鐵路列車荷載對下穿盾構隧道結構的影響

楊 赳 莊 麗 宮全美

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,200092,上海∥第一作者,碩士研究生)

盾構法施工具有高效率、機械化程度高、對地層適應能力強、地面變形小等優點,在城市地鐵隧道建設中得到廣泛應用。盾構隧道下穿鐵路的工程也越來越多。

一般認為,列車在行使中產生的附加動應力的影響范圍為基床面以下3 m左右[1]。但在軟土地區,當鐵路下方存在構筑物(如盾構隧道)時,動應力在2～3 m深處完成大部分衰減;而隨著深度的增加,動應力又逐漸開始加大,在接近隧道頂部時動應力增加速率明顯增大[2]。南昌市新溪立交橋由于對上部的列車動應力估計不足,建成不久即在頂板發生開裂,經多次補強加固后才滿足使用要求[3]。南京地鐵1號線南京站站的研究表明,在地鐵車站結構埋深約11 m、列車速度為60 km/h的情況下,動應力傳遞至結構頂部土層時比較大,動應力的影響范圍遠遠大于3 m[4]。盾構隧道埋深一般超過3 m,鐵路列車產生的動應力對下穿盾構隧道有多大影響,目前尚無明確的結論。

本文以某盾構隧道穿越鐵路既有線為背景,建立有限元數值模型,分析鐵路列車荷載對盾構隧道的附加動應力、結構內力、管片配筋量的影響,得出相應結論。

1 工程背景

1.1 盾構穿越鐵路情況

某盾構隧道區間穿越鐵路既有線,盾構隧道水平中心間距為11.5 m。其管片外徑6.2 m,內徑5.5 m;每環管片寬度 1.2 m,厚度35 cm;管片采用錯縫拼裝形式,覆土厚度為14.1 m。盾構隧道穿越電力牽引的正線及4股到發線,相交角度為75°。4股到發線的平均間距為5.6 m。穿越處的正線是國家一級鐵路,客貨共線,日開行客車80對、貨車71對,屬繁忙干線。盾構隧道與鐵路關系平面圖如圖1所示。

施工范圍內的土層從上至下依次為:①2層素填土,③3層砂質粉土,③6層粉砂,④2層淤泥質粉質黏土,④3層淤泥質粉質黏土,⑥1層淤泥質粉質黏土,⑥2層粉質黏土,⑧1層粉質黏土及⑧2層黏土。盾構隧道穿越土層為④3層淤泥質粉質黏土。

圖1 盾構隧道與鐵路關系平面圖

1.2 加固措施

通過對鐵路下方地基土體進行適當加固,能夠減少隧道結構與其周圍土體之間的剛度差異,均勻土層應力分布,減小隧道結構承擔的列車荷載[5],以減小管片內力,同時增加了土體抗力,控制盾構穿越時引起的地面變形。這無疑是一項切實可行的有效措施。

此外,對地基進行加固后,可以較好地控制盾構施工時的鐵路線路變形,滿足《鐵路線路維修規則》(2006)對鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值的要求。加固方案采取分塊加固方案,即用咬合旋噴樁將需要加固的區域分隔成主加固區和次加固區,每個區域要求的加固效果不同。加固方案的隧道橫剖面如圖2所示。圖中陰影部分為注漿加固區范圍。加固范圍沿深度方向為隧道穿越土層上層④2層土頂部至隧道底部下約1 m,隧道邊側向外加固3 m。

圖2 加固平面圖

旋噴加固區:原則上設在鐵路路基外側1 m位置,由三排直徑為1.5 m的旋噴樁相互咬合形成,咬合量為0.2 m;

主加固區:路基兩側的旋噴樁之間范圍,注漿加固,要求無則限抗壓強度(PS)≥1.0 MPa;

次加固區:旋噴樁外側10 m范圍,注漿加固,要求 PS≥0.8 MPa;

主加固區、次加固區的加固要求逐漸降低,在強度及剛度上形成過渡。

旋噴樁的深度為注漿加固區下1 m至地面。

2 列車荷載對盾構隧道結構附加動應力影響數值模擬

2.1 模型建立

采用Ansys有限元軟件,簡化為二維平面應變問題進行計算分析。模型尺寸橫向取為70 m。在幾何模型底部施加水平X及豎直Y方向約束,在兩側施加水平X方向約束。數值模擬圖如圖3所示。

2.2 襯砌與土層參數選擇

計算參數選用該工點的實際地層參數,土體的本構模型采用線彈性模型。結構襯砌參數為:抗壓剛度EA=1.4×107kN/m,抗彎剛度 EI=1.43×105kNm2/m,襯砌厚度 d=0.35 m,泊松比ν=0.15,阻尼比ξ=0.02。土層參數如表1所示。

2.3 鐵路列車激振荷載

將列車運行時各個車輪的荷載簡化為一系列大小隨著時間動態變化的豎直集中力荷載,即豎向荷載。沿軌道縱向建立的有限元計算模型,實際的作用荷載應為沿軌道方向移動的動荷載。它應該是同時包括時間t和位置 x兩個自變量的復變函數,即 P1=P1(x,t)。然而,由于動態荷載的各態不均勻性,在列車移動的過程中,總會經過一個對隧道結構最不利的位置。可以重點研究列車動載在這個最不利的位置上對隧道結構的影響。因此動載荷P1(x,t)可進一步簡化成P(t)。荷載作用位置如圖4所示。

通過建立相應的車輛-軌道耦合模型,在常規隨機不平順條件下,得出輪軌垂向力。列車車輛模型采用滿載C62A編組貨車,靜軸重21 t。列車速度為120 km/h。計算采用平面模型,因此需將荷載轉化為平面荷載。假定道床對道床的支承形式為全支承,輪軌荷載經過鋼軌傳遞到道床上成為線性均布荷載。由此得出平面計算荷載,如圖5所示。圖中荷載隨時間變化規律,即為函數P(t)隨自變量t變化的規律。

圖3 數值模擬圖

表1 土層參數

圖4 列車荷載簡化示意圖

圖5 道床表面承受的線荷載

3 鐵路列車荷載對隧道結構附加動荷載的影響

選取模型中左線隧道管片最靠近土層的上、下、左 、右4個節點(見圖6),計算得出遂道 A 、B、C、D四點X、Y方向的動應力如表2所示。

由于盾構隧道下穿4股線路,需考慮其對盾構隧道附加動應力影響的疊加效應。表3為不同的線路與隧道最不利受荷位置之間距離下的疊加折減系數表。對于隧道埋深或相鄰線路與隧道最不利受荷位置介于表中各項的情況,其疊加折減系數可以按照線性插值取用[1]。

圖6 隧道管片計算分析點

表2 單線鐵路荷載對隧道管片附加動應力 kPa

表3 相鄰線路中心至隧道最不利受荷位置不同水平距離時相鄰線路的附加動應力疊加折減系數

由表3可得出:埋深14.1 m、4股平均間距為5.6 m的線路的附加動應力疊加后為1股線的1.95倍。同時考慮到盾構隧道與鐵路斜交75°,則疊加后的總附加動應力如圖7所示。

圖7 隧道結構所受附加動應力

由上述計算結果可知,不加固時鐵路列車對隧道結構的最大附加動應力在隧道結構拱頂豎直方向,為71 kPa;加固后的最大附加動應力位置不變,為53 kPa,與不加固時相比減小了34%。

4 鐵路列車荷載對隧道結構內力的影響

4.1 隧道管片內力計算

地下工程中常用的計算方法是荷載結構法和地層結構法。盾構隧道管片襯砌設計多以荷載結構法為主,在工程實踐中又以自由變形圓環法應用的較多。但自由圓環法只能考慮隧道上部荷載為均載情況。當考慮到上覆列車荷載時,由于線路并非完全正交,因而作用在隧道上方的附加荷載為不均勻分布荷載。這時采用自由變形圓環的計算條件不滿足,可根據彈性地基梁的理論采用有限元法進行計算。考慮到管片并非為均勻連續體,整體剛度乘以0.7的折減系數。此外,考慮到錯縫拼裝,彎矩乘以1.3的系數。

土壓力計算采用水土合算。上覆土體天然容重γ=18 kN/m3,側土壓力系數為0.55,土層水平抗力系數k=15 MPa/m,襯砌自重g=10.5 kN/m。計算中不考慮土拱效應。豎向地層壓力按盾構頂上的全部土柱重,側向壓力按靜止土壓力計算。將計算得到的隧道上附加動應力疊加到土壓力上去,即為隧道所受的考慮鐵路列車對隧道影響的總荷載。

計算隧道結構在不考慮鐵路列車對隧道影響的土壓力,以及不加固與加固后考慮鐵路列車對隧道影響的總荷載這三種工況下的管片結構內力。計算得到的結構內力如圖8所示。表4為幾個代表部位的具體數值。表中的角度值以拱頂處為0°,并按逆時針方向旋轉計算。

圖8 隧道管片內力計算值

由上述計算結果可知,三種工況下的最大彎矩均出現在隧道結構拱底。考慮附加動應力時,不加固與加固后的最大彎矩分別比不考慮附加動應力時減小了13.6%及9.2%,加固后的最大彎矩比不加固時減小3.9%。

4.2 隧道管片配筋計算

由于4.1節中算出的管片內力是單位米上的力,而管片一環長為1.2 m,計算配筋取1.2 m顯得更為合理。由于管片內力與計算長度呈線性關系,1.2 m寬管片上的內力為單位米上內力的1.2倍,其值如表5所示。

表4 隧道管片不同部位處的內力

表5 1.2 m長管片最大內力

隧道管片的配筋采用正常使用極限狀態下最不利荷載組合的控制截面進行計算。在基本使用荷載階段,需進行管片的強度及裂縫驗算。裂縫驗算可用安全系數法,也可用抗裂承載力進行檢算。本文按《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—99)中的抗裂承載力法進行檢算,要求裂縫不大于0.2 mm。配筋結果如表6所示。

表6 管片最大彎矩及配筋

按照裂縫控制配筋,結果表明,不考慮附加動應力工況下,8Ф 20可以滿足要求。建議采用中埋配筋,標準塊為8Ф 20。不加固及加固后的總荷載工況下,8Ф 22均滿足要求,比中埋配筋要大一些。根據現行地鐵管片的配筋方式,建議穿正線處管片按照深埋配筋,標準塊為2Ф 20+6Ф 25。

從配筋結果可以看出,鐵路列車荷載對隧道結構的影響加大了隧道管片的配筋量。

5 結語

本文通過有限元模擬,針對盾構下穿鐵路地基加固與不加固兩種情況,分析鐵路列車荷載對隧道結構的影響,計算得出加固與不加固時鐵路列車荷載對隧道結構的附加動應力、隧道結構內力及管片配筋量,并得到以下結論和建議:

(1)鐵路列車荷載對盾構隧道的影響較大,增加了隧道結構內力,需考慮增加相應的管片配筋量;

(2)對盾構隧道穿越周邊土層進行加固,可以減小鐵路列車對盾構隧道的動應力影響,從而也減小了隧道結構的內力。

[1]王午生.鐵路線路工程[M].上海:上海科學技術出版社,1999.

[2]呂培林.軟土地區盾構隧道下穿鐵路的動力響應研究[D].上海:同濟大學交通運輸工程學院,2006.

[3]曹雪琴,沈桂平.南昌新溪立交橋試驗報告[R].上海:上海鐵道大學,1998.

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