基巖軟化條件下仰拱結構疲勞壽命的預測分析

劉寧　彭立敏　施成華

摘要：由于隧道施工期間擾動及重載列車荷載的長期循環作用，造成底部基巖出現一定范圍的軟化和圍巖力學參數降低，引起拱底圍壓的不均勻分布，并影響基底結構的疲勞壽命。通過引入重載列車振動荷載函數和Miner線性累積損傷理論，建立了考慮基底軟化仰拱結構疲勞壽命的預測方法，研究列車振動荷載作用下基底軟化因素對鐵路隧道底部結構疲勞壽命的影響。計算結果表明：在基巖不同軟化條件下，隧道底部結構動應力響應分布規律相似，隧道底部結構各部位動拉應力和動壓應力增幅較大，仰拱結構疲勞壽命明顯減小。隧道底部結構仰拱中心處出現拉應力最大值，仰拱與邊墻連接處出現壓應力最大值。在仰拱結構的應力計算結果的基礎上，結合混凝土疲勞壽命原理，論述了基底軟化條件下隧道底部結構疲勞壽命預測值。

關鍵詞：隧道底部結構；疲勞壽命；動力響應；重載列車荷載

引言

隨著隧道工程建設量和服役時間的增加，隧道仰拱下部基巖在列車振動及地下水等因素耦合作用下，出現一定范圍和不同程度的軟化、破損等現象。在地下水與基巖的滲流耦合作用下，基巖逐漸軟化、破損、流失、掏空，最終形成了隧道底部基巖空洞，降低了基巖力學性能，形成了不利的隧道底部基礎條件，影響了隧道底部結構的安全穩定性。由此可見，隧道基底不良狀況的存在對重載列車隧道結構長期服役性能的研究具有重要的現實意義。

重載鐵路隧道仰拱結構的核心問題是圍巖壓力和列車荷載耦合作用下結構長期服役的穩定性及安全性。列車大重量、高密度的運營使軌下基礎承受更大的振動荷載，使得線路狀態和軌道結構及底部結構破壞特征較傳統線路變化明顯。隧道底部結構的受力狀態直接影響到整個隧道結構的安全穩定。

在數值計算方法對隧道振動響應研究中，一般將整體模型系統劃分為列車一軌道系統和隧道一圍巖系統兩個子系統。Yang等利用2.5D有限元/無限元方法，通過移動載荷模擬列車載荷，分析了車速低于和高于Rayleigh波速時列車載荷引起的波動問題，并對地下列車運行引起的振動問題進行了參數研究。Bian等采用2.5D有限元方法和吸收人工邊界分析了地鐵運行引起的波傳遞問題。sheng等采用波數有限元與邊界元結合的方法，求解了地鐵車輛作用下的隧道振動響應。Andersen等分別采用二維、三維耦合有限元一邊界元方法對列車通過隧道時引起的振動問題進行了研究，準確預測隧道結構和深度等因素引起的響應，需要建立完整的三維模型。Hunt等采用Pipe-in-Pipe的半解析方法預測地下隧道在地鐵車輛作用下的振動響應，研究了波在軌道、隧道、土體中的傳播問題。Gupta等采用周期有限元和邊界元耦合方法，結合Pipe-in-Pipe模型，對隧道中列車運行引起的振動問題進行了數值分析，并結合試驗結果進行了參數研究。Degrande等采用有限元方法模擬隧道，邊界元方法模擬土體，并通過模型化方法將土體與隧道三維耦合，預測了地鐵列車作用下隧道振動情況。

本文使用軌道-隧道結構耦合動力模型，采用激振力函數模擬了重載列車荷載，列車振動過程中隧道結構之問接觸采用阻尼機制模擬振動波的傳播機制。基于相關結構體系振動理論運用有限元軟件ANSYS進行模型的建立和靜力和動力分析，并依據混凝土疲勞壽命模型結合疲勞分析軟件Fe-Safe計算模塊定義疲勞荷載、材料疲勞參數、疲勞計算方法及其他各種疲勞影響因素。通過有限元軟件ANSYS和疲勞分析軟件Fe-Safe的交互運算，模擬分析不同基底狀況對隧道底部結構受力狀態的影響程度及規律，隧道底部結構疲勞壽命分布影響規律。