重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害特點及疲勞損傷機理分析

霍建勛

(中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)承擔(dān)列車的動荷載作用，隨著列車軸重的增加隧底結(jié)構(gòu)受影響程度增大，導(dǎo)致隧底結(jié)構(gòu)頻發(fā)下陷、破損等病害。這些病害的發(fā)生對行車條件、隧道維護周期、隧道使用壽命等具有不利影響，嚴(yán)重制約重載鐵路高效安全服役。預(yù)防和治理重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害已成為隧道建設(shè)和運營亟待解決的問題。因此，開展重載鐵路隧底病害特點及損傷機理分析十分必要。

針對重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)的損傷機理，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一定的研究。文獻[1-2]結(jié)合隧底結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果，采用有限元軟件確定了隧底結(jié)構(gòu)在列車振動荷載作用下的危險部位及疲勞使用壽命。文獻[3]采用1∶2的相似模型研究了隧底在富水條件下疲勞破壞情況。文獻[4-5]結(jié)合朔黃鐵路隧道的現(xiàn)場調(diào)研情況，研究了不同圍巖條件下隧底填充層的疲勞損傷。文獻[6]結(jié)合模型試驗與理論分析研究了隧底結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷機理。文獻[7-8]通過采用混凝土塑性損傷本構(gòu)模型進行有限元計算，研究了不同工況下隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷分布規(guī)律及動力響應(yīng)特性。

以往研究多針對結(jié)構(gòu)疲勞損傷機理，對重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的相關(guān)研究相對較少。本文在重載鐵路隧底病害現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析隧底結(jié)構(gòu)病害的主要特征，確定疲勞損傷的主要影響因素，利用有限元軟件預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命，為重載鐵路隧道的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害特點

目前，我國已開通大秦鐵路、朔黃鐵路、瓦日鐵路和張?zhí)畦F路4條重載鐵路，通過現(xiàn)場調(diào)查120座重載鐵路隧道，發(fā)現(xiàn)隧底結(jié)構(gòu)主要存在以下5種病害：

1)隧底下沉

朔黃鐵路出現(xiàn)隧底下沉的隧道有48座，占全線隧道的62.3%，其中長梁山隧道隧底下沉嚴(yán)重區(qū)段每月沉降量達到5～15 mm。累計長度482.7 m。

2)翻漿冒泥

在重載列車的長期碾壓和地下水的綜合作用下，隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翻漿冒泥，影響重載鐵路的運營安全。

3)側(cè)溝外擠

由于我國重載鐵路隧道主要運輸煤炭，在列車運輸過程中煤灰進入兩側(cè)側(cè)溝使其堵塞，同時隧底結(jié)構(gòu)變形等造成了側(cè)溝外擠。

4)混凝土破損

由于混凝土厚度未達到設(shè)計要求形成空洞，導(dǎo)致部分隧底結(jié)構(gòu)混凝土破損較為常見。隨著圍巖變差破損愈發(fā)嚴(yán)重。累計長度 6 311.7 m。

5)混凝土不密實

重載鐵路隧道中由于施工誤差、圍巖劣化等因素，造成隧底結(jié)構(gòu)與底部圍巖無法完全接觸，從而使得混凝土不密實。該病害常伴隨其他病害同時發(fā)生。

2 重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害分析

采用高密度電法、地質(zhì)雷達法等無損檢測技術(shù)對隧底結(jié)構(gòu)病害進行檢測，結(jié)果見表1。

表1 隧底結(jié)構(gòu)病害分布 m

從表1可以看出：病害連續(xù)長度集中在3～9 m區(qū)間，約占67.2%，其中3～6 m區(qū)間病害累計長度最長，達 2 354.5 m，占43.8%。

隧底結(jié)構(gòu)混凝土破損和混凝土不密實這2種病害的分布見表2。

表2 混凝土破損和混凝土不密實病害的分布 m

隧底結(jié)構(gòu)最為普遍的病害是混凝土破損，連續(xù)長度集中在3～9 m區(qū)間，部分病害區(qū)段連續(xù)長度大于15 m;其次是混凝土不密實，連續(xù)長度均不超過15 m，其中3～6 m區(qū)間病害累計長度最長，達163.5 m。

通過統(tǒng)計分析這2種病害發(fā)生的區(qū)段，74.5%的隧底結(jié)構(gòu)混凝土破損地段也存在混凝土不密實。

不同圍巖級別條件下病害段的累計長度見圖1。

圖1 不同圍巖級別條件下病害段的累計長度

從圖1可以看出：Ⅲ級圍巖病害段累計長度最短，約占Ⅲ級圍巖段總長 11 790 m的17.2%；Ⅳ級、Ⅴ級圍巖病害段累計長度相差不大，其中Ⅳ級圍巖病害段累計長度占其區(qū)段總長 11 790 m 的25.1%，Ⅴ級圍巖病害段累計長度占其區(qū)段總長 11 790 m 的26.2%?？傮w上表現(xiàn)為圍巖越差病害越嚴(yán)重。

由以上對隧底結(jié)構(gòu)病害的分析可以得出：①重載鐵路隧底病害連續(xù)長度主要集中在3～9 m區(qū)間。②隧底結(jié)構(gòu)混凝土破損比較普遍，混凝土不密實次之，并且大部分混凝土破損伴隨著混凝土不密實發(fā)生。③不同圍巖級別病害率(病害累計長度與總長之比)為Ⅲ級(17.2%)<Ⅳ級(25.1%)<Ⅴ級(26.2%)，表現(xiàn)為圍巖越差病害越嚴(yán)重。

3 重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害影響因素

為了進一步研究重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)損傷機理，綜合分析現(xiàn)場病害調(diào)查結(jié)果，總結(jié)出影響隧底病害的幾個主要因素。

1)大軸重、高頻次列車動荷載

與客貨共線鐵路隧道相比，重載鐵路隧道病害集中發(fā)生在隧底；與線間、空車線側(cè)等受動荷載影響較小的位置相比，重載鐵路隧道重車線側(cè)直接承受列車荷載，病害率更高，病害范圍更大。這表明大軸重列車動荷載作用將率先導(dǎo)致隧底病害的出現(xiàn)，即大軸重列車動荷載是引起隧底病害的直接因素。

2)存在缺陷的隧底圍巖

圍巖在天然狀態(tài)下都具有一定程度的缺陷，在大軸重列車動荷載循環(huán)作用下隧底圍巖缺陷被放大，損傷逐漸積累，隧底病害也隨之產(chǎn)生，所以有缺陷的隧底圍巖為隧底病害的源頭。

3)地下水作用

重載鐵路隧底損傷少不了地下水的參與，這一點可以從朔黃鐵路、大秦鐵路隧底病害的調(diào)研結(jié)果得到驗證。朔黃鐵路隧底病害多發(fā)區(qū)段圍巖條件較差，主要表現(xiàn)為不整合接觸、結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重等。從水文條件來看，隧底病害區(qū)段均有不同含量的裂隙水存在。大秦鐵路隧底病害主要表現(xiàn)為由雨季滲漏水引起的翻漿冒泥等，這主要由隧道所在區(qū)段地下水和列車動荷載循環(huán)作用相互影響所致。

綜合分析以上影響因素可知，有缺陷的隧底圍巖和地下水為損傷的發(fā)展提供了客觀條件，相比普通鐵路列車，重載鐵路列車動荷載的循環(huán)作用更容易使隧底圍巖與結(jié)構(gòu)損傷迅速累積，導(dǎo)致隧底結(jié)構(gòu)病害的出現(xiàn)。因此，重載列車的大軸重是隧底結(jié)構(gòu)病害的主要影響因素。

4 重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析

隧底結(jié)構(gòu)混凝土破損主要為列車動荷載循環(huán)作用后出現(xiàn)的疲勞破壞。當(dāng)前主流的疲勞損傷計算方法主要有基于試驗獲得的S-N曲線預(yù)測疲勞累積的名義應(yīng)力法[9]。

4.1 疲勞損傷理論

隧底結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷表現(xiàn)為高周疲勞，即疲勞過程中不可恢復(fù)的應(yīng)變僅由微塑性引起。應(yīng)力值一般低于結(jié)構(gòu)的屈服極限，但循環(huán)次數(shù)較高，一般超過10萬次。故本文采取基于S-N曲線預(yù)測疲勞累積的名義應(yīng)力法來分析重載鐵路隧道的疲勞損傷問題。

S-N曲線為疲勞壽命曲線。其中：S為應(yīng)力，此處指重載列車動荷載循環(huán)中的應(yīng)力幅值σa；N為疲勞次數(shù)。σa的計算公式為

(1)

式中：σmax，σmin分別為重載列車動荷載循環(huán)中最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。

由疲勞試驗得到的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力，可計算出不同應(yīng)力對應(yīng)的疲勞次數(shù)。計算公式為

lgN=16.67-16.76St max+5.17St min

(2)

式中:Smax為最大應(yīng)力水平，Smax=σmax/f，f為材料極限強度；Smin為最小應(yīng)力水平，Smin=σmin/f；t為荷載作用時間。

將式(2)輸入軟件中，即可自動擬合得到混凝土材料的S-N曲線。此外，在軟件計算中還定義了平均應(yīng)力修正法則，考慮了平均應(yīng)力σm對疲勞壽命的影響。平均應(yīng)力σm的計算公式為

(3)

綜上可以看出，隧底結(jié)構(gòu)的疲勞壽命由其應(yīng)力幅值與平均應(yīng)力共同決定。

4.2 疲勞損傷計算

由于Ⅴ級圍巖條件下隧底結(jié)構(gòu)病害段累計長度最長，病害最為嚴(yán)重，因此本文以V級圍巖為例，采用ANSYS中Workbench模塊研究雙線鐵路隧道(左線通行重載列車，右線通行普通列車)按設(shè)計使用壽命100年進行計算。依據(jù)計算結(jié)果分析隧底結(jié)構(gòu)損傷機理。

建立重載列車荷載作用下軌道-隧道-地層三維耦合精細化結(jié)構(gòu)模型，采用三維實體單元Solid185來模擬，見圖2。Ⅴ級圍巖和結(jié)構(gòu)用材料的物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》選取，并對錨桿、配筋等進行等效處理，具體取值見表3、表4。

隧底各部位損傷云圖見圖3，損傷情況見表5。其中，損傷值=疲勞壽命/設(shè)計壽命。

圖2 計算模型

重度/(kN·m-3)彈性反力系數(shù)/(MPa·m-1)變形模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa計算摩擦角/(°)17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.2040～50

表4 結(jié)構(gòu)用材料的物理力學(xué)指標(biāo)

圖3 隧底各部位損傷云圖

部位最大損傷值最早損傷時間/年損傷破壞位置重載線路普通線路重載線路普通線路重載線路普通線路道床8.55.11220重載線路軌道下方仰拱填充層5.23.31930重載線路軌道下方仰拱4.22.02449重載線路下方區(qū)域

由圖3和表5可得：①雙線隧道底部結(jié)構(gòu)中道床、仰拱填充層和仰拱均出現(xiàn)了損傷，只是損傷程度和出現(xiàn)的時間不同。說明2種線路在荷載長期作用下隧底結(jié)構(gòu)承受的荷載較大，并且長期處于疲勞損傷狀態(tài)。②雙線隧道道床、仰拱填充層和仰拱損傷出現(xiàn)的時間由上至下逐漸變晚，隧道運行12年后重載線路的道床最早出現(xiàn)損傷。③雙線隧道內(nèi)道床、仰拱填充層和仰拱損傷影響范圍由上至下逐漸增大?？赡苁怯捎谥剌d線路列車荷載在隧底結(jié)構(gòu)中的傳遞隨著豎向深度的增加不斷衰減，道床結(jié)構(gòu)因直接承受列車荷載致使疲勞損傷更集中，仰拱位于最下層，列車荷載擴散故影響范圍更大。④重載線路側(cè)損傷明顯早于和大于普通線路側(cè)，但兩側(cè)疲勞損傷整體分布規(guī)律基本相同。普通線路側(cè)道床也在隧道運營20年后出現(xiàn)了損傷，說明在普通列車長期作用下該位置線路也處于較危險狀態(tài)，且雙線隧道的道床最危險。

5 結(jié)論

本文對現(xiàn)場病害調(diào)查結(jié)果進行分析，得出隧底結(jié)構(gòu)病害主要為隧底下沉、翻漿冒泥、側(cè)溝外擠、混凝土破損和混凝土不密實。隧底結(jié)構(gòu)病害連續(xù)長度多集中在3～9 m區(qū)間，圍巖越差隧底病害越嚴(yán)重。

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在重載列車荷載長期作用下隧底結(jié)構(gòu)道床、仰拱填充層和仰拱均出現(xiàn)了損傷，且出現(xiàn)時間由上至下逐漸變晚。運行12年后重載線路的道床最早出現(xiàn)損傷。軌枕下方損傷影響范圍由上至下逐漸增大。另外，在重載列車荷載和普通列車荷載的長期作用下普通線路也處于較危險狀態(tài)。普通線路側(cè)道床在隧道運營20年后也出現(xiàn)了損傷。