重載鐵路隧道結構疲勞檢算及安全性評估

趙 宇， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

1 隧道結構疲勞破壞

我國鐵路線路上分布有眾多的隧道，每年鐵路線上的隧道都會出現(xiàn)滑坡、滲水、開裂等事故。鐵路隧道質量好壞是鐵路安全行車的關鍵之一[1]。鐵路隧道襯砌結構在列車的反復荷載作用下，易產生疲勞破壞，因此有必要對襯砌結構進行疲勞強度的檢算。王祥秋等[2]以京廣線提速列車為工程背景，在京廣線朱亭隧道現(xiàn)場完成結構的動力響應測試；建立了列車振動荷載的計算分析模型，確定了列車振動荷載的數(shù)定表達式。高立平等[3]通過建立雙線30 t軸重列車荷載-隧道-圍巖的三維模型，研究重載鐵路隧道基底結構，對重載鐵路基底脫空病害治理和仰拱結構的壽命預測提供了參考。晏偉光[4]建立重載鐵路計算模型，計算分析了不同列車軸重下隧道基底結構的動力響應，結果表明，列車軸重越大，仰拱及填充層結構的動力響應增長越明顯。于麗等[5]通過現(xiàn)場試驗及監(jiān)測，得到了隧道各結構面動壓力的分布及傳遞規(guī)律，結果可為雙線重載鐵路隧道的基底結構設計提供參考。曾博文等[6]考慮了不同圍巖級別對于重載鐵路隧道襯砌結構的影響，分析了重載列車在不同行車速度下的隧道結構動力響應。

本文通過重載鐵路隧道動力響應特性，以及監(jiān)測得到的重載列車通過隧道時，隧道襯砌結構主應力峰值發(fā)生部位，進而根據(jù)GB 50010-2010(2015年版)《混凝土結構設計規(guī)范》對關鍵部位進行疲勞強度檢測。同時，根據(jù)襯砌振動特性，結合疲勞強度的檢算，得出新建30 t軸重重載列車作用下隧道基底結構的破損機理。

1 疲勞強度的檢算

1.1 雙線重載鐵路隧道襯砌疲勞強度檢算

1.1.1 Ⅲ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

監(jiān)測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表1。主應力峰值的最大值發(fā)生在左拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為6 505 kPa(受壓)，疲勞強度小于

表1 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求。

1.1.2 Ⅳ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

監(jiān)測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表2。主應力峰值的最大值發(fā)生在拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為9 933 kPa(受壓)，疲勞強度小于

表2 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求。

1.1.3 Ⅴ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

監(jiān)測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表3。主應力峰值的最大值發(fā)生在左拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為1 148 kPa(受壓)，疲勞強度小于:

表3 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求。但拱腳處的主應力峰值已經接近疲勞強度允許值，易導致拱腳處襯砌發(fā)生破壞，影響行車安全。

1.2 雙線重載鐵路隧道雙向會車襯砌疲勞強度檢算

1.2.1 Ⅲ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

監(jiān)測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表4。主應力峰值的最大值發(fā)生在左拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為6 505 kPa(受壓)，疲勞強度小于:

表4 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求。

1.2.2 Ⅳ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

監(jiān)測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表5。主應力峰值的最大值發(fā)生在拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為9 933 kPa(受壓)，疲勞強度小于:

表5 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求。

1.2.3 Ⅴ級圍巖下襯砌疲勞強度檢算

檢測得到隧道襯砌拱頂、拱腳、墻腳、仰拱位置的主應力峰值，見表6。主應力峰值的最大值發(fā)生在左拱腳處，列車通過速度為80 km/h，大小為1 148 kPa(受壓)，疲勞強度小于:

表6 各點主應力峰值統(tǒng)計 單位：kPa

γρ×ft=1.0×14.3=14.3 MPa

滿足要求，但拱腳處的主應力峰值已經接近疲勞強度允許值，易導致拱腳處襯砌發(fā)生破壞，影響行車安全。

2 損傷機理研究

根據(jù)襯砌振動特性，結合疲勞強度的檢算結果，得出襯砌主應力峰值、主應力最大變化范圍、豎向速度峰值、豎向位移峰值出現(xiàn)的部位，見表7。

由表7可知：(1)在30 t軸重列車作用下，各級圍巖下的雙線鐵路隧道襯砌主應力峰值均出現(xiàn)在拱腳處，說明在列車振動荷載作用下，拱腳處襯砌易發(fā)生疲勞破壞。雙向鐵路隧道在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，拱腳的主應力峰值較大，比較接近襯砌疲勞強度的允許值，在列車振動荷載的長期作用下，易發(fā)生疲勞破壞。

(2)在30 t軸重列車作用下，各級圍巖下的雙線鐵路隧道襯砌主應力變化范圍峰值均出現(xiàn)在拱腳處，說明在列車振動荷載作用下，雙線鐵路隧道拱腳處襯砌最易發(fā)生疲勞損傷，導致破壞。

(3)在30 t軸重列車作用下，各級圍巖下的雙線鐵路隧道襯砌豎向位移峰值、豎向速峰值均發(fā)生在仰拱處，可見，在列車振動荷載作用下，隧道襯砌的仰拱容易因位移或速度過大導致失穩(wěn)破壞。雙線向鐵路隧道(單列車通過時)在Ⅴ級圍巖條件下，仰拱豎向速度峰值較大，達到1.49 cm/s，在列車振動荷載的長期作用下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞；雙線向鐵路隧道(雙線會車時)在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，仰拱豎向速度峰值較大，最大達到2.97 cm/s，在列車振動荷載的長期作用下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

因此，鐵路隧道襯砌在30 t軸重重載列車振動和長期反復沖擊作用下，在其周圍地層圍巖條件較差的情況下，拱腳易發(fā)生疲勞破壞，仰拱處因速度或位移過大容易導致失穩(wěn)，影響行車安全。

3 重載鐵路隧道結構疲勞損傷形態(tài)分析

隧道基底在長期的重載列車的循環(huán)振動荷載作用下，易產生脫空等病害。加上地下水侵蝕、施工質量不佳等因素，將加快基底結構的脫空進程?；捉Y構的安全性是隧道結構長期安全服役的必要條件。因此對基底脫空情況下的動力響應進行分析。進而分析損傷形態(tài)。

在雙線隧道模型的基礎上，通過控制隧底圍巖單元的生死來模擬脫空，工況見表8，圍巖采用Ⅴ級圍巖參數(shù)。列車時速采用100 km/h，計算時長3.5 s。經過計算得到某時刻不同工況的豎向位移云圖，見圖1。

表8 基底脫空工況

圖1 襯砌豎向位移云圖

由圖1可知，各工況中，列車振動荷載作用下結構的豎向位移較大，其中仰拱處的響應最劇烈，以仰拱中心向外響應逐漸減弱，對隧道襯砌仰拱的豎向位移進行監(jiān)測，可知仰拱中心的監(jiān)測點豎向位移最大，基底脫空使動力響應隨之增大。仰拱的豎向位移峰值見表9。

表9 不同工況下仰拱豎向位移峰值

由表9可知，2個工況由振動引起的位移相差較大,由振動引起的位移增大到原來的2.35倍，因此，基底脫空對仰拱的位移的動力響應影響很大。

4 結論

(1)各級圍巖下襯砌監(jiān)測點主應力的峰值最大值均出現(xiàn)在拱腳處，隨個圍巖條件的惡化，拱腳處主應力的峰值最大值逐漸增大。

(2)各級圍巖下襯砌結構的疲勞強度檢算均小于規(guī)定值，說明在列車通過時，襯砌結構不會發(fā)生疲勞破壞，結構是安全的，但是在長時期的振動荷載作用下，拱腳處襯砌是最容易發(fā)生破壞的位置，應該引起足夠的重視。

(3)鐵路隧道襯砌在30 t軸重重載列車振動和長期反復沖擊作用下，在其周圍地層圍巖條件較差的情況下，拱腳易發(fā)生疲勞破壞，仰拱易處因速度或位移過大容易導致失穩(wěn)，影響行車安全。