軟基地段不同軸重列車動荷載作用下基底動力響應差異研究

張振興 張志強

【摘要】在重載列車長期反復作用下，隧道基底往往會出現基底脫空等問題，尤其是在軟弱圍巖地段更為顯著，嚴重時將會對列車隧道結構產生損傷并影響列車的正常運營。文章采用大型通用有限差分元分析軟件FLAC3D對軟弱圍巖基底在不同軸重列車動荷載下的基底動力響應進行了研究，得到了隧道基底位移和隧道基底應力響應規律。

【關鍵詞】重載鐵路; 軟弱圍巖; 隧道基底; 動力響應

【中國分類號】U212.33+4【文獻標志碼】A

1 重載列車對隧道基底的影響

相比于普通鐵路隧道結構，重載鐵路隧道結構在列車動荷載作用下具有以下特征：

（1）在重載列車長期作用下，隧道基底結構的受力狀態有所改變，其局部彎矩和剪力將大增，并最終導致隧道基底結構關鍵截面的開裂破壞。

（2）在重載鐵路運行過程中，受重載列車振動和長期反復沖擊作用以及隧道基底圍巖壓力共同作用，尤其是隧道基底為土質及軟弱圍巖地段，會出現隧道基底脫空的問題，由此引起基礎沉降，嚴重時對重載鐵路隧道的結構產生損傷，影響重載鐵路隧道結構可靠性和行車安全。

目前，許多學者都對重載鐵路隧道動力響應進行了研究，李自強等[1]研究了時速80 km/h，軸重為27 t的重載列車經過隧道時基底結構的動壓力響應;

鄒文浩等[2]分析了30 t軸重列車荷載作用下不同基底結構形態下的應力分布和動力響應;尹成斐等[3]依托以朔黃鐵路三家村隧道，以隧道基底實測加速度時程曲線為激勵荷載，利用ANSYS軟件對重載列車作用的下隧道動應力進行了分析;鄧斌等[4]利用現場實測數據和數值計算分析了30 t軸重下不同鋪底厚度和隧道基底不同吊空程度時隧道鋪底結構的動力響應特征;林越翔等[5]采用激振函數模擬列車荷載，分別分析了不同矢跨比、填充層厚度和仰拱厚度對重載鐵路隧道底部結構動力響應特性的影響。

本文利用FLAC3D軟件進行數值模擬分析，研究了單線鐵路隧道在軟弱圍巖基底條件下，不同軸重列車動荷載下的隧道基底動力響應特征。

2 模型概況

本文計算隧道斷面采用單線鐵路隧道標準斷面圖，通過FLAC3D程序建立計算分析模型如圖1所示。隧道埋深取50 m，整個模型的高度為100 m，寬度為100 m;初期支護采用C25噴混凝土，二次襯砌采用C30模筑混凝土。靜力計算的邊界條件：土層底部完全固定，左、右兩側面限制水平方向的位移，豎向自由;前后兩面限制軸線方向的位移，豎向自由;地面完全自由。列車的通過速度取100 km/h。

單線鐵路隧道計算分析模型的材料參數見表1。

為分析隧道基底圍巖在動力計算過程中的位移、應力時程響應特征，在隧道基底附近圍巖布置了監測點，監測點如圖2所示。

本文所采用計算工況如表2所示。

3 計算結果分析

3.1 基底位移響應分析

提取監測點數據，得到不同列車軸重作用下隧道基底豎向位移時程曲線如圖3所示。

由圖3可知：

（1）在列車動荷載作用下，隧道基底位移隨時間的變化呈波動形分布，呈現出周期性，這與列車的動荷載施加方式是相互對應的。不同軸重列車動荷載作用下的隧道基底豎向位移時程規律基本相同。

（2）隨著荷載的增加，其引起的豎向位移峰值也會增加;荷載波動會引起位移的波動，荷載越大，隧道基底位移波動幅度越大。

提取不同列車軸重作用下的隧道基底殘余變形，繪制關系曲線圖如圖4所示。

由圖4可知：

（1）不同軸重車輛通過后，隧道基底的下沉不會完全恢復，殘留量級很小的位移變形，單次過車引起的隧道基底圍巖殘余位移變形分別為：0.016 5 mm（15 t軸重）、0.027 1 mm（25 t軸重）、0.032 4 mm（30 t軸重）。當過車次數達到一定數量時，殘余變形就會累計到較高水平，從而引起隧道基底的脫空。

（2）不同軸重的列車荷載造成的殘余變形量各不相同，軸重越大，所遺留的殘余變形量就越大，基底圍巖出現脫空的時間就相應越短。

3.2 基底應力響應分析

提取監測點數據，得到不同列車軸重作用下隧道基底圍巖應力時程曲線和隧道基底圍巖荷載動應力時程曲線分別如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1）在列車動荷載作用下，隧道基底應力隨時間的變化呈波動形分布，呈現出周期性，這與列車的動荷載施加方式是相互對應的。不同軸重列車動荷載作用下的隧道基底應力時程規律基本相同。

（2）列車軸重增加會造成隧道基底應力增加;列車軸重的增加會影響隧道基底應力的變化幅度。

（3）隧道基底荷載動應力隨列車軸重增加不斷變大，說明在隧道基底較軟弱的情況下，應針對重載進行隧道基底加固。

表3中對隧道基底位移響應和荷載動應力響應做量化比較。由表3可知：在列車動荷載作用下，隧道基底圍巖會產生豎向位移。隨著軸重增加，隧道基底圍巖豎向位移值是相應增加的。相較于15 t軸重的載荷作用產生的豎向位移峰值，25 t作用下峰值增長了66 %左右，30 t情況下豎向位移峰值增長了99.7 %。這表明隧道基底圍巖的豎向位移值與列車軸重呈正相關關系，并且相較于普通鐵路，重載鐵路情況下隧道基底豎向位移增加明顯。因此，在既有鐵路上加開軸重較大的列車時，應對列車荷載作用產生的沉降進行評估、控制。

在列車荷載的作用下，隧道基底圍巖會產生動力響應。并且隨軸重增加，動應力也有增長。其中，25 t軸重列車作用下產生的動力響應比15 t軸重作用產生的提高了66.5 %;而30 t軸重作用時，產生的動應力比15 t軸重時高出99.7 %。這說明，隧道基底圍巖產生的動應力與列車軸重是正相關的，并且重載鐵路相比于普通鐵路，動應力增加更加明顯。在軟弱地基條件下，新建重載隧道應根據條件對隧道基底加固。

4 結論

綜合以上分析可以得出，在不同軸重列車（普通鐵路、重載鐵路）動荷載作用下，隧道基底圍巖的動力響應特征有著明顯的差異，具體表現為：

（1）列車的軸重越大，引起隧道基底位移波動幅度越大、豎向位移峰值越大。

（2）軸重增加會引起隧道基底豎向位移的增加，單次過車引起的隧道基底圍巖殘余位移變形分別為：0.016 5 mm（15 t軸重）、0.027 1 mm（25 t軸重）、0.032 4 mm（30 t軸重）。在重載列車長期營運情況下，必然會因累積變形造成隧道基底沉降或脫空。

（3）列車的軸重越大，對隧道基底應力的影響范圍越大、隧道基底應力響應更明顯;由于殘余位移的累計會引起隧道基底的脫空，動應力會引起隧道基底承載能力的下降，加之軸重的增加，在軟弱圍巖條件下，重載鐵路必然不同于普通鐵路，其承載能力要求更高。

參考文獻

[1] 鄧斌，喬春生，余東洋，等.重載鐵路隧道鋪底結構動力響應分析[J].鐵道建筑，2019，59（10）：75-79.

[2] 林越翔，彭立敏，施成華，等.重載作用下鐵路隧道底部結構動力響應特征及合理設計參數研究[J].現代隧道技術，2017，54（5）：86-92+100.

[3] 鄒文浩，張梅，劉艷青，等.30t軸重下重載鐵路隧道基底結構的應力分布及動力響應[J].中國鐵道科學，2016，37（5）：50-57.

[4] 李自強，王明年，于麗，等.重載鐵路隧道基底結構的動壓力響應[J].中國鐵道科學，2016，37（1）：71-77.

[5] 尹成斐，付兵先，馬偉斌.重載列車作用下隧道結構的動應力分析[J].中國鐵道科學，2013，34（3）：47-52.