飛機滑行荷載對下部隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響分析

青松勇，陳文宇，郭治岳，張生權(quán)，康洪信,時亞昕，陳 行

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都，610031；2.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東深圳，518083；3.成都軌道交通集團有限公司；四川成都，614000；4.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610041)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，以軌道交通、公路和飛機等交通方式組成的城市交通網(wǎng)絡(luò)也正處于快速發(fā)展階段。當(dāng)不同的交通線路出現(xiàn)交叉時，會出現(xiàn)一些復(fù)雜的工程問題，比如地鐵盾構(gòu)隧道下穿機場滑行道等。近年來，國內(nèi)外已出現(xiàn)相關(guān)工程，如上海浦東機場地下通道下穿聯(lián)絡(luò)滑行道[1]、廣東珠海機場地下服務(wù)車道穿越停機坪[2]、德國斯圖加特機場圓形單軌隧道下穿跑道[3]等。

目前，國內(nèi)外研究針對隧道下穿機場飛行跑道問題，也進行了有關(guān)的研究。常瑩[4]利用PECK法和有限元法，對比研究了超大直徑土壓平衡盾構(gòu)在機場滑行道穿越過程中地面沉降的規(guī)律。陳秋鑫[5]等利用ABAQUS有限元法，分析了盾構(gòu)法施工引起的機場停機坪及滑行道變形特征。肖明[6]等采用三維數(shù)值模擬，給出了盾構(gòu)施工對土體擾動、地表沉陷的影響范圍。公孫銘[7]等對隧道開挖過程進行計算，得出了開挖過程中跑道及下部土層的沉降變化規(guī)律。

上述研究僅針對盾構(gòu)下穿機場對跑道沉降等方面的影響進行了有關(guān)研究，而缺乏對飛機荷載作用下，下穿隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響的研究，本文依托成都軌道交通10號線二期雙流機場2航站樓站-雙流西站盾構(gòu)區(qū)間工程，利用大型有限元ABAQUS軟件，建立了三維數(shù)值模型，通過設(shè)置監(jiān)測點，得到飛機荷載對隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的有關(guān)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并得出了有關(guān)飛機荷載對下部隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，為相關(guān)工程施工和運營提供參考指導(dǎo)。

1 工程概況

雙流機場2航站樓站-雙流西站盾構(gòu)區(qū)間依次下穿機場滑行跑道、國航維修基地、中航貨站作業(yè)棚和停機坪區(qū)域，停機坪區(qū)域內(nèi)有四根中航油輸油管線，盾構(gòu)隧道正穿該四根油管，盾構(gòu)下穿機場段線路平面具體如圖1所示。滑行道屬于雙流機場第一跑道和第二跑道之間的連接滑行道，穿越處滑行道面中心結(jié)構(gòu)由上至下依次為420 mm厚混凝土，20 mm厚石屑找平層，200 mm厚水泥碎石基層，180 mm厚水泥卵石基層和K≥0.95的壓實土基。

圖1 盾構(gòu)下穿機場段線路平面示意

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS建立飛機荷載作用下盾構(gòu)雙線隧道的三維數(shù)值模型，有限元整體模型高80 m，寬180 m，縱向長度為60 m，埋深為40 m，設(shè)置模型前后左右以及下部為粘彈性邊界，上邊界為自由表面，有限元整體模型如圖2所示。

圖2 三維模型

2.2 計算參數(shù)選取

由于區(qū)間隧道主要處于砂卵石與泥巖互交地層區(qū)域，考慮土體的彈塑性特點，模型中隧道所處圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)，管片采用C30混凝土，有關(guān)土層和隧道襯砌參數(shù)如表1所示。

3 飛機荷載的確定

目前世界上最大的飛機機型為空客A380型飛機，其產(chǎn)生的飛機荷載對機場滑行道影響最大，且雙流機場起降A(chǔ)380型飛機的次數(shù)也較多。本文采用A380型飛機荷載作為激勵荷載，并將飛機荷載施加在建立的飛機輪子上(圖2(c))，以研究飛機荷載對下穿隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。A380型飛機各起落架輪子分布如圖3所示，飛機前后輪動載時程曲線如圖4所示。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

圖3 A380飛機各起落架輪子分布

圖4 飛機前、后輪動載時程曲線

4 結(jié)果分析

在飛機滑行通過下穿盾構(gòu)隧道過程中，飛機滑行荷載會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，此處根據(jù)實際工程情況進行模擬研究，對比分析飛機荷載對左右隧道動力響應(yīng)的規(guī)律。

4.1 加速度

分別提取左右隧道中環(huán)拱頂、拱腰和拱底的加速度時程曲線，并繪制如圖5所示。由圖5可知，左右隧道加速度均在1.936 s，達(dá)到峰值，此時可能是飛機前輪到達(dá)隧道上方滑行面，對隧道的加速度響應(yīng)最大。隨后趨于減小，在5 s左右時，飛機后輪通過隧道上方滑行面，隧道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)又呈現(xiàn)較大的浮動，隨后又逐漸減小。對比同一隧道加速度響應(yīng)可知，拱頂加速度響應(yīng)最大，拱腰次之，拱底最小。對比左右隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可知，右部隧道整體加速度響應(yīng)均要大于左隧道，右隧道最大加速度響應(yīng)為0.8 cm/s2，為左隧道最大加速度響應(yīng)(0.58 cm/s2)的1.38倍。

圖5 左、右隧道中環(huán)加速度

4.2 隧道Mises應(yīng)力

通過提取在1.936 s隧道動力響應(yīng)最大時刻左右隧道中環(huán)橫斷面的Mises應(yīng)力值，并繪制如圖6所示。由圖可知，左隧道Mises應(yīng)力在拱腰、左側(cè)拱腰上部和右側(cè)拱腰下部Mises應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點3即右側(cè)拱腰處，約3520.66 Pa，其余部分Mises應(yīng)力則相對較小。由圖6(b)可知右隧道Mises應(yīng)力在監(jiān)測點3和8，即兩側(cè)拱腰處，Mises應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點3即右側(cè)拱腰，約4 079.09 Pa，其余部分Mises應(yīng)力則相對較小。

圖6 左、右隧道中環(huán)Mises應(yīng)力(單位：Pa)

4.3 應(yīng)變能

通過提取在1.936 s隧道動力響應(yīng)最大時刻左右隧道中環(huán)橫斷面的應(yīng)變能，并繪制如圖7所示。從圖7可知，由于飛機荷載引起的隧道應(yīng)變能整體上偏小。左隧道僅在左右拱腰位置處出現(xiàn)較大應(yīng)變能，最大值出現(xiàn)在右拱腰處，其值為42.15 kPa，其余位置應(yīng)變能較小。右隧道也在左右拱腰位置出現(xiàn)較大的應(yīng)變能，最大值出現(xiàn)在左拱腰處，其值為45.83 kPa.總體來說，左右隧道的應(yīng)變能差異不大，右隧道整體要略大于左隧道。

圖7 左、右隧道中環(huán)應(yīng)變能(單位：kPa)

5 結(jié)論

本文以成都軌道交通10號線二期雙流機場2航站樓站-雙流西站盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，研究了飛機荷載作用下隧道加速度、Mises應(yīng)力和應(yīng)變能，得出以下結(jié)論：

(1)在飛機滑行荷載作用下，左右隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)呈現(xiàn)一種隨飛機荷載臨近增大而增大，遠(yuǎn)離而減小的趨勢。在飛機前輪荷載到達(dá)隧道結(jié)構(gòu)上部滑行面時，左右隧道出現(xiàn)最大的加速度響應(yīng)，且右隧道響應(yīng)要比左隧道大。

(2)左右隧道在響應(yīng)最大時刻，均在拱腰處出現(xiàn)較大的Mises應(yīng)力，且靠近中隔墻部分的拱腰的Mises應(yīng)力要大于遠(yuǎn)離處。

(3)左右隧道中環(huán)橫截面應(yīng)變能均在左右拱腰處出現(xiàn)較大值，其余部位變化不大?？傮w來說，左右隧道的應(yīng)變能差異不大，右隧道整體要略大于左隧道。