一種高速鐵路隧道預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)分析

張 斌，馬偉斌，王志偉，王子洪，余東洋

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

截至2017年底，中國(guó)共建成高速鐵路隧道 2 835 座，總長(zhǎng)度 4 537 km。預(yù)計(jì)到2020年底中國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道總量將達(dá)到 17 000 座，總長(zhǎng)度將突破2萬(wàn)km。高速鐵路隧道內(nèi)的線路多采用板式無(wú)砟軌道，軌道板與襯砌之間采用混凝土現(xiàn)澆填充。隧道底部襯砌分為有仰拱和無(wú)仰拱2種形式，其中無(wú)仰拱襯砌多用于Ⅰ,Ⅱ級(jí)圍巖，有仰拱襯砌多應(yīng)用于Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級(jí)圍巖。

傳統(tǒng)的隧道基底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工存在不足，導(dǎo)致在建設(shè)階段容易留下隧道基底常見(jiàn)的分層、開(kāi)裂、底鼓、下陷、翻漿冒泥等病害隱患。我國(guó)鐵路隧道大量修建，對(duì)隧道基底結(jié)構(gòu)和質(zhì)量提出了更高的要求。為避免后期基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上述病害以及規(guī)范基底施工，保證高速鐵路隧道的安全服役，本文提出一種鐵路隧道基底新型結(jié)構(gòu)形式[1-4]。

構(gòu)件預(yù)制化是工程發(fā)展的趨勢(shì)，越來(lái)越多的國(guó)家已將預(yù)制裝配式技術(shù)應(yīng)用到隧道與地下工程領(lǐng)域[5-7],如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式隧道”、日本仙臺(tái)地鐵“雙跨箱形隧道”[8]。國(guó)內(nèi)新建京張高速鐵路清華園隧道采用盾構(gòu)開(kāi)挖，軌下結(jié)構(gòu)采用預(yù)制箱涵拼裝。針對(duì)大跨高速鐵路隧道礦山法開(kāi)挖的預(yù)制拼裝底部結(jié)構(gòu)工法及相關(guān)技術(shù)尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文依托在建鄭萬(wàn)高速鐵路湖北段羅家山隧道輔助通道，進(jìn)行了基底新型預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)將預(yù)制塊之間設(shè)置接觸單元連接來(lái)分析新型預(yù)制裝配式隧道基底結(jié)構(gòu)分別在施工期、運(yùn)營(yíng)期列車(chē)不同時(shí)速以及單雙線工況下的靜動(dòng)力響應(yīng)。

1 結(jié)構(gòu)形式

1.1 工程概況

鄭萬(wàn)高速鐵路東起鄭州，西至萬(wàn)州，是鄭渝鐵路的重要組成部分，全長(zhǎng) 818 km，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為客運(yùn)專(zhuān)線。羅家山隧道位于湖北省興山縣，全長(zhǎng) 10 640 m。試驗(yàn)隧道區(qū)段采用單車(chē)道斷面，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，采用臺(tái)階法和錨噴構(gòu)筑法施工，采用復(fù)合襯砌。

1.2 預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

圖1 新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)

新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)采用時(shí)速300 km以上的高速鐵路隧道斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為基底和軌下結(jié)構(gòu)2部分。本次主要驗(yàn)算的研究對(duì)象為軌下結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土預(yù)制而成，分為4個(gè)板型：F形預(yù)制板、門(mén)形預(yù)制板、左(右)仰拱預(yù)制板及中仰拱預(yù)制板，見(jiàn)圖2。本文主要研究在重力和不同工況的組合作用下預(yù)制板以及預(yù)制板接頭的受力情況。

圖2 預(yù)制板形式(單位：cm)

2 靜力分析

新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)為M形拱，預(yù)制構(gòu)件接頭形式為螺栓連接。預(yù)制構(gòu)件的水平厚度為300 mm，每塊預(yù)制板的縱向長(zhǎng)度均為 1 980 mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)以隧道中線為對(duì)稱(chēng)軸，每幅裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)由2塊F形預(yù)制板和1塊門(mén)形預(yù)制板組成。數(shù)值模擬采用的是通縫模型，通縫模型較錯(cuò)縫模型結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定[9]，最終形成如圖3 所示的有限元計(jì)算模型。

圖3 有限元計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模型

2.2 靜力荷載類(lèi)型

新型隧道軌底裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)主要是軌下與基底之間的部分裝配預(yù)制，主要恒載和動(dòng)載分別為施工期的結(jié)構(gòu)、混凝土罐車(chē)自重，運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)、軌道自重和列車(chē)動(dòng)荷載。

按最不利組合進(jìn)行荷載計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)營(yíng)期間荷載應(yīng)將軌道板與鋼軌的自重按最不利組合形成均布荷載。

無(wú)砟軌道荷載分布寬度在支承層底部為3.1 m，忽略線間荷載，分兩側(cè)同時(shí)過(guò)車(chē)或單側(cè)過(guò)車(chē)2種工況。運(yùn)營(yíng)期列車(chē)靜力均布荷載見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)營(yíng)期列車(chē)靜力均布荷載 kPa

施工期的主要荷載為混凝土運(yùn)輸車(chē)荷載，取運(yùn)輸方量9 m3的混凝土運(yùn)輸車(chē)作為計(jì)算荷載，2個(gè)均布荷載均為1.42 MPa,分別加在門(mén)形預(yù)制板與F形預(yù)制板，作用寬度0.6 m，間距1.8 m。

2.3 模型計(jì)算結(jié)果及分析

單線荷載的模型結(jié)構(gòu)計(jì)算中，門(mén)形預(yù)制板中部的豎向位移最大，為3.52×10-2mm，整個(gè)模型中應(yīng)力最大值為557 kPa；榫槽接觸面沿x方向的應(yīng)力最大值為343 kPa，沿隧道軸線方向的應(yīng)力最大值為35.30 kPa。

雙線荷載的模型結(jié)構(gòu)計(jì)算中，門(mén)形預(yù)制板中部的豎向位移最大，為4.03×10-2mm；整個(gè)模型中應(yīng)力最大值為574 kPa；榫槽接觸面沿x方向的應(yīng)力最大值為348 kPa，沿隧道軸線方向的應(yīng)力最大值為37.2 kPa。

我咋流氓了。你不要聽(tīng)外人瞎戳哄，他們是唯恐天下不亂的那種人。他們盼著你把事情做大，你殺了我，然后吃槍子，你老婆不又成了別人的老婆嗎？自己的老婆成了別人的老婆，讓別人天天摟著睡，天天弄那事，你在九泉之下做鬼也不踏實(shí)哩。

水泥罐車(chē)荷載的模型結(jié)構(gòu)計(jì)算中，門(mén)形預(yù)制板中部的豎向位移最大，為4.032×10-2mm，整個(gè)模型中應(yīng)力最大值為574 kPa；榫槽接觸面沿x方向的應(yīng)力最大值為348.4 kPa，沿隧道軸線方向的應(yīng)力最大值為37.2 kPa。

3種工況計(jì)算結(jié)果中，結(jié)構(gòu)最大位移均小于混凝土結(jié)構(gòu)安全撓度，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度；用榫槽接觸面沿x方向的應(yīng)力模擬預(yù)制塊之間的螺栓應(yīng)力，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于螺栓的抗拉強(qiáng)度；用榫槽接觸面沿隧道縱向的應(yīng)力模擬隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)縱向受力，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3 動(dòng)力分析

3.1 數(shù)值模型

列車(chē)動(dòng)力荷載的施加主要是模擬裝配式結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期的受力，分析結(jié)構(gòu)在列車(chē)的循環(huán)動(dòng)力作用下的加速度、應(yīng)力及應(yīng)變特征。列車(chē)車(chē)速取250,300,350 km/h，動(dòng)力時(shí)程曲線取MIDAS GTS NX內(nèi)置高速列車(chē)動(dòng)力荷載進(jìn)行加載。此處考慮單線列車(chē)經(jīng)過(guò)和雙線列車(chē)經(jīng)過(guò)2個(gè)工況。

利用線性時(shí)程計(jì)算(直接積分法)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力荷載計(jì)算；同時(shí)模型結(jié)構(gòu)上要施加黏彈性邊界。計(jì)算步驟主要是先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值計(jì)算，得到的第1振型和第2振型的周期加載結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載后再進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變及加速度響應(yīng)計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在基底結(jié)構(gòu)分別取7個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)加速度與位移，取6個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)力(見(jiàn)圖4)，分析運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)最不利位置的動(dòng)力響應(yīng)。

圖4 動(dòng)力分析節(jié)點(diǎn)

3.2.1 單線動(dòng)力響應(yīng)分析

從單線動(dòng)力響應(yīng)模型計(jì)算結(jié)果中提取響應(yīng)穩(wěn)定后不同節(jié)點(diǎn)的最大加速度與最小加速度(見(jiàn)圖5(a))，比較不同節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程范圍和趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)1—節(jié)點(diǎn)7的位置接近結(jié)構(gòu)底部的固定邊界，加速度逐漸趨于0。節(jié)點(diǎn)1處于預(yù)制板的上表面，加速度時(shí)程范圍最大，小于軌道要求的最大加速度限值；節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4處于預(yù)制板下部，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3的加速度時(shí)程范圍較為接近，均大于節(jié)點(diǎn)4；節(jié)點(diǎn)5—節(jié)點(diǎn)7的加速度時(shí)程范圍趨于0。時(shí)速350 km的加速度時(shí)程大于時(shí)速300 km與時(shí)速250 km的加速度時(shí)程，而時(shí)速300 km 與時(shí)速250 km的加速度時(shí)程較為接近。

3種時(shí)速節(jié)點(diǎn)位移基本一致，趨勢(shì)取決于邊界條件。節(jié)點(diǎn)1處位移最大，遠(yuǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)最大安全撓度，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4位移趨于一致，節(jié)點(diǎn)5—節(jié)點(diǎn)7接近固定邊界，位移趨于0，見(jiàn)圖5(b)。

3種時(shí)速節(jié)點(diǎn)應(yīng)力基本一致，節(jié)點(diǎn)2處應(yīng)力最大，遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖5(c)。

圖5 單線動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

3.2.2 雙線動(dòng)力響應(yīng)分析

從雙線動(dòng)力響應(yīng)模型計(jì)算結(jié)果中提取響應(yīng)穩(wěn)定后不同節(jié)點(diǎn)的最大加速度與最小加速度(見(jiàn)圖6(a))，比較不同節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程范圍和趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)1—節(jié)點(diǎn)7加速度逐漸趨于0。節(jié)點(diǎn)1加速度時(shí)程范圍最大，小于軌道要求的最大加速度限值；節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4三者加速度時(shí)程范圍較為接近；節(jié)點(diǎn)5—節(jié)點(diǎn)7的加速度時(shí)程范圍趨于0。時(shí)速350 km的加速度時(shí)程均大于時(shí)速300 km與時(shí)速250 km的加速度時(shí)程，而時(shí)速300 km與時(shí)速250 km的加速度時(shí)程較為接近。

3種時(shí)速節(jié)點(diǎn)位移基本一致，趨勢(shì)取決于邊界條件。節(jié)點(diǎn)1處位移最大，遠(yuǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)最大安全撓度，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4位移趨于一致，節(jié)點(diǎn)5—節(jié)點(diǎn)7接近固定邊界，位移趨于0，見(jiàn)圖6(b)。

3種時(shí)速節(jié)點(diǎn)應(yīng)力基本一致，節(jié)點(diǎn)2處應(yīng)力最大，遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖6(c)。

圖6 雙線動(dòng)力響應(yīng)

4 結(jié)論

建立新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模擬分析該預(yù)制結(jié)構(gòu)在施工期混凝土罐車(chē)靜荷載、雙向列車(chē)動(dòng)靜荷載和單向列車(chē)動(dòng)靜荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和加速度響應(yīng)。主要結(jié)論如下：

1)靜力荷載分析中單線、雙線荷載工況結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變都有變化，但應(yīng)力最大值遠(yuǎn)小于C40混凝土的承載能力，應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也很小，榫槽接觸面橫斷面受力遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度和螺栓的抗拉強(qiáng)度，沿隧道縱向受力遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度；在混凝土罐車(chē)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變均遠(yuǎn)小于C40混凝土的承載能力。

2)動(dòng)力荷載分析中單線、雙線荷載工況所取節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程均在安全范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力亦如此。雙線荷載工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變均較單線荷載工況下的應(yīng)力、應(yīng)變大，但差距極小，可以忽略。

3)新型隧道軌下裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)在5種工況下結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化，結(jié)構(gòu)承載能力可以保證列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)。