重載鐵路隧道基底動(dòng)力響應(yīng)及加固研究

高雙濤

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，成都 610031)

重載鐵路在列車(chē)長(zhǎng)期持續(xù)動(dòng)載作用下，基底巖土尤其是含水軟弱圍巖地層的基底巖土動(dòng)力學(xué)效應(yīng)顯著，物理指標(biāo)和承載力明顯降低，從而引起隧道基底結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、下沉以及翻漿冒泥等病害的發(fā)生，因此有必要進(jìn)行重載鐵路基底圍巖動(dòng)力響應(yīng)研究并采取一定的加固措施。目前很多學(xué)者針對(duì)普通鐵路隧道[1-2]、城市地鐵隧道[3-4]、高速鐵路[5-6]等開(kāi)展了列車(chē)荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)研究，而針對(duì)重載鐵路也有一部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，薛繼連[7]研究了在30 t軸重條件下重載鐵路隧道隧底密實(shí)度對(duì)其結(jié)構(gòu)自身的影響，并提出采取聚氨酯加固隧底以減小振動(dòng)的加固措施；尹成斐等[8]通過(guò)實(shí)測(cè)，研究了雙線(xiàn)鐵路隧道填充層在重載列車(chē)作用下的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)通過(guò)有限元軟件模擬其他部位結(jié)構(gòu)所受的影響；李幸吉[9]研究了不同軸重下，基底結(jié)構(gòu)動(dòng)壓力的變化規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)分析了仰拱的抗沖擊性能；李力[10]以山西中南部鐵路通道工程為依托，在分析既有重載鐵路隧道基底病害產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，制定了隧道基底處理的原則，減少隧道基底病害的發(fā)生。付明輝[11]研究了重載鐵路灰土擠密樁復(fù)合地基沉降規(guī)律，并分析了灰土擠密樁參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)基底沉降的影響。但有關(guān)重載鐵路的研究主要集中在隧道結(jié)構(gòu)方面的動(dòng)力響應(yīng)分析，針對(duì)隧道基底圍巖動(dòng)力響應(yīng)的研究還較少。

本文以蒙華鐵路王家灣隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬方式研究重載鐵路黃土隧道基底圍巖的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及經(jīng)水泥擠密樁加固后的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，分析列車(chē)速度變化對(duì)基底圍巖動(dòng)力響應(yīng)的影響以及樁間距改變對(duì)加固效果的影響。

1 工程概況

蒙華鐵路王家灣隧道位于陜西省延安市安塞區(qū)境內(nèi)，隧道最大埋深約220 m，進(jìn)口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全長(zhǎng)7 288 m。隧道地處中朝古陸鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。褶皺和斷裂不發(fā)育，地勢(shì)東高西低，總體上為傾向西～西北的單斜構(gòu)造。隧址區(qū)廣布白堊系下統(tǒng)砂巖，斜層理極其發(fā)育。區(qū)域上無(wú)大的構(gòu)造活動(dòng)，無(wú)大型褶皺和斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

隧道區(qū)地層從新至老地層巖性依次為：第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4dl+pl)砂質(zhì)新黃土，上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)新黃土，中更新統(tǒng)洪積層(Q2al+pl)黏質(zhì)老黃土、細(xì)砂，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1L)砂巖。隧道基底主要是黃土地層，且長(zhǎng)期承受重載及動(dòng)載的作用，易引起隧道結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、下沉等病害，因此應(yīng)對(duì)隧道基底采取有效的加固措施。

2 基底圍巖動(dòng)力響應(yīng)

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 模型建立

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，計(jì)算模型中的地層、初支、二襯、仰拱填充、鋼軌、軌枕等都采用PLANE82單元進(jìn)行模擬。為減少邊界約束效應(yīng)，計(jì)算范圍按左右邊界距隧道中心線(xiàn)距離3～5倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部距離也按3～5倍洞徑考慮。指定沿隧道軸向開(kāi)挖方向?yàn)閆軸正向，豎直向上為Y軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向右為X軸正向，整個(gè)模型左右距離隧道中心各取50 m，隧道埋深同樣取50 m。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.1.2 模型參數(shù)

結(jié)合地質(zhì)勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，確定模型圍巖計(jì)算參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù),分別如表1和表2所示。

表1 模型圍巖計(jì)算參數(shù)

表2 模型結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.1.3 計(jì)算工況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

以蒙華鐵路王家灣隧道為依托，建立不同列車(chē)運(yùn)行速度下的動(dòng)力計(jì)算模型，對(duì)比分析不同車(chē)速下隧道基底軟巖動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。該段設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，故設(shè)計(jì)的行駛速度工況有60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h。王家灣隧道為雙線(xiàn)隧道，動(dòng)力分析時(shí)應(yīng)考慮最不利情況，即雙線(xiàn)會(huì)車(chē)的情況，反映到數(shù)值模擬情況上為左右線(xiàn)同時(shí)施加列車(chē)荷載?？紤]列車(chē)長(zhǎng)度為200 m，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取3 s。

選取隧道基底中心線(xiàn)下0 m、0.5 m、1.5 m、3 m和5 m處點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別用T1、T2、T3、T4和T5表示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

2.1.4 重載列車(chē)動(dòng)荷載

根據(jù)相關(guān)研究[12]表明，列車(chē)荷載可以采用一個(gè)激勵(lì)力函數(shù)進(jìn)行模擬，其中包括靜荷載和一系列正弦函數(shù)疊加而成的動(dòng)荷載，即

F(t)=k1k2(P0+P1sinω1t+P2sinω2t+P3sinω3t)

(1)

Pi=M0aiωi(i=1,2,3)

(2)

ωi=2πv/Li

(3)

式中，k1為相鄰輪軌力的疊加系數(shù)，一般取值為1.2～1.7；k2為鋼軌分散系數(shù)，一般取值為0.6～0.9；P0為列車(chē)靜載；P1、P2和P3為與鋼軌振動(dòng)圓頻率相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)荷載幅值；M0為列車(chē)簧下質(zhì)量；ai為典型矢高；ωi為對(duì)應(yīng)車(chē)速下的不平順振動(dòng)波長(zhǎng)的圓周率；Li為軌道幾何不平順波長(zhǎng)管理值。k1取1.5，k2取0.7，列車(chē)軸重為25 t，P0一般為單邊軸重取125 kN，列車(chē)簧下質(zhì)量M0為750 kg。取典型的不平順振動(dòng)波長(zhǎng)和矢高分別為L(zhǎng)1=10 m，a1=3.5 m；L2=2 m，a2=0.4 m；L3=0.5 m，a3=0.08 m，則按式(1)可得到列車(chē)的運(yùn)行速度分別為60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h時(shí)列車(chē)荷載時(shí)程曲線(xiàn)，如圖3所示。

(a) v=60 km/h

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 加速度響應(yīng)分析

列車(chē)加速度分為初始加速度和行車(chē)加速度，初始加速度峰值是指車(chē)輛荷載施加的初期所產(chǎn)生的加速度，這是由車(chē)輛靜載和車(chē)輛振動(dòng)荷載引起的，其值的大小主要受車(chē)輛靜載的影響。行車(chē)加速度峰值僅考慮列車(chē)行車(chē)過(guò)程中的加速度，僅受車(chē)輛振動(dòng)荷載的影響。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始加速度峰值與行車(chē)速度關(guān)系如圖4所示；行車(chē)加速度峰值與行車(chē)速度關(guān)系如圖5所示。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始加速度峰值與行車(chē)速度關(guān)系

圖5 行車(chē)加速度峰值與行車(chē)速度關(guān)系

由圖4、圖5可知：

(1) 不同行車(chē)速度下，初始加速度峰值都遠(yuǎn)大于行車(chē)加速度峰值，這是因?yàn)樾熊?chē)加速度峰值主要是由列車(chē)振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載決定，而在車(chē)輛速度較慢時(shí)，車(chē)輛振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載較小，其幅值遠(yuǎn)小于車(chē)輛靜荷載的幅值。

(2) 初始加速度峰值和行車(chē)加速度峰值都隨著行車(chē)速度的提高而增加，但初始加速度峰值只是略有增大，行車(chē)加速度峰值則顯著增大，以T1處表現(xiàn)最為明顯：當(dāng)行車(chē)速度為60 km/h時(shí)，初始加速度峰值為8.787 m/s2，行車(chē)加速度峰值為0.162 m/s2；當(dāng)行車(chē)速度增加到120 km/h時(shí)，初始加速度峰值增加到9.283 m/s2，僅增加了7%，行車(chē)加速度峰值增加到0.870 m/s2，增加了437%，增幅非常明顯。究其原因，初始加速度峰值主要是受列車(chē)靜載控制，列車(chē)速度較低時(shí)，由列車(chē)振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載相對(duì)于列車(chē)靜載而言較小，其對(duì)初始加速度的影響也就很小，而行車(chē)加速度峰值主要受列車(chē)振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載影響，所以隨著速度的增大其值增幅明顯。

(3) 兩種加速度峰值都隨著離基底的距離增大而迅速衰減，且隨著距離的增大，衰減速率明顯減小。以時(shí)速為120 km為例，在T1處，初始加速度峰值為9.283 m/s2，行車(chē)加速度峰值為0.870 m/s2；在T5處，初始加速度峰值為2.014 m/s2，行車(chē)加速度峰值為0.134 m/s2。初始加速度峰值后者為前者的22%，行車(chē)加速度峰值后者為前者的15%。這是因?yàn)榱熊?chē)振動(dòng)是以波的形式在地層中傳播的，傳播過(guò)程中由于土體阻尼作用，其能量沿傳播方向迅速衰減，到一定距離時(shí)和行車(chē)速度大小已基本無(wú)關(guān)。

2.2.2 動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)分析

不同行車(chē)速度下，動(dòng)應(yīng)力峰值與距基底距離關(guān)系如圖6所示。

圖6 動(dòng)應(yīng)力峰值與距基底距離關(guān)系

由圖6可知：

(1) 動(dòng)應(yīng)力峰值隨著距基底距離的增大而減小，且減小幅度越來(lái)越大。以列車(chē)速度為120 km/h為例，在T1處，動(dòng)應(yīng)力峰值為15.92 kPa，在T5處，動(dòng)應(yīng)力峰值為10.90 kPa，后者峰值減少了31.5%。

(2) 動(dòng)應(yīng)力峰值隨行車(chē)速度的增大略有增大，基底圍巖離基底越近的點(diǎn)對(duì)于列車(chē)速度變化引起的動(dòng)應(yīng)力變化越敏感，距基底距離0～3 m范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力隨行車(chē)速度變化相對(duì)更為明顯，所以0～3 m范圍內(nèi)為速度強(qiáng)影響區(qū)，3～5 m范圍內(nèi)為速度弱影響區(qū)，但總體而言，行車(chē)速度對(duì)基底圍巖動(dòng)應(yīng)力影響較小。

3 基底圍巖加固分析

3.1 基底加固方法及加固參數(shù)

模型隧道底部采用水泥擠密樁進(jìn)行加固，水泥擠密樁計(jì)算參數(shù)如表3所示，水泥擠密樁加固模型如圖7所示。

表3 水泥擠密樁計(jì)算參數(shù)

圖7 水泥擠密樁加固模型

3.2 不同樁間距對(duì)加固效果的影響

樁間距對(duì)水泥擠密樁的加固效果有較大影響，為探究樁間距對(duì)加固效果的影響規(guī)律，保持樁徑為0.4 m不變，列車(chē)速度為120 km/h，探究樁間距分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m情況下基底圍巖的動(dòng)力響應(yīng)情況。

3.2.1 加速度響應(yīng)分析

不同樁間距下初始加速度峰值與樁身深度的關(guān)系如圖8所示；不同樁間距下行車(chē)加速度峰值與樁身深度的關(guān)系如圖9所示。

圖8 不同樁間距下初始加速度峰值與樁身深度的關(guān)系

圖9 不同樁間距下行車(chē)加速度峰值與樁身深度的關(guān)系

由圖8、圖9可知：

(1) 不同樁間距下，兩種加速度峰值的變化隨著距基底距離的變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著距離的增大，加速度峰值會(huì)先減小后增大，但總體都減小。隨著樁間距的增大，總體減小的幅度也增大。樁間距為0.8 m時(shí)，T1處初始加速度峰值為7.654 m/s2，T5處初始加速度峰值為3.848 m/s2，總體減小了49.7%。同樣的樁間距為0.6 m、0.4 m和0.2 m時(shí)，初始加速度峰值分別減小了43.4%、36.4%和30.6%。圖8和圖9中分別用箭頭標(biāo)出了不同樁間距下加速度峰值曲線(xiàn)拐點(diǎn)位置(即加速度峰值開(kāi)始增大的位置)，從圖中可以清晰看出，隨著樁間距的增大，加速度峰值曲線(xiàn)的拐點(diǎn)位置也越來(lái)越深，可以預(yù)測(cè)當(dāng)樁間距繼續(xù)增大至沒(méi)有樁時(shí)，加速度是一直減小的，這與上文加速度峰值變化吻合。

(2) 在基巖深度較淺時(shí)，加固效果更明顯。與沒(méi)有加固措施相比，T1處兩種加速度峰值都有減小，并隨著樁間距的減小，加速度峰值減小幅度增大。無(wú)加固措施時(shí)，T1處初始加速度峰值為9.283 m/s2，樁間距為0.8 m、0.6 m、0.4 m和0.2 m時(shí)，分別減小了17.5%、19.6%、23.1%和26.7%，而T2～T5處兩種加速度峰值都略有增大。

(3) 在不同樁間距下，當(dāng)基巖深度在0～1.5 m區(qū)間時(shí)，隨著深度的增加，初始加速度峰值和行車(chē)加速度峰值急劇降低；當(dāng)基巖深度在1.5～5 m區(qū)間時(shí)，初始加速度峰值和行車(chē)加速度峰值的變化均不明顯。說(shuō)明重載鐵路基底在采用加固措施后，動(dòng)荷載對(duì)基底的影響深度范圍有所降低，但樁間距的改變對(duì)動(dòng)荷載影響深度沒(méi)有明顯的影響。

3.2.2 動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)分析

動(dòng)應(yīng)力峰值與樁間距的關(guān)系如圖10所示。

圖10 動(dòng)應(yīng)力峰值與樁間距的關(guān)系

由圖10可知：

(1) 進(jìn)行樁身加固后，基底圍巖應(yīng)力整體比未加固時(shí)要大，這是因?yàn)榧庸毯蠡讎鷰r整體剛度變大了。而隨著樁身深度的增加，動(dòng)應(yīng)力峰值迅速減小，說(shuō)明隨著圍巖深度的增加，水泥擠密樁可以較好地將上部動(dòng)荷載傳遞到周?chē)鷩鷰r，充分調(diào)動(dòng)和利用周?chē)鷩鷰r的承載能力。

(2) 隨著樁間距的減小，基底圍巖各點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力峰值都逐漸減小。樁間距從0.8 m減小到0.2 m后，T1、T2、T3、T4和T5處動(dòng)應(yīng)力峰值分別減小了34.8%、39.6%、42.4%、41.2%和34.2%，由此說(shuō)明，樁間距的改變對(duì)樁體中部的動(dòng)應(yīng)力影響較大，對(duì)樁頂及樁底的影響較小。

(3) 當(dāng)樁間距超過(guò)0.4 m后，動(dòng)應(yīng)力峰值有著明顯的增大趨勢(shì)，而樁間距由0.4 m減小到0.2 m后，動(dòng)應(yīng)力減小的幅度較小，從工程實(shí)際出發(fā)，建議在重載鐵路隧道加固方案中，樁間距取0.4 m左右較為合適。

4 結(jié)論

本文對(duì)重載鐵路黃土隧道在列車(chē)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，同時(shí)研究了不同樁間距的水泥擠密樁加固效果，主要得到以下結(jié)論。

(1) 隧道基底圍巖的初始加速度、行車(chē)加速度以及動(dòng)應(yīng)力峰值都隨著行車(chē)速度的增加而增加，相比較而言，列車(chē)速度的改變對(duì)行車(chē)加速度的影響最大，其次是初始加速度，對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響相對(duì)較小，其中，0～3 m為行車(chē)速度的強(qiáng)影響區(qū)，3～5 m為行車(chē)速度的弱影響區(qū)。

(2) 由于土層阻尼作用，隧道基底圍巖的加速度峰值、動(dòng)應(yīng)力峰值都隨著離基底距離的增加而減小，其中加速度峰值衰減速率逐漸變小，而動(dòng)應(yīng)力峰值衰減速率逐漸變大。

(3) 基底圍巖采用水泥擠密樁進(jìn)行加固后，與未加固時(shí)相比，基底圍巖最大加速度峰值有所減小，動(dòng)應(yīng)力峰值增大。隨著距基底距離的增大，加速度峰值先減小后增大，加速度峰值曲線(xiàn)拐點(diǎn)(即加速度峰值開(kāi)始增大處)的位置隨樁間距的增大逐漸變深；動(dòng)應(yīng)力峰值則是迅速減小，說(shuō)明水泥擠密樁可以很好地將上部動(dòng)荷載傳遞到周?chē)鷩鷰r。

(4) 隨著樁間距的增加，T1、T2處加速度峰值逐漸減小，而T3～T5處加速度峰值逐漸增大；動(dòng)應(yīng)力峰值都逐漸增大，且樁體中部的動(dòng)應(yīng)力受影響較大，而樁頂和樁底的動(dòng)應(yīng)力受影響較小。根據(jù)分析，建議在重載鐵路隧道加固方案中，樁間距取0.4 m 左右較為合適。