30 t軸重下重載鐵路隧道隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究

王明年，趙銀亭，于 麗，李自強(qiáng)，李 琦

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331； 4. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 都江堰 611830)

目前，世界各國(guó)都將重載鐵路作為貨運(yùn)鐵路的研究對(duì)象，其已成為各國(guó)貨運(yùn)鐵路的主要發(fā)展方向[1]，由于重載列車軸重大、總重大，與普通客貨共線的鐵路隧道相比，重載鐵路隧道的動(dòng)力響應(yīng)更顯著[2-5]。隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役過(guò)程中屬于超靜定結(jié)構(gòu)，必定會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力累積。同時(shí)由于施工過(guò)程中混凝土振搗和養(yǎng)護(hù)效果不佳、環(huán)境和空間限制等因素，隧道結(jié)構(gòu)會(huì)存在客觀裂隙缺陷。這些初始損傷在重載列車大軸重長(zhǎng)時(shí)間碾壓作用下不斷發(fā)展，當(dāng)損傷累積到一定程度后易造成結(jié)構(gòu)局部甚至整體失效[6-9]。

重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)病害是其損傷累積的一種表現(xiàn)，本文對(duì)病害較為嚴(yán)重的17座重載鐵路隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，病害區(qū)段DK13+055-DK97+930不同隧道累積長(zhǎng)度占比見(jiàn)圖1。

圖1 病害區(qū)段DK13+055-DK97+930 不同隧道累計(jì)長(zhǎng)度占比

由圖1可知，在重載鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查中共計(jì)有11座隧底結(jié)構(gòu)病害累計(jì)長(zhǎng)度占比超過(guò)40%，其中重載線路段的病害累計(jì)長(zhǎng)度在整體病害段長(zhǎng)度中占比超過(guò)50%，現(xiàn)場(chǎng)獲取的隧底結(jié)構(gòu)病害的主要分類及其對(duì)應(yīng)的連續(xù)長(zhǎng)度見(jiàn)圖2[10]。

圖2 調(diào)查段隧底主要病害分類及連續(xù)長(zhǎng)度示意圖

圖2顯示在病害調(diào)查的區(qū)段中，隧底結(jié)構(gòu)破損的累積長(zhǎng)度占據(jù)隧底結(jié)構(gòu)整體病害高達(dá)74%，為主要病害。雖然導(dǎo)致隧底出現(xiàn)病害的原因并非單一作用，比如地下水，圍巖地質(zhì)條件等綜合因素；但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，相同環(huán)境下重載線路隧底病害較普通線路更為嚴(yán)重，隧底破損為主要病害，說(shuō)明造成重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷的主要原因是重載列車大軸重反復(fù)的動(dòng)力作用。因此，定量分析隧底結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積，預(yù)測(cè)其疲勞壽命對(duì)重載鐵路隧道的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)具有重大意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧底結(jié)構(gòu)的疲勞損傷已取得了部分研究成果。彭立敏等[11]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)隧道底板結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)載作用下的疲勞壽命進(jìn)行分析，得出了厚度為20 cm的C25鋼筋混凝土隧道底板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為59 ～ 60 a；劉寧等[12]在數(shù)值軟件中建立軌道-隧道耦合動(dòng)力分析隧道基底軟化對(duì)重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，得出不同的圍巖軟化系數(shù)和軟化厚度隧底結(jié)構(gòu)壽命也會(huì)不同，當(dāng)圍巖的軟化系數(shù)從1降低到0.25時(shí)，對(duì)應(yīng)隧底結(jié)構(gòu)的使用壽命由108 a降低到47 a，軟化厚度從0 m增至3 m時(shí)，隧底結(jié)構(gòu)的使用壽命從108 a降至19 a；牛亞彬[13]在有限元軟件中計(jì)算得出30 t列車荷載作用下，處于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件的重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)在每天近百次，每次100節(jié)情況下的疲勞壽命分別是6.8、4.3、1.5 a。上述研究多通過(guò)有限元進(jìn)行分析，動(dòng)力初始條件缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，造成獲取的隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命數(shù)據(jù)存在很大差異，研究成果缺少一定的客觀適用性。

本文首先通過(guò)張?zhí)畦F路付營(yíng)子隧道大型原位激振試驗(yàn)得到作用在道床表面的重載列車動(dòng)力附加荷載，將其作為動(dòng)力初始條件利用Ansys Workbench仿真軟件模擬分析重載鐵路隧道的隧底損傷，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比計(jì)算獲取的結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，最終得到了30 t重載列車軸重動(dòng)力影響下，不同圍巖條件的隧底結(jié)構(gòu)損傷特征及壽命規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)原位激振試驗(yàn)

1.1 工程概況

張?zhí)畦F路付營(yíng)子隧道全長(zhǎng)約10 km，最大埋深約502.6 m。隧道斷面型式為單洞雙線，左線為貨運(yùn)重載線路，右線為客運(yùn)線路。設(shè)計(jì)襯砌斷面見(jiàn)圖3[2]。

付營(yíng)子隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 付營(yíng)子隧道設(shè)計(jì)襯砌斷面圖(單位：cm)

表1 付營(yíng)子隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 地質(zhì)條件

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料、原位試驗(yàn)及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]確定出付營(yíng)子隧道圍巖級(jí)別。試驗(yàn)斷面選在DK294+373(Ⅲ級(jí)圍巖)、DK294+100(Ⅳ級(jí)圍巖)和DK294+285(Ⅴ級(jí)圍巖)。各試驗(yàn)斷面具體描述如下：

Ⅲ級(jí)圍巖巖性為正長(zhǎng)斑巖，圍巖強(qiáng)度較高，整體性較強(qiáng)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水不發(fā)育。

Ⅳ級(jí)圍巖巖性為流紋質(zhì)凝灰?guī)r、正長(zhǎng)斑巖，圍巖強(qiáng)度較高，呈碎塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育。

Ⅴ級(jí)圍巖巖性為流紋質(zhì)凝灰?guī)r、正長(zhǎng)斑巖，圍巖強(qiáng)度較低，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育。

各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 付營(yíng)子隧道圍巖參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)采用DTS-1型現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖4，由圖4可知，該試驗(yàn)系統(tǒng)是通過(guò)改變?cè)囼?yàn)配重塊數(shù)量和頻率從而輸出高幅變化的激振力[15-18]。為Workbench仿真軟件提供了客觀的動(dòng)力初始條件。

圖4 DTS-1型現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)合付營(yíng)子隧道實(shí)際通車規(guī)劃，具體試驗(yàn)位置位于重載線路的道床板表面，在軌枕上對(duì)道床進(jìn)行激振，見(jiàn)圖5。

圖5 重載鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)

模擬列車荷載時(shí)，其激振頻率的主要影響因素為車距和轉(zhuǎn)向架[16]，即

(1)

式中：f為頻率， Hz；v為列車速度， km/h；s為重載列車軸距， m。

原位試驗(yàn)中選用的循環(huán)激振力波形為正弦形式見(jiàn)圖6。

施加的荷載峰值計(jì)算公式為

P1=P2×(1+0.004v)

(2)

式中：P1為試驗(yàn)要求的動(dòng)輪載峰值，t；P2為實(shí)際軸重(激振試驗(yàn)中通過(guò)設(shè)備自重與配重塊組合實(shí)現(xiàn))，為30 t；v為列車速度， km/h。為確保試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備不出現(xiàn)顛覆現(xiàn)象，需滿足P3=2P2-P1>0；激振力為P1-P2；

為模擬軸重30 t的重載列車動(dòng)力作用，根據(jù)式(1)、式(2)結(jié)合激振設(shè)備性能制定14 Hz試驗(yàn)激振頻率，將配重塊組合在Ⅲ、Ⅴ級(jí)圍巖試驗(yàn)斷面上依次進(jìn)行。

1.3.2 傳感器埋設(shè)

光纖光柵傳感器抗干擾性強(qiáng)、測(cè)試數(shù)據(jù)精確、穩(wěn)定，本次試驗(yàn)所采用的測(cè)試元件即為光纖光柵傳感器。將土壓力計(jì)安裝于道床表面以獲取相應(yīng)位置的接觸壓力動(dòng)力附加值作為動(dòng)荷載，在道床和仰拱內(nèi)部安裝應(yīng)變計(jì)以獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)力值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，具體分布見(jiàn)圖7。

圖7(c)中編號(hào)D和G表示埋設(shè)位置為道床和仰拱，T和Y表示傳感器類型為土壓力計(jì)和應(yīng)變計(jì)。道床結(jié)構(gòu)中土壓力計(jì)包裹絕緣膠帶進(jìn)行絕緣處理，道床和仰拱振搗過(guò)程中與傳感器距離保持在1.5 m以上以防止損壞。傳感器沿重載線路右軌道豎向依次埋設(shè)，采集頻率為100 Hz。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果1.4.1 道床表面動(dòng)荷載

提取30 t軸重作用不同圍巖條件下道床表面的列車動(dòng)荷載閾值，見(jiàn)圖8。

圖7 隧底結(jié)構(gòu)傳感器布設(shè)示意圖

圖8 軸重30 t時(shí)道床表面列車動(dòng)荷載典型時(shí)程圖

由圖8可知，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下道床表面列車動(dòng)荷載時(shí)程曲線形式類似，且列車荷載閾值比較接近，Ⅲ級(jí)圍巖為167.00 kPa，Ⅳ級(jí)圍巖為168.40 kPa，Ⅴ級(jí)圍巖為169.20 kPa。但隨著圍巖條件降低，道床表面動(dòng)荷載響應(yīng)越劇烈。為了使有限元計(jì)算結(jié)果更客觀準(zhǔn)確，將圖8實(shí)測(cè)所得的動(dòng)荷載時(shí)程曲線作為有限元計(jì)算的動(dòng)力初始條件。

1.4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

提取30 t軸重作用下道床和仰拱結(jié)構(gòu)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增量見(jiàn)表3。

表3 軸重30 t作用下各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量 MPa

由表3可知，30 t軸重重載列車動(dòng)力作用下道床結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量高于仰拱結(jié)構(gòu)，其中道床結(jié)構(gòu)上下層均表現(xiàn)為受拉，而仰拱結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為上層受壓，下層受拉。同時(shí)隨著圍巖條件降低，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量逐漸增大，具體表現(xiàn)為：Ⅲ級(jí)圍巖變?yōu)棰跫?jí)圍巖，道床結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力增量約為4.76%～8.33%，仰拱結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力增量約為17.86%～34.92%。

2 有限元模型建立

2.1 計(jì)算模型

選用有限元計(jì)算軟件Workbench建立重載鐵路隧道整體精細(xì)化計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)包括襯砌、軌道、道床、填充、仰拱和圍巖，均采用三維實(shí)體單元Solid185建立，隧道模型的左右側(cè)圍巖的建模寬度為5倍洞徑，隧道模型底點(diǎn)距離圍巖下邊緣取4倍洞徑以消除邊界效應(yīng)的影響。在計(jì)算模型底部及四周設(shè)置人工黏彈性邊界，較好地解決了圍巖-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用中的近場(chǎng)波動(dòng)問(wèn)題。隧道整體結(jié)構(gòu)均采用正交各向異性彈性本構(gòu)模型，圍巖則采用D-P彈塑性模型。計(jì)算模型見(jiàn)圖9。

圖9 疲勞損傷分析有限元模型圖

2.2 計(jì)算工況

原位激振試驗(yàn)得到的動(dòng)荷載時(shí)程曲線見(jiàn)圖8，將圖8導(dǎo)入Ansys Workbench作為荷載初始條件，其結(jié)果見(jiàn)圖10。右線普通線路疲勞損傷雖不是研究的重點(diǎn)，但為了與左線重載線路30 t軸重重載列車作用進(jìn)行對(duì)比，在右線普通線路施加軸重17 t等效動(dòng)荷載進(jìn)行模擬。

圖10 重載線路Workbench仿真軟件動(dòng)力初始條件

在激振試驗(yàn)中荷載每作用隧底結(jié)構(gòu)一次就等于試驗(yàn)斷面通過(guò)一對(duì)列車輪載，加載次數(shù)由模擬年運(yùn)量和軸重進(jìn)行確定，計(jì)算公式為

N=W/R

(3)

式中：N為荷載的累計(jì)加載次數(shù)，次；W為年運(yùn)量， t；R為試驗(yàn)軸重， t。

隨著我國(guó)重載鐵路的發(fā)展，其年運(yùn)量逐年遞增，例如我國(guó)首條重載鐵路(大秦鐵路)，目前的年運(yùn)量已超過(guò)4 000萬(wàn)t[19-20]。故將年累積加載次數(shù)定為150萬(wàn)次模擬軸重30 t、年運(yùn)量4 500萬(wàn)t的重載鐵路隧道，運(yùn)營(yíng)時(shí)間100 a。計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 結(jié)構(gòu)疲勞損傷計(jì)算工況

2.3 疲勞損傷分析方法

Miner線性疲勞累積損傷理論是目前被廣泛采納的最簡(jiǎn)單最適用的理論方法[21]，同樣也適用于列車荷載作用下結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析。疲勞研究時(shí)通常將循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)描述成累積損傷D的形式，D可以是循環(huán)次數(shù)或變形函數(shù)等。本文基于Miner線性疲勞累積損傷理論，依據(jù)S-N曲線(疲勞曲線)將累積損傷D通過(guò)荷載的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行表達(dá)，由此可以建立結(jié)構(gòu)的線性累積損傷模型，公式為

(4)

式中：D′為單趟列車通過(guò)后，結(jié)構(gòu)形成的疲勞損傷；ni為應(yīng)力幅Δσi的循環(huán)次數(shù)，i=1；Ni為應(yīng)力幅Δσi作用下混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞時(shí)所承受的循環(huán)次數(shù)。

在Ansys Workbench中導(dǎo)入的S-N曲線體現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞前，自身能夠承受的荷載循環(huán)次數(shù)N(疲勞壽命)與應(yīng)力幅Δσ(外荷載效應(yīng))之間的關(guān)系。本節(jié)基于等效疲勞壽命和應(yīng)力水平的概念[22]，基于三參數(shù)Fardis-Chen模型和修正的Aas-Jakobsen方程綜合得出混凝土S-N曲線公式為

Smax=1.017 0-0.060 8lgN

(5)

式中：Smax為結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力水平；N表示結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞失效時(shí)的荷載循環(huán)次數(shù)。

本次仿真基于有限元分析得到隧道結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)力，再由公式(5)得到對(duì)應(yīng)的失效次數(shù)N，將其對(duì)應(yīng)時(shí)間定義為結(jié)構(gòu)的壽命LifeAvailable即可用壽命。通過(guò)這種方式，就可以將公式(4)中的損傷值D表述為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)結(jié)構(gòu)某位置的損傷值達(dá)到1時(shí)，該位置的混凝土發(fā)生破碎失效，即

(6)

式中：Damage為混凝土結(jié)構(gòu)損傷值；LifeDesign為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命，按照100 a選?。籐ifeAvailable為隧道結(jié)構(gòu)可用壽命。

3 疲勞損傷分析結(jié)果

3.1 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在選用實(shí)體單位的數(shù)值模擬中，計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力需要通過(guò)彈性力學(xué)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，將其換算為砌/仰拱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比[23]，公式為

σn=σxcos2θ+σysin2θ+τxysin2θ

(7)

式中：σx，σy，τxy為原直角坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分量。n=1或2，分別表示實(shí)體單元上外側(cè)節(jié)點(diǎn)1及內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)2。

提取疲勞損傷分析中道床和仰拱結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增量，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)判疲勞損傷計(jì)算的準(zhǔn)確性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量對(duì)比

由表5可知，Workbench計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量與實(shí)測(cè)均表現(xiàn)為道床結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)較仰拱結(jié)構(gòu)更劇烈，量值隨圍巖條件降低不斷增大。對(duì)于道床結(jié)構(gòu)，3種圍巖條件下實(shí)測(cè)應(yīng)力增量和有限元計(jì)算結(jié)果相差0.006～0.018 MPa，誤差為1.91%～5.15%；對(duì)于仰拱結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)和有限元計(jì)算結(jié)果相差0.006～0.035 MPa，誤差為2.62%～14.52%。豎向深度增加，實(shí)測(cè)和有限元計(jì)算結(jié)果誤差提升，但量值相差較小，認(rèn)為Workbench對(duì)重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)的疲勞損傷模擬真實(shí)有效。

3.2 各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷

以公式(6)定義的累積損傷Damage作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將30 t軸重條件下Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)的累積損傷分布云圖見(jiàn)圖11～圖13。

由圖11～圖13可知，由于有限元模型中縱向端部存在邊界效應(yīng)，故縱向模型邊界的損傷值最高，這與重載鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查獲取的隧底結(jié)構(gòu)損傷破壞主要集中在進(jìn)出口的結(jié)論較為相符[24-25]。鑒于隧道進(jìn)出口隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷影響因素存在一定特殊性和不確定性，因此本次分析僅提取模型中間部位進(jìn)行分析。分析顯示在30 t軸重作用下重載鐵路隧道損傷主要集中在隧底結(jié)構(gòu)，拱墻結(jié)構(gòu)在重載列車動(dòng)力作用下疲勞累積微弱。其中隧底結(jié)構(gòu)道床、填充和仰拱損傷程度和疲勞壽命各不相同，具體分析如下：

圖11 Ⅲ級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)損傷分布圖

圖12 Ⅳ級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)損傷分布圖

圖13 Ⅴ級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)損傷分布圖

同一種圍巖條件下，重載線路損傷范圍明顯高于普通線路，表明列車軸重增加，結(jié)構(gòu)損傷加劇，這與重載鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所得病害規(guī)律一致；此外，疲勞損傷主要集中在各結(jié)構(gòu)層軌道豎向位置上，表明隧底結(jié)構(gòu)的損傷主要由軌道位置開(kāi)始發(fā)展。

各級(jí)圍巖條件下隧底結(jié)構(gòu)的損傷值和損傷時(shí)間見(jiàn)表6，各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比見(jiàn)圖14。

表6 30 t軸重各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

由表6和圖11～圖14可知：

(1)同種圍巖條件下，在30 t軸重列車作用15 000萬(wàn)次情況下，重載線路道床結(jié)構(gòu)疲勞壽命為76～77 a，即累積振動(dòng)次數(shù)為1.13×108～1.15×108次，較普通線路降低了14.44%～14.61%；重載線路填充結(jié)構(gòu)疲勞壽命為90～91 a，即累積振動(dòng)次數(shù)為1.36×108～1.37×108次，較普通客貨共線鐵路降低了14.15%～15.74%；重載線路仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命為119～121 a，即累積振動(dòng)次數(shù)為1.79×108～1.81×108次，較普通線路降低了6.30%～7.69%。綜合分析，軸重引起的重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷是由上至下進(jìn)行發(fā)展，且影響逐漸減弱。

(2)由圖11～圖13可知，各級(jí)圍巖隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷范圍沿道床-填充-仰拱順序不斷增大；由表6可知，隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命隨道床-填充-仰拱逐漸增加。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于道床結(jié)構(gòu)剛度最大且直接承受重載列車荷載作用，從而使其自身出現(xiàn)較大振動(dòng)且疲勞損傷更為集中；填充結(jié)構(gòu)雖然剛度最小，但是厚度最大，對(duì)列車荷載存在緩沖作用使其損傷的影響范圍較小。

(3)圍巖條件降低，隧底結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的損傷值不斷增加，疲勞壽命緩慢降低。Ⅲ級(jí)圍巖降低到Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)，仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命最大降低了1.65%，由121 a降低為119 a，仍滿足設(shè)計(jì)壽命。由此可見(jiàn)，圍巖條件的改變對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)損傷影響由下至上逐漸減弱且整體影響較小。

(4)根據(jù)隧底結(jié)構(gòu)中道床損傷的最小累積振動(dòng)次數(shù)1.13×108次，利用公式(3)反推出30 t軸重下重載鐵路隧道安全運(yùn)營(yíng)的年運(yùn)量為3 390萬(wàn)t，不同重載列車編組確定建議日通行量見(jiàn)表7。

表7 重載鐵路隧道建議日通行量

表7中的重載列車建議日通行量是基于當(dāng)前隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)和30 t軸重提出的，同時(shí)以道床結(jié)構(gòu)的疲勞損傷作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此如果要提升重載鐵路隧道的運(yùn)量需要采用相應(yīng)措施對(duì)隧底結(jié)構(gòu)尤其是道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到影響重載鐵路隧底病害的主要因素，依據(jù)張?zhí)凭€付營(yíng)子隧道大型現(xiàn)場(chǎng)原位激振試驗(yàn)得到了在30 t軸重作用下隧底道床結(jié)構(gòu)表面的動(dòng)荷載時(shí)程曲線，將其作為有限元分析的動(dòng)力初始條件，分析了不同圍巖條件下的隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷，得到如下結(jié)論：

(1)激振試驗(yàn)?zāi)M30 t軸重重載列車動(dòng)荷載作用過(guò)程中，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖道床表面所得動(dòng)壓力時(shí)程曲線隨圍巖條件降低而變化幅度增大，但閾值相差較小為167.00～169.20 kPa。

(2)將實(shí)測(cè)所得的道床表面動(dòng)壓力時(shí)程曲線作為Ansys Workbench疲勞分析的動(dòng)力初始條件，計(jì)算所得的道床、仰拱結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)與實(shí)測(cè)較為接近，均表現(xiàn)為道床結(jié)構(gòu)上下層受拉；仰拱結(jié)構(gòu)上層受壓、下層受拉，量值誤差為1.91%～14.52%。認(rèn)為疲勞損傷分析結(jié)果具有一定客觀性和準(zhǔn)確性。

(3)同種圍巖條件下，隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命由上至下逐漸增加但疲勞損傷范圍逐漸增大。相較于普通線路17 t軸重作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷，重載線路在30 t軸重作用下疲勞壽命最大降低了15.74%。因此重載列車大軸重長(zhǎng)時(shí)間碾壓作用會(huì)使重載線路隧底結(jié)構(gòu)較普通線路出現(xiàn)疲勞損傷的時(shí)間更早且更易引發(fā)相應(yīng)病害。

(4)相同軸重條件下，圍巖級(jí)別改變對(duì)隧底結(jié)構(gòu)疲勞損傷范圍和壽命的影響均由下至上逐漸減弱，圍巖對(duì)隧底結(jié)構(gòu)疲勞壽命最大影響僅為1.65%明顯低于重載線路和普通線路的區(qū)別，故軸重是導(dǎo)致重載鐵路隧底損傷的主要因素。

(5)本文在疲勞損傷分析中，僅研究了軸重和圍巖條件對(duì)隧底結(jié)構(gòu)的影響，然而重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)的病害誘發(fā)因素可能是軸重、地下水、圍巖條件、結(jié)構(gòu)和圍巖的物理力學(xué)參數(shù)衰減與劣化等多個(gè)影響因素復(fù)合作用造成的，關(guān)于這種綜合作用將在以后進(jìn)行研究。