重載鐵路對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及基底條件影響研究

林森斌

0 引言

我國(guó)飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對(duì)鐵路貨運(yùn)提出了更高的要求。近幾年我國(guó)用煤量大幅增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年需求總量將達(dá)到32億t。因此，大軸重重載運(yùn)輸技術(shù)必然成為我國(guó)重載鐵路發(fā)展的主要方向之一，深入、系統(tǒng)地研究大軸重重載運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需求，建立有效的重載運(yùn)輸技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)重載鐵路線路結(jié)構(gòu)的研究主要集中在軌道、路基和橋梁上，而關(guān)于重載對(duì)隧道影響的研究較少。我國(guó)既有重載鐵路隧道，在修建時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)高于普通鐵路，但與國(guó)外相比仍然較低，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，許多隧道底部出現(xiàn)鋪底開(kāi)裂、破損、下陷，向兩側(cè)外擠，以及翻漿、冒泥等現(xiàn)象。軸重增大、運(yùn)量提高后，這種現(xiàn)象將更為明顯。

周猛[1]對(duì)鐵路路基翻漿冒泥機(jī)理進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述，分析列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)路基翻漿冒泥現(xiàn)象的影響，并提出路基加固的措施。王立軍[2]對(duì)我國(guó)現(xiàn)有重載路基存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并針對(duì)重載路基病害，例如翻漿冒泥、路基下沉和路肩沖刷等提出相應(yīng)的整治對(duì)策。

本文采用三維模擬方法，研究不同軸重條件下，重載列車(chē)動(dòng)荷載作用，給出重載隧道合理的結(jié)構(gòu)形式。研究列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)隧底基巖土動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，為大軸重或重載鐵路隧道專(zhuān)業(yè)的技術(shù)參數(shù)的制定提供技術(shù)支撐。

1 計(jì)算模型

1.1 工程背景

山西中南部鐵路通道工程線路全長(zhǎng)1214.096 km，其中含橋梁工程256.2 km，隧道工程358.1 km以及路基工程599.8 km，橋隧比例達(dá)到50.6%。

該條鐵路為國(guó)家Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)軸重30 t，沿線隧道底層多為新黃土。

1.2 模型概述

研究取標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙線隧道黃土Ⅴ級(jí)復(fù)合式襯砌，為有砟軌道。結(jié)構(gòu)所采用建筑材料為噴射混凝土:C25混凝土;拱部、邊墻、仰拱:C35鋼筋混凝土;仰拱填充:C20混凝土。結(jié)構(gòu)覆土45 m，周?chē)鸀榫|(zhì)Q3砂質(zhì)黃土地層。

模型計(jì)算采用MIDAS-GTS2.6有限元計(jì)算軟件，邊界約束條件為位移約束，土層采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則，其余采用彈性準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。簡(jiǎn)化列車(chē)荷載采用通用活載模式。模型研究雙線隧道單側(cè)通過(guò)重載列車(chē)時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)、基底動(dòng)應(yīng)力變化情況。

1.3 計(jì)算參數(shù)

材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)表

模型分別計(jì)算通用 27 t、專(zhuān)用27 t，30 t，33 t軸重列車(chē)，雙線隧道單線過(guò)車(chē)工況，列車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，取動(dòng)力系數(shù)3.0。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 重載鐵路對(duì)隧道結(jié)構(gòu)形式影響

1)仰拱設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

重載列車(chē)對(duì)隧道影響的關(guān)鍵部位是仰拱及基底圍巖。TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，單線Ⅲ級(jí)以上、雙線Ⅲ級(jí)及以上地段均應(yīng)設(shè)置仰拱;單線Ⅲ級(jí)、雙線Ⅱ級(jí)及以下地段是否設(shè)置仰拱應(yīng)根據(jù)巖性、地下水情況確定;不設(shè)仰拱的地段應(yīng)設(shè)底板，底板厚度不得小于25 cm，并應(yīng)設(shè)置鋼筋。

對(duì)于重載隧道，列車(chē)活載及隧底沖擊力較大，單純的鋪底結(jié)構(gòu)無(wú)法控制病害的發(fā)生。因此，建議重載鐵路隧道取消單純的鋪底結(jié)構(gòu)，在Ⅲ級(jí)及以上圍巖設(shè)仰拱，且仰拱的矢跨比和厚度等參數(shù)應(yīng)不低于客運(yùn)專(zhuān)線隧道標(biāo)準(zhǔn);Ⅲ級(jí)以下圍巖應(yīng)設(shè)鋼筋混凝土底板。重載隧道底板或仰拱的設(shè)計(jì)值，需要結(jié)合具體圍巖條件綜合計(jì)算、分析。

2)仰拱與邊墻連接方式。

受大軸重疲勞荷載作用影響，仰拱與邊墻連接處是結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)之一。目前規(guī)范對(duì)此并無(wú)明確規(guī)定。根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)，建議重載隧道該部位應(yīng)采用圓弧順接以改善襯砌內(nèi)力，并對(duì)該部位設(shè)置加強(qiáng)配筋。

3)仰拱填充。

顯然，較大的仰拱填充厚度能夠在一定程度上保護(hù)二次襯砌結(jié)構(gòu)，但工程投資和施工難度也隨之增大;反之，仰拱填充厚度越小越節(jié)省投資，并且可以加快施工進(jìn)度。

仰拱填充的受力狀況較為復(fù)雜，在頂部受列車(chē)荷載壓力及沖擊力作用，底部受仰拱的限制，在底部中間受到仰拱壓應(yīng)力，而在底部?jī)啥?、仰拱外?cè)受拉，影響仰拱填充與仰拱之間的連接。

圖1顯示列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)仰拱填充的影響較為復(fù)雜，在填充表面壓應(yīng)力增加，但在接近仰拱處，體現(xiàn)為壓應(yīng)力降低。

對(duì)于重載隧道，仰拱填充應(yīng)當(dāng)不小于既有隧道規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且綜合其施工、經(jīng)濟(jì)等方面因素適當(dāng)增大，具體取值應(yīng)結(jié)合圍巖級(jí)別通過(guò)動(dòng)力計(jì)算確定。

圖1 仰拱填充動(dòng)應(yīng)力圖

4)仰拱矢跨比參數(shù)分析。

仰拱作為隧道主體結(jié)構(gòu)最重要的組成部分之一，用于改善隧道上部結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置，它一方面將隧道上部地層壓力通過(guò)隧道邊墻結(jié)構(gòu)傳遞到地下，另一方面有效地抵抗隧道下部傳來(lái)的地層反力。仰拱的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，若設(shè)計(jì)不當(dāng)容易出現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、開(kāi)裂、過(guò)度沉降等病害，在重載隧道中，仰拱開(kāi)裂導(dǎo)致翻漿冒泥的案例不在少數(shù)。

合理的仰拱形式能夠在一定程度上降低對(duì)基礎(chǔ)承載力的要求，減少結(jié)構(gòu)下沉，調(diào)整襯砌應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的整體安全性與穩(wěn)定性。矢跨比作為仰拱形式重要參數(shù)之一，直接決定著仰拱所能發(fā)揮的作用。

由表2可以看出，仰拱矢跨比越大(1/8)，仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力能得到更好的改善，在一定程度上可以降低對(duì)結(jié)構(gòu)厚度、配筋的要求，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。另一方面，大的矢跨比，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉降量較大，且對(duì)地基承載力的要求也相應(yīng)提高。且大的矢跨比，對(duì)應(yīng)較厚的仰拱填充，會(huì)在一定程度提高工程的造價(jià)。

反之，對(duì)于小矢跨比(1/12)，由于結(jié)構(gòu)底部較為平緩，隧道對(duì)基底的壓力也較小，但結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也相應(yīng)增大，提高了對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度的要求。

表2 不同矢跨比計(jì)算結(jié)果比較

因此，在隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)基底具有較好的力學(xué)性能，可以適當(dāng)采用較大的矢跨比;而對(duì)于較差的基礎(chǔ)，則可以適當(dāng)減小矢跨比，通過(guò)加大襯砌的尺寸和強(qiáng)度，在一定程度上彌補(bǔ)地基承載力的不足。建議隧道矢跨比取值為1/10～1/12為宜。

2.2 重載鐵路對(duì)隧底基巖土動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

關(guān)于深埋隧道地基破壞形式尚無(wú)深入的研究，且目前并未出現(xiàn)深埋隧道地基破壞的案例，在實(shí)際工程中，通常通過(guò)對(duì)隧底土體加固等措施，來(lái)滿足結(jié)構(gòu)沉降控制要求。

圖2 隧底地層豎向位移

1)基底土體沉降。圖2為列車(chē)通過(guò)時(shí)，隧道底地層附加沉降量，專(zhuān)用30 t列車(chē)通過(guò)時(shí)結(jié)構(gòu)最大附加沉降量為2.1 mm，影響值在允許范圍之內(nèi)。

2)基底應(yīng)力及附加應(yīng)力。附加應(yīng)力為基底處地基由于外荷載的介入而增加的應(yīng)力，只有基底附加應(yīng)力才能引起地基的附加應(yīng)力和變形。

表3 土體豎向附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值 kPa

圖3 地基土動(dòng)應(yīng)力

表3及圖3顯示，在專(zhuān)用30 t列車(chē)荷載作用下，地基土體豎向附加應(yīng)力有明顯增加，增加值約20 kPa。在垂直方向，地基土體動(dòng)應(yīng)力影響深度較大，對(duì)于新黃土，需要根據(jù)土體強(qiáng)度、變形模量、含水量、密實(shí)度、荷載作用頻率等因素，確定臨界動(dòng)應(yīng)力，進(jìn)一步確定重載列車(chē)動(dòng)應(yīng)力對(duì)地基土體影響，確定地基處理措施。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)，動(dòng)應(yīng)力的影響較大，且覆蓋層具有較大的剛度，對(duì)沖擊荷載的緩沖能力較差，在列車(chē)動(dòng)載及水的共同作用下，隧道鋪底結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有所改變，其局部彎矩和剪力將大增，并最終導(dǎo)致隧底結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的開(kāi)裂破壞。

對(duì)于重載隧道，特別是深埋隧道，在重載條件下基底巖土的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響顯著。軟弱圍巖(尤其是土質(zhì)圍巖)，在列車(chē)動(dòng)載作用下，其物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生變化，加之排水不暢，巖土的物性指標(biāo)和承載力將明顯降低，這是引起隧道基底結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、下沉以及翻漿冒泥的主要原因。

研究得出，對(duì)于重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)，有以下幾點(diǎn)建議:

1)重載隧道均應(yīng)設(shè)置仰拱，仰拱厚度及配筋需根據(jù)實(shí)際計(jì)算確定。仰拱與側(cè)墻宜用圓弧順接，矢跨比取1/10～1/12為宜。

2)在現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大仰拱填充厚度，以減小列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)及基底的破壞。

3)對(duì)于重載隧道基底，宜作加固處理，地基承載力需要在現(xiàn)有隧道標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，具體提高值需要根據(jù)實(shí)際工程情況計(jì)算而定。

4)由于新黃土地層的特殊性質(zhì)，為防止地基翻漿冒泥及地層濕陷，建議作加固處理，提高基底強(qiáng)度，降低地層透水性，確保隧道安全使用。

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)三維有限元模擬，對(duì)重載鐵路隧道仰拱及地基的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析比較，并得出一定的結(jié)論與建議。但是，對(duì)于長(zhǎng)期大軸重列車(chē)振動(dòng)作用下隧道仰拱和基底圍巖的力學(xué)響應(yīng)，以及不良地質(zhì)段基底的液化、下沉規(guī)律，尚需要進(jìn)行大量的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

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