 鋼軌支點壓力時程曲線(V=350 km/h)

針對減振型無砟軌道的結構特點，根據(jù)“列車-軌道耦合系統(tǒng)”動力模型，分析了獅子洋隧道所采用的CRTSⅠ型減振型板式無砟軌道結構動力響應，得到了高速列車通過無砟軌道時鋼軌支點壓力的時程曲線(圖3)，作為列車振動引起隧道及地層動力響應分析提供外部激勵荷載。

2.3 隧道結構及地層模型

獅子洋隧道結構及地層有限元模型包括減振無砟軌道、回填層、隧道結構及周邊地層，見圖4，該模型考慮了細砂、粉砂在地層中分布的范圍和覆蓋層的厚度，因為這是影響地基抗液化能力的主要因素。

圖4 隧道及周邊土層有限元模型

獅子洋隧道結構及地層有限元模型包括減振無砟軌道、回填層、隧道結構及周邊地層，該模型考慮了細砂、粉砂在地層中分布的范圍和覆蓋層的厚度，因為這是影響地基抗液化能力的主要因素。該模型考慮了隧道與地層邊界的細化，見圖5、圖6。

圖5 模型細節(jié)

圖6 隧道與地層模型邊界

3 隧底軟土地層液化風險分析

在列車振動荷載的往復作用下，土層中的剪應力會出現(xiàn)累積-消散-累積的循環(huán)過程，從而使砂土層有可能發(fā)生液化，累積沉降增加。列車振動在隧底軟土地層所產(chǎn)生動剪應力一旦達到液化剪應力[15]，則存在液化的風險，因此根據(jù)列車振動產(chǎn)生的軟土地層動剪應力來進行液化風險評價。

3.1 隧底地層液化剪應力的確定

地基液化剪應力與地層重度、埋深及土性如密實度、液化剪應力比有關，且與動荷載作用振次密切相關，一般而言振次越大液化剪應力閾值越小。液化剪應力[τ]為

(1)

式中γ——地層重度；

h——埋深；

Cr——修正系數(shù)，用于修正室內三軸試驗數(shù)據(jù)以反映現(xiàn)場實際應力狀態(tài)。

考慮到隧道結構存在時地層的實際應力分布情況及施工過程對地層的擾動以及可能存在的超挖現(xiàn)象，有限元計算結果為377.898 kPa，則有效應力為150.244 kPa，代入式(1)進行計算，得液化剪應力[τ]=8.429 kPa。

3.2 獅子洋隧道地層動剪應力計算結果

在“隧道-地層”有限元模型上，施加高速列車通過無砟軌道時鋼軌支點壓力的時程曲線，分析列車荷載作用下軌道有、無減振墊層隧道及周邊地層的各項動力響應。

軌道無減振墊層時地層等效剪應力見圖7，剪應力最大值出現(xiàn)在隧底正下方，為6.205 kPa。

圖7 等效剪應力(無減振墊層)

軌道設減振墊層時地層等效剪應力見圖8，剪應力最大值出現(xiàn)在隧底正下方，為4.156 kPa。

圖8 等效剪應力(設減振墊層)

3.3 減振效果綜合對比分析

綜合以上計算結果，進行無砟軌道有減振墊層和無減振墊層的對比分析，見表1。

表1 無砟軌道有無減振墊層減振效果綜合對比分析

相對于無減振墊層，有減振墊層時地層動應力峰值可降低33.02%，加速度峰值降低82.98%，減振效果明顯。

對于動剪應力與液化剪應力的比值，無減振墊層時為0.736，相應的“安全系數(shù)”為1.36，對于重大工程來講，安全系數(shù)仍顯不足。

有減振墊層時，動剪應力與液化剪應力的比值為0.493，相應的“安全系數(shù)”為2.386，提高是比較明顯的，加大了安全儲備。

3.4 隧道地層土壤液化振動敏感頻率區(qū)間的試驗結果

隧道軟土地層土壤液化對振動的某頻段是比較敏感的，在敏感頻段加速度及振動能量會出現(xiàn)峰值，在軟土地層工程設計中必須加以關注。為了獲得隧道地層土壤液化的振動敏感頻率區(qū)間，在廣深港高鐵聯(lián)調聯(lián)試期間，實測了高速動車組通過隧道時地表土層振動加速度。測試結果表明：軟土區(qū)段隧底地層土壤液化的振動敏感區(qū)間為40～120 Hz，該頻率范圍的振動對隧道地層土壤液化影響較大，地基振動能量峰值的頻率為50 Hz左右。該測試結果與國內外關于鐵路軌道振動對于隧道地層土壤液化研究結論是一致的[16]。

4 結論

(1)無砟軌道設置減振墊層可降低地層動應力峰值33.02%，降低加速度峰值82.98%，顯著減低了地層動應力峰值和振動加速度，對于防止軟土地層振動液化效果明顯。

(2)隧道基底動剪應力與液化剪應力的比值在無減振墊層時為0.736，有減振墊層時為0.419，采取減振措施后相應的“安全系數(shù)”從1.36增加到2.386，可見，軌道減振后地基穩(wěn)固性改善效果明顯，安全性得到進一步提高。

(3)廣深港高鐵聯(lián)調聯(lián)試期間實車試驗結果表明，軟土區(qū)段隧底地基振動敏感區(qū)間為40～120 Hz頻帶區(qū)域，振動能量峰值的頻率為50 Hz。

(4)廣深港高鐵廣深段自2011年年底開通運營以來，獅子洋隧道減振板式無砟軌道、隧道結構及地層運營狀態(tài)良好，減振無砟軌道有效防止了隧道地層軟土振動液化的發(fā)生，確保了隧道結構安全，達到了預期效果。

[1] 李光耀.獅子洋隧道泥水盾構穿越上軟下硬地層施工技術[J].鐵道標準設計，2010(11)：89-94.

[2] 洪開榮，杜闖東，王坤. 廣深港高速鐵路獅子洋水下盾構隧道修建技術[J].中國工程科學，2009(7)：53-58.

[3] 黃娟，彭立敏，李興龍.可液化地層獅子洋盾構隧道橫向地震響應規(guī)律及減震措施研究[J].巖土工程學報，2009(10):1539-1546.

[4] 劉光磊，宋二祥，劉華北.可液化地層中地鐵隧道地震相應數(shù)值模擬及試驗驗證[J].巖土工程學報，2007(12)：1815-1822.

[5] 姜忻良，宋麗梅.軟土地層中地下隧道結構地震反應分析[J].地震工程與工程振動，1999(1):65-69.

[6] 李育樞.山嶺隧道地震動力響應及減震措施研究[D].上海：同濟大學，2006：65-68.

[7] 賈超，趙建宇，徐幫樹，等.清水隧道圍巖軟土振動液化研究[J].山東大學學報，2008(2)：84-87.

[8] 王秀英，劉維寧.列車振動作用下沉管地基砂土液化可能性研究[J].鐵道學報，2004(2)：96-100.

[9] 由廣明，劉維寧.高速列車振動荷載作用下沉管地基整體穩(wěn)定性研究[J].中國鐵道科學，2004(2)：82-85.

[10]劉明麗.地鐵列車振動引起的地基液化問題[D].北京：北京交通大學，2005：45-51.

[11]孫曉邁.CRTSⅠ型無砟軌道彈性減振墊層施工技術[J].國防交通工程與技術，2012(3)：47-50.

[12]陳松潔.軟弱地層中水下高速鐵路盾構隧道列車振動響應分析[D].長沙：中南大學，2010：17-22.

[13]張玉娥，白寶鴻.高速鐵路隧道列車振動響應數(shù)值分析方法[J].振動與沖擊，2000，20(3):91-101.

[14]周濟民，何川，肖明清，等.獅子洋水下盾構隧道襯砌結構受力的現(xiàn)場測試與計算分析[J].鐵道學報，2012(7)：115-121.

[15]賀騰飛，周順華，徐司慧.地鐵振動荷載作用下土體動剪應力分析[J].華東交通大學學報，2016(2)：23-29.

[16]肖明清，姚捷，黃盾，等.廣深港高鐵獅子洋隧道列車所致環(huán)境振動實測研究[J].巖石力學與工程學報，2013(7)：3527-3534.

Analysis of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong High Speed Railway Shiziyang Tunnel Vibration Damping Ballastless Track Effect on Surrounding Soft Soil

XU Ke-liang， XIAO Ming-qing， LI Qiu-yi

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

To prevent the liquefaction of large section shield tunnel soft soil of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong high speed railway Shiziyang tunnel on account of high-speed train vibration， vibration damping ballastless track is adopted. To investigate the effect of vibration damping measures， this paper establishes the train-track finite element model and the tunnel-soil finite element model to analyze dynamic response and distribution of the tunnel structure and the surrounding soil under the train load， and compares the dynamic shear stress and acceleration with and without vibration damping. The results show that the vibration damping ballastless track can effectively reduce the risk of soft soil liquefaction， improve the safety stock， and achieve the expected goal. The research results may guide the design of tunnel through soft soil．

High speed railway; Railway tunnel; Shield tunnel; Soft soil; Ballastless track; Vibration damping; Liquefaction

2016-08-10；

2016-08-23

鐵道部科技開發(fā)計劃項目(2006G007-B)

許克亮(1961—)，男，教授級高級工程師，1982年畢業(yè)于長沙鐵道學院鐵道工程專業(yè)，工學學士，E-mail:XKL_DHL001@163.com。

1004-2954(2016)11-0001-04

U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.001