地震—列車荷載作用下曲墻式黃土隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)

石瑋+趙亮+石恒岳

摘 要：隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路隧道工程的建設(shè)與日俱增，進而對隧道結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前，對黃土隧道結(jié)構(gòu)的研究僅限于地震荷載一種因素的影響，而對多因素作用下黃土隧道結(jié)構(gòu)的研究較少。為了得到黃土隧道結(jié)構(gòu)在地震-列車荷載作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，本文運用ADINA軟件，基于車-軌耦合理論對曲墻式黃土隧道進行了數(shù)值分析。通過分析隧道襯砌關(guān)鍵點的位移、應(yīng)力，得到地震-列車荷載作用下曲墻式黃土隧道動力響應(yīng)規(guī)律，旨在為穿越黃土地區(qū)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性研究和設(shè)計提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：地震；黃土；列車荷載；曲墻式；穩(wěn)定性；動力響應(yīng)

中圖分類號：U451.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0100-02

黃土主要分布在較為干燥地區(qū)，我國散布著世界上大部分黃土，占國土面積的6.3%，約為6.4萬平方公里。我國黃土地形規(guī)模宏大且發(fā)育完善，主要分布在西北地區(qū)。目前，對黃土隧道結(jié)構(gòu)圍巖在復(fù)雜應(yīng)力及多場耦合作用下的安全和穩(wěn)定性的研究[1-2]，是未來隧道技術(shù)發(fā)展的重點工作。單一的作用力對黃土隧道的影響目前都有所研究，但是黃土隧道結(jié)構(gòu)在自重、地震動荷載、列車荷載、等諸多因素下的多場耦合分析寥寥無幾。本文就黃土隧道結(jié)構(gòu)在粘彈性人工邊界條件下的黃土隧道在地震動與列車作用下的動力響應(yīng)分析做了詳盡的分析與研究。黃土隧道在復(fù)雜荷載耦合情況下，其結(jié)構(gòu)的變形、位移等定性、定量的分析研究，為其設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

1 材料參數(shù)及分析模型

1.1 材料參數(shù)

本文針對Q2類黃土，黃土隧道結(jié)構(gòu)的圍巖參數(shù)視為各向同性的理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則。支護結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初次厚度為300mm，二次襯厚度為500mm，均采用C30混凝土，黃土隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)及軌道板等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

1.2 分析模型

根據(jù)現(xiàn)有文獻[4]，本文在建立分析模型時，左右兩側(cè)取5倍隧道寬度，下部取5倍隧道高度，上部取到自由邊界作為計算范圍。模型的邊界條件為粘彈性邊界，跨度取10m，埋深取30m。本文采用El-Centro波進行地震響應(yīng)分析，考慮列車荷載作用時選取4s的列車激勵，為實現(xiàn)作用時間內(nèi)的全程共同作用，地震持續(xù)時間也選為4s，并將地震波沿Y方向（ADINA二維模型中，Y向即為水平向）從計算模型的底部輸入。本文的結(jié)構(gòu)計算模型范圍及邊界如圖1所示。

2 高速列車荷載計算方法

英國鐵路技術(shù)中心的理論和測試研究表明[5]，由于各種軌道不平順及輪周局部缺陷是引起豎向輪軌力的主要原因，文獻[6]將列車荷載簡化為一個包含振動幅值和頻率的指數(shù)函數(shù)形式，本文采用列車激勵模型表達式為

本文模擬列車激勵荷載采用的參數(shù)[7]，列車速度取v=320km/h，其低頻、中頻、高頻的范圍分別為5～9，25～45和100～200Hz。符合上述的試驗規(guī)律，激勵為一不規(guī)則波形，如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 位移計算結(jié)果

圖3為曲墻形隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點在地震-列車荷載作用下的水平位移時程曲線。

由圖3可知，在地震-列車荷載作用下，拱腰水平正向位移最大，為9.12mm；仰拱水平正向位移最小，為8.90mm，比拱腰減小2.4%。拱頂?shù)乃截撓蛭灰品逯底畲螅瑸?0.42mm；拱腳的水平負向位移峰值最小，為10.07mm，與拱頂相比降低3.3%。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

圖4、圖5分別為曲墻形隧道結(jié)構(gòu)在地震-列車荷載作用下2.12s時刻的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖。

根據(jù)圖4、圖5可知，在地震加速度最大時刻，曲墻形隧道結(jié)構(gòu)在拱頂和仰拱處的第一主應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在仰拱軌道板處，為1066kPa，第三主應(yīng)力沿隧道斷面分布比較均勻，拱頂和仰拱數(shù)值較小，最大值出現(xiàn)在右側(cè)拱腰，為12860kPa。

4 結(jié)語

本文基于強度折減法，在埋深及列車荷載等參數(shù)確定的情況下，通過提取隧道斷面關(guān)鍵點分析了地震-列車荷載作用下曲墻式黃土隧道結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力變化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

（1）地震-列車荷載作用下關(guān)鍵點的水平位移峰值位于拱頂。（2）地震-列車荷載作用下，黃土隧道結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力主要分布在拱頂和仰拱，第三主應(yīng)力分布均勻，主要分布在兩側(cè)拱腰。

參考文獻

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[2]Cheng X.S.，Shi W.，Tian R.R.Safety assessment of lined loess tunnel under earthquake[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2014，19（I）：1903-1915.

[3]黃娟.基于損傷理論的高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析及疲勞壽命研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

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