不同土質(zhì)圍巖條件下隧底圍巖脫空規(guī)律與結(jié)構(gòu)受力特征研究

傅支黔， 段儒禹， 聶大豐， 華 陽， 董宇蒼, *

(1. 中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

目前，世界范圍內(nèi)的貨物列車重載運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展十分迅速，重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到各國鐵路行業(yè)的廣泛重視[1-3]。隧道作為重載線路的關(guān)鍵組成部分，其服役過程中的安全穩(wěn)定直接影響重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展與推廣。而重載鐵路隧道隧底結(jié)構(gòu)受到列車長期作用時(shí)，往往會引發(fā)隧底結(jié)構(gòu)脫空、下沉等病害，嚴(yán)重降低隧道服役壽命，制約重載鐵路的高效運(yùn)營[4-6]。因此，重載鐵路隧道隧底脫空問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前，針對重載鐵路隧道隧底脫空問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了大量深入研究。程建平[7]明確了基底混凝土厚度參數(shù)對重載隧道結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。李力[8]基于隧底病害產(chǎn)生機(jī)制，給出了重載鐵路隧道基底加固建議措施。孟憲洪[9]提出了重載鐵路隧道翻漿冒泥病害的整治技術(shù)。常凱等[10]根據(jù)重載鐵路隧底病害起因，給出了相應(yīng)的換底整治技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)。華陽[11]探明了隧底與圍巖接觸面積對圍巖接觸壓力的影響規(guī)律。彭立敏等[12]基于現(xiàn)場測試，給出了列車激振荷載作用下隧底結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)特征。Degrande等[13]基于現(xiàn)場實(shí)測，給出了不同軸重、列車激振荷載下隧道結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的受力特征。文獻(xiàn)[14]基于實(shí)車試驗(yàn)，明確了列車激振荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)與加速度響應(yīng)特征。鄒文浩[15]探明了重載鐵路動(dòng)力響應(yīng)特征并建立了重載隧道服役狀態(tài)評價(jià)體系。劉寧等[16]給出了不同基底條件對重載鐵路隧道服役壽命與動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。李自強(qiáng)等[17]探明了不同軸重下隧底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征。Jones等[18]基于邊界元-有限元耦合方法，得到了不同襯砌結(jié)構(gòu)形式下隧道振動(dòng)響應(yīng)傳播規(guī)律。

綜上所述，目前針對列車激振荷載作用下鐵路隧道隧底結(jié)構(gòu)問題的研究，主要集中在列車激振荷載計(jì)算方法、隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征以及隧底病害整治措施等方面。而對于隧底圍巖脫空演變過程研究仍不充分、不全面，不同脫空類型條件下隧底結(jié)構(gòu)受力特征尚不明確。鑒于此，本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，首先探明不同土質(zhì)圍巖類型下底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)背后圍巖脫空規(guī)律，給出了底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)圍巖脫空類型；進(jìn)而，采用三維有限元數(shù)值分析軟件，分析不同脫空類型對隧底結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，明確不同脫空類型條件下隧底結(jié)構(gòu)受力特征。研究成果以期為重載鐵路隧道隧底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、病害防治提供理論支撐及指導(dǎo)作用。

1 室內(nèi)相似試驗(yàn)設(shè)計(jì)

f(σ,ε,E,μ,X,L,γ,c,φ,R,ρ,u,a,v,t)=0。

(1)

進(jìn)而，試驗(yàn)以幾何相似比CL=1∶20、容重相似比Cγ=1∶1為基礎(chǔ)相似比，可得出其余試驗(yàn)所需物理參數(shù)相似比。室內(nèi)相似試驗(yàn)所需物理相似比如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)物理量相似比

1.1 相似材料

1.1.1 圍巖相似材料

本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)卵石土、黏性土和砂質(zhì)土3種不同土質(zhì)圍巖類型試驗(yàn)工況，3種土質(zhì)圍巖宏觀力學(xué)參數(shù)均根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]中Ⅴ級圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值。圍巖相似材料以各工況原始土樣作為基礎(chǔ)材料，根據(jù)目標(biāo)力學(xué)參數(shù)值，添加石膏進(jìn)行混合配制，直至圍巖相似材料力學(xué)宏觀參數(shù)滿足試驗(yàn)要求。圍巖原型與模型物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖原型與模型物理力學(xué)參數(shù)

Table 2 Physico-mechanical parameters of surrounding rock prototype and model

圍巖重度/(kN/m3)變形模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa原型17.01.400.3520.050.0模型16.80.050.3421.52.5

1.1.2 隧底結(jié)構(gòu)相似材料

本次試驗(yàn)中，以單線重載鐵路隧道為原型隧道斷面，如圖1所示。根據(jù)重載鐵路病害調(diào)研、隧道結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場測試結(jié)果可知，列車激振荷載主要對隧底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，且隧底結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重[15]。因此，本次室內(nèi)試驗(yàn)中僅模擬隧底結(jié)構(gòu)，而不模擬拱墻結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本次試驗(yàn)主要目的為獲得隧底圍巖的脫空演變過程，并非隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征。為方便試驗(yàn)操作，在澆筑隧底結(jié)構(gòu)時(shí)，將道床、填充層以及底板(仰拱)結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一澆筑，隧底結(jié)構(gòu)相似材料采用石膏與水混合澆筑成型。不同隧底結(jié)構(gòu)形式相似模型如圖2所示。原型與模型隧底結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表3所示。

(a) 底板型式 (b) 仰拱型式

圖1 單線重載鐵路隧道原型斷面圖(單位： cm)

Fig. 1 Prototype cross-section of single-track heavy-haul railway tunnel (unit: cm)

圖2 不同隧底結(jié)構(gòu)形式相似模型圖

Fig. 2 Similarity model sketches of different tunnel bottom structure forms

表3 原型與模型隧底結(jié)構(gòu)混凝土材料

Table 3 Parameters of prototype and model tunnel bottom structure concrete material

力學(xué)參數(shù)原型值模型值單軸抗壓強(qiáng)度/MPa17.00.850彈性模量/GPa29.51.475

1.2 試驗(yàn)裝置

本次模型試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的重載鐵路隧底圍巖脫空演變試驗(yàn)平臺上進(jìn)行。試驗(yàn)平臺包括主體試驗(yàn)箱、列車荷載加載系統(tǒng)、隧底結(jié)構(gòu)與圍巖材料3部分。

主體試驗(yàn)箱采用有機(jī)玻璃板進(jìn)行制作，可隨時(shí)觀測隧底圍巖脫空演變過程。試驗(yàn)箱寬度為30 cm(按單線隧道寬度換算得出)，長度為40 cm(按單節(jié)重載列車長度換算得出)，高度為30 cm。同時(shí)，在主體試驗(yàn)箱兩側(cè)分別設(shè)置左、右滲流通道，為主體試驗(yàn)箱內(nèi)地下水以及流失土顆粒提供滲流出口，使隧底圍巖在列車激振荷載-地下水作用下產(chǎn)生圍巖顆粒流失現(xiàn)象。主體試驗(yàn)箱如圖3所示。

圖3 主體試驗(yàn)箱(單位： cm)

1.3 列車模擬裝置

根據(jù)單線重載鐵路隧道列車激振荷載現(xiàn)場激振測試數(shù)據(jù)可知，實(shí)測道床頂面最大激振力可達(dá)170 kPa，實(shí)測道床表面激振荷載振動(dòng)周期為0.77 s[23]。列車激振荷載模型試驗(yàn)中列車荷載通常視為單向脈沖應(yīng)力波，其形式為正弦波形，表達(dá)式見式(2)[24]。因此，在本次試驗(yàn)中，采用可調(diào)周期振動(dòng)電機(jī)對隧底模型表面施加單向正弦應(yīng)力波的方式，模擬列車激振荷載作用。其中，振動(dòng)周期設(shè)置為1 s，施加振動(dòng)力設(shè)置為10 kPa。道床表面激振荷載時(shí)程曲線及激振荷載振動(dòng)器如圖4所示。

F(t)=Fmaxsin(2πft)。

(2)

式中：Fmax為峰值激振荷載，kPa；f為周期頻率，s；t為激振荷載作用時(shí)間。

(a) 道床表面激振荷載時(shí)程曲線

(b) 激振荷載振動(dòng)器

Fig. 4 Time-history curves of vibration load on surface of tunnel bed of single heavy-haul railway tunnel and vibration exciter

1.4 試驗(yàn)工況及流程

為獲得不同土質(zhì)圍巖類型下底板、仰拱結(jié)構(gòu)形式背后圍巖脫空演變規(guī)律，本次試驗(yàn)中設(shè)置6組試驗(yàn)工況，如表4所示。

表4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)流程如下： 1)首先以10 cm高度分層填筑圍巖相似材料，并在每層壓實(shí)后取樣檢測其宏觀力學(xué)參數(shù)滿足試驗(yàn)工況要求；待圍巖相似材料填筑完畢后，向模型箱注入，以實(shí)現(xiàn)圍巖富水狀態(tài)。2)安裝隧底結(jié)構(gòu)模型，保證與圍巖相似材料密貼；進(jìn)而，在隧底結(jié)構(gòu)表面安裝列車激振模擬裝置。3)待試驗(yàn)各部分結(jié)構(gòu)安裝完畢后，進(jìn)行圍巖脫空試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后，依次記錄不同工況下圍巖顆粒流失質(zhì)量、圍巖脫空類型。單次工況數(shù)據(jù)記錄完成后，清空主體模型箱，更換圍巖相似材料試驗(yàn)，再次進(jìn)行下組工況試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖5所示。

(a) 圍巖材料填筑

(b) 列車激振、隧底結(jié)構(gòu)布置

(c) 圍巖顆粒流失過程

2 不同圍巖類型條件下底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)圍巖沖刷脫空特征

2.1 不同圍巖類型條件下圍巖沖刷量

富水條件下隧底圍巖在列車激振-地下水耦合作用下會發(fā)生顆粒流失現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 激振-地下水耦合作用下圍巖細(xì)顆粒流失現(xiàn)象

Fig. 6 Loss of fine particles in surrounding rock under excitation-groundwater coupling

通過分析不同圍巖類型、隧底結(jié)構(gòu)條件下圍巖顆粒流失量，以獲得相應(yīng)工況的圍巖顆粒流失特征。3種不同土質(zhì)圍巖類型下底板、仰拱隧底圍巖細(xì)顆粒流失量如圖7所示。

圖7 不同圍巖類型下細(xì)顆粒流失量

Fig. 7 Fine particle loss under different types of surrounding rocks

由圖7可知，相同隧底結(jié)構(gòu)形式下，不同圍巖類型工況的細(xì)顆粒流失量差異較大，黏性土圍巖細(xì)顆粒流失量最大，砂質(zhì)土細(xì)顆粒流失量最小。以底板結(jié)構(gòu)形式為例，黏性土圍巖細(xì)顆粒流失量為1 445 g，而砂質(zhì)土圍巖流失量為1 026 g。分析認(rèn)為，黏性土由于顆粒平均直徑較小，動(dòng)水壓力作用下細(xì)小顆粒易率先發(fā)生流失現(xiàn)象，且小直徑顆粒所占比重較高，圍巖流失過程中易形成較大流失通道，引發(fā)顆粒進(jìn)一步大范圍的流失，最終導(dǎo)致顆粒流失總量最大。而相對于黏性土，砂質(zhì)土顆粒粒度相對較大，且顆粒級配較為均勻，當(dāng)小顆粒發(fā)生流失現(xiàn)象時(shí)，大顆粒在自重作用下不易發(fā)生流失現(xiàn)象，且大顆粒對細(xì)顆粒遷移產(chǎn)生一定阻力，會阻礙小顆粒遷移現(xiàn)象的發(fā)生，因此顆粒流失總量最小。在相同土質(zhì)圍巖類型條件下，底板結(jié)構(gòu)圍巖顆粒流失量均比仰拱結(jié)構(gòu)顆粒流失量大，以卵石土為例，仰拱結(jié)構(gòu)圍巖顆粒流失量為941 g，而底板結(jié)構(gòu)圍巖顆粒流失量增加到1 163 g，增加了23.6%，說明底板形式的隧底結(jié)構(gòu)在列車激振作用下更易發(fā)生圍巖劣化脫空現(xiàn)象。

綜上所述，當(dāng)列車激振荷載作用于相同隧底結(jié)構(gòu)形式時(shí)，黏性土、卵石土、砂質(zhì)土3種隧底圍巖脫空程度依次降低；在相同隧底圍巖類型條件下，相比于仰拱結(jié)構(gòu)形式，底板結(jié)構(gòu)形式更易發(fā)生圍巖脫空現(xiàn)象。

2.2 卵石土圍巖底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征

圖8分別示出卵石土工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征。由圖8可知，在列車激振荷載作用下，隧底圍巖顆粒流失量逐漸增大，底板、仰拱結(jié)構(gòu)均會發(fā)生整體下沉現(xiàn)象，下沉量約為1 cm。同時(shí)，對比卵石土工況下底板結(jié)構(gòu)與仰拱結(jié)構(gòu)脫空類型可知，2種不同隧底結(jié)構(gòu)形式下圍巖脫空類型均表現(xiàn)為局部小范圍脫空，且局部脫空位置均在隧底結(jié)構(gòu)兩側(cè)靠近滲流出口位置處。卵石土圍巖所表現(xiàn)出的小范圍局部脫空特征，主要是由于卵石土自身性質(zhì)決定： 卵石土通常顆粒級配較差，顆粒直徑離散程度較大，且孔隙率較大。當(dāng)列車激振荷載作用時(shí)，細(xì)小顆粒經(jīng)由內(nèi)部孔隙通道發(fā)生流失現(xiàn)象，而大直徑顆粒在自重作用下不發(fā)生遷移與流失，從而造成局部小范圍脫空。當(dāng)列車荷載長期反復(fù)作用時(shí)，卵石土圍巖最終會形成多處小范圍局部脫空。

(a) 底板結(jié)構(gòu)圍巖脫空

(b) 仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空

Fig. 8 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in pebble soil

2.3 黏性土圍巖底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征

圖9分別示出黏性土工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征。

(a) 底板結(jié)構(gòu)圍巖脫空 (b) 仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空

圖9 黏性土底板、仰拱圍巖脫空

Fig. 9 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in cohesive soil

由圖9可知，在黏性土工況下，底板、仰拱結(jié)構(gòu)形式均表現(xiàn)為整體性脫空，且脫空位置均在隧底結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊緣位置，即靠近滲流出口位置。分析認(rèn)為，由于黏性土顆粒平均直徑較小，且顆粒直徑范圍較為接近，當(dāng)列車激振荷載作用時(shí)，黏性土中細(xì)小顆粒率先發(fā)生流失，并隨著流失量的增加，逐漸形成流失通道，從而導(dǎo)致較大顆粒經(jīng)由流失通道發(fā)生進(jìn)一步流失現(xiàn)象，最終導(dǎo)致整體性的脫空特征。同時(shí)，由脫空發(fā)生位置可知，黏性土整體脫空演變過程由隧底結(jié)構(gòu)兩端滲流出口附近逐漸向圍巖內(nèi)部擴(kuò)展。因此，當(dāng)列車荷載長期反復(fù)作用時(shí)，隧底黏性土圍巖最終會形成整體性脫空。

2.4 隧底砂質(zhì)土圍巖底板、仰拱隧底結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征

圖10分別示出砂質(zhì)土工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空特征。

(a) 底板結(jié)構(gòu)圍巖脫空 (b) 仰拱結(jié)構(gòu)圍巖脫空

圖10 砂質(zhì)土底板、仰拱圍巖脫空

Fig. 10 Surrounding rock cavity of floor and inverted arch in sandy soil

由圖10可知，在砂質(zhì)土工況下，底板、仰拱結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出隧底結(jié)構(gòu)中部位置附近大范圍脫空、兩側(cè)出現(xiàn)“凸起”硬塊的脫空特征。造成這種脫空類型主要是因?yàn)榱熊嚰ふ褡饔孟?，砂質(zhì)土顆粒流失過程呈現(xiàn)由兩側(cè)向中間擴(kuò)展趨勢，從而逐漸形成中部位置大范圍脫空；同時(shí)，在形成中部大范圍脫空過程中，某些顆粒在遷移過程中由于遇到較大顆粒阻礙而停止遷移，導(dǎo)致該位置區(qū)域顆粒密度增加，加之列車激振荷載作用對該區(qū)域顆粒產(chǎn)生擊實(shí)作用，最終導(dǎo)致“凸起”硬塊。

綜上所述，在相同土質(zhì)圍巖類型條件下，不同隧底結(jié)構(gòu)形式對圍巖脫空類型影響較小；隧道圍巖脫空演變過程呈現(xiàn)由隧底結(jié)構(gòu)兩側(cè)逐漸向中部位置擴(kuò)展的趨勢。在列車激振荷載長期反復(fù)作用下，卵石土圍巖脫空類型為多處局部小范圍脫空；黏性土圍巖脫空類型為整體性脫空；砂質(zhì)土圍巖脫空類型為隧底結(jié)構(gòu)中部區(qū)域大范圍脫空。列車荷載長期作用下，3種不同土質(zhì)圍巖最終脫空類型如圖11所示。

(a) 卵石土

(b) 黏性土

(c) 砂質(zhì)土

Fig. 11 Cavity types of surrounding rock under different soil surrounding rock conditions

3 不同脫空類型條件下隧底結(jié)構(gòu)受力特征

基于獲得的不同土質(zhì)圍巖條件下隧底圍巖脫空類型，建立實(shí)體單元-荷載結(jié)構(gòu)模型，分析不同圍巖脫空類型條件下隧底結(jié)構(gòu)受力特征。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元Solid45進(jìn)行模擬，材料取值按原始試驗(yàn)參數(shù)值進(jìn)行選取。圍巖被動(dòng)抗力作用采用Combin39彈簧單元進(jìn)行模擬，圍巖抗力系數(shù)按V級圍巖抗力系數(shù)200 kPa/m3進(jìn)行取值；主動(dòng)抗力作用采用集中荷載形式進(jìn)行模擬，荷載量值按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中深埋圍巖壓力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算取值。列車荷載按單線鐵路最不利情況考慮，采用擬靜力方式進(jìn)行施加，施加方式與李自強(qiáng)[25]所采用施加方式相同。數(shù)值模擬尺寸與單線鐵路隧道原型斷面尺寸相同。

根據(jù)2種隧底結(jié)構(gòu)形式，本次數(shù)值模擬試驗(yàn)共設(shè)置8種試驗(yàn)工況，分別計(jì)算不同隧道結(jié)構(gòu)形式及脫空類型下隧底結(jié)構(gòu)受力特征。每組數(shù)值模擬工況下，針對底板、仰拱結(jié)構(gòu)形式，分別在左、右兩側(cè)及中部位置設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)，計(jì)算各關(guān)鍵點(diǎn)彎矩、軸力。數(shù)值模擬脫空類型及監(jiān)測點(diǎn)布置如圖12所示。

3.2 無脫空、整體脫空工況下隧底結(jié)構(gòu)受力特征

無脫空、整體脫空工況下仰拱、底板結(jié)構(gòu)彎矩軸力變化曲線如圖13所示。

(a) 無脫空

(b) 小范圍脫空

(c) 大范圍脫空

(d) 整體脫空

(a) 關(guān)鍵點(diǎn)彎矩變化曲線圖

(b) 關(guān)鍵點(diǎn)軸力變化曲線圖

圖13 無脫空、整體脫空工況下仰拱、底板結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線

Fig. 13 Bending moment variation curves of inverted arch and floor structure under no cavity or overall cavity condition

由圖13(a)可知，在隧底圍巖無脫空條件下，底板、仰拱結(jié)構(gòu)中部主要受負(fù)彎矩作用，底板負(fù)彎矩最大值為-50.29 kN·m，仰拱負(fù)彎矩最大值為-20.64 kN·m，均位于結(jié)構(gòu)中點(diǎn)附近；而底板、仰拱結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)主要受正彎矩作用，底板正彎矩最大值為26.17 kN·m，仰拱正彎矩最大值為25.6 kN·m，均位于結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)附近。當(dāng)隧底圍巖發(fā)生整體脫空時(shí)，底板、仰拱結(jié)構(gòu)受力均發(fā)生明顯變化，結(jié)構(gòu)中部位置附近主要承受正彎矩作用，底板正彎矩最大值為80.24 kN·m，仰拱正彎矩最大值為60.17 kN·m；底板、仰拱結(jié)構(gòu)兩側(cè)主要承受負(fù)彎矩作用，底板負(fù)彎矩最大值為-13.48 kN·m，仰拱負(fù)彎矩最大值為-30.1 kN·m。

由圖13(b)可知，在隧底圍巖無脫空條件下，底板、仰拱結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)軸力分布較為均勻。當(dāng)隧底圍巖完全脫空時(shí)，底板、仰拱結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)軸力均發(fā)生明顯減小，底板結(jié)構(gòu)最大軸力由未脫空時(shí)的260.53 kN減小至189.6 kN，減小了27.2%；仰拱結(jié)構(gòu)最大軸力由未脫空時(shí)的295.3 kN減小至222.68 kN，減小了24.5%。同時(shí)，當(dāng)隧底圍巖整體脫空時(shí)，底板、仰拱結(jié)構(gòu)軸力分布均呈“中間大、兩端小”的分布特征。

無脫空與整體脫空工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖如圖14所示。

由圖14可知，無脫空工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)中部受負(fù)彎矩作用、兩端受正彎矩作用，使底板、仰拱結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)中部內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓的應(yīng)力特征。當(dāng)隧底圍巖發(fā)生整體脫空現(xiàn)象時(shí)，底板、仰拱受力特征的改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布形式也發(fā)生明顯變化： 底板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力集中、外側(cè)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，且底板外側(cè)中部位置最大拉應(yīng)力為7.35 MPa，已超過結(jié)構(gòu)極限抗拉承載能力，底板結(jié)構(gòu)已發(fā)生損壞；而仰拱結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)全截面受拉特征，且仰拱結(jié)構(gòu)外側(cè)最大拉應(yīng)力為4.46 MPa，已超過結(jié)構(gòu)極限抗拉承載能力，此時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)外側(cè)已發(fā)生張拉破壞。同時(shí)，對比相同脫空工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征可知，當(dāng)發(fā)生隧底圍巖脫空時(shí)，相比于仰拱結(jié)構(gòu)，底板結(jié)構(gòu)受力特征變化較為劇烈，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，更易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 局部小范圍、大范圍脫空工況下隧底結(jié)構(gòu)受力特征

局部小范圍、大范圍脫空工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)彎矩、軸力變化曲線如圖15—16所示。

由圖15可知，當(dāng)?shù)装?、仰拱結(jié)構(gòu)中部及左、右兩側(cè)發(fā)生局部脫空現(xiàn)象時(shí)，底板、仰拱結(jié)構(gòu)中部位置所受彎矩均由無脫空時(shí)的負(fù)彎矩作用轉(zhuǎn)變?yōu)檎龔澗刈饔?，使隧底結(jié)構(gòu)中部外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中；底板、仰拱兩側(cè)位置所受彎矩均由無脫空時(shí)的正彎矩作用轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)彎矩作用，使隧底結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力集中。并且，隨著脫空范圍的增大，彎矩變化量呈增大趨勢。

圖14 無脫空與整體脫空工況下底板、仰拱結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖(單位： Pa)

Fig. 14 Nephograms of first principal stress of floor and inverted arch structure under no cavity and overall cavity conditions (unit: Pa)

(a) 仰拱結(jié)構(gòu) (b) 底板結(jié)構(gòu)

圖15 不同脫空工況下隧底結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線圖

Fig. 15 Variation curves of bending moment of tunnel bottom structure under different cavity conditions

(a) 仰拱結(jié)構(gòu) (b) 底板結(jié)構(gòu)

圖16 不同脫空工況下隧底結(jié)構(gòu)軸力變化曲線圖

Fig. 16 Variation curves of axial force of tunnel bottom structure under different cavity conditions

由圖16可知，當(dāng)?shù)装?、仰拱結(jié)構(gòu)中部及左、右兩側(cè)發(fā)生局部脫空現(xiàn)象時(shí)，底板、仰拱結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)軸力均明顯減小，且隨著中部脫空范圍的增大，軸力減小量值呈逐漸增大趨勢。隨著圍巖脫空范圍的增大，底板、仰拱結(jié)構(gòu)軸力分布逐漸表現(xiàn)為“中間大、兩端小”的分布形態(tài)，且底板結(jié)構(gòu)不均勻軸力分布形態(tài)更為明顯。

4 結(jié)論與建議

本文通過自行設(shè)計(jì)的列車激振荷載作用下隧底圍巖脫空模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，針對不同圍巖類型、隧底結(jié)構(gòu)形式條件下重載鐵路隧道隧底圍巖脫空演變規(guī)律展開研究。主要結(jié)論如下。

1)在相同隧底圍巖類型條件下，底板結(jié)構(gòu)形式比仰拱結(jié)構(gòu)形式更易發(fā)生圍巖脫空現(xiàn)象；在相同隧底結(jié)構(gòu)形式條件下，黏性土、卵石土、砂質(zhì)土3種隧底圍巖的脫空程度依次降低。

2)隧底圍巖脫空類型主要與圍巖類型有關(guān)，隧底結(jié)構(gòu)形式對隧底圍巖脫空類型主要與土質(zhì)圍巖類型有關(guān)，隧底結(jié)構(gòu)形式對脫空類型影響較小。當(dāng)列車荷載長期反復(fù)作用時(shí)，卵石土圍巖最終脫空類型為多處小范圍局部脫空；黏性土圍巖最終脫空類型為整體性脫空；砂質(zhì)土圍巖最終脫空類型為中心區(qū)域大范圍脫空。

3)相比于無脫空情況，當(dāng)隧底圍巖完全脫空時(shí)，隧底結(jié)構(gòu)彎矩作用方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，軸力量值明顯減小且分布形式呈“中間大、兩端小”的分布特征，底板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力集中、外側(cè)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，仰拱結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)全截面受拉特征。2種隧底結(jié)構(gòu)外側(cè)拉應(yīng)力最大值均已超過限制值，隧底結(jié)構(gòu)已發(fā)生張拉破壞。

4)在相同脫空類型條件下，底板結(jié)構(gòu)受力特征變化比仰拱結(jié)構(gòu)更為劇烈，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，更易引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。隨著脫空范圍的增大，隧底結(jié)構(gòu)彎矩變化量、軸力減小量呈增大趨勢，軸力分布逐漸呈“中間大，兩端小”的不均勻分布形態(tài)。

5)由于試驗(yàn)裝置的局限性，尚未探明在列車荷載-地下水耦合作用下隧底圍巖顆粒流失細(xì)觀機(jī)制與力學(xué)機(jī)制，下階段應(yīng)針對上述方面開展進(jìn)一步深入研究。