重载铁路对隧道结构及基底条件影响研究

林森斌

0 引言

我国飞速发展的经济对铁路货运提出了更高的要求。近几年我国用煤量大幅增长，预计2020年需求总量将达到32亿t。因此，大轴重重载运输技术必然成为我国重载铁路发展的主要方向之一，深入、系统地研究大轴重重载运输关键技术，对于满足我国日益增长的运输需求，建立有效的重载运输技术体系和标准具有重要意义。

目前，国内外对重载铁路线路结构的研究主要集中在轨道、路基和桥梁上，而关于重载对隧道影响的研究较少。我国既有重载铁路隧道，在修建时其标准高于普通铁路，但与国外相比仍然较低，在运营过程中，许多隧道底部出现铺底开裂、破损、下陷，向两侧外挤，以及翻浆、冒泥等现象。轴重增大、运量提高后，这种现象将更为明显。

周猛[1]对铁路路基翻浆冒泥机理进行总结和评述，分析列车动荷载对路基翻浆冒泥现象的影响，并提出路基加固的措施。王立军[2]对我国现有重载路基存在的问题进行了分析，并针对重载路基病害，例如翻浆冒泥、路基下沉和路肩冲刷等提出相应的整治对策。

本文采用三维模拟方法，研究不同轴重条件下，重载列车动荷载作用，给出重载隧道合理的结构形式。研究列车动荷载对隧底基岩土动力学效应，为大轴重或重载铁路隧道专业的技术参数的制定提供技术支撑。

1 计算模型

1.1 工程背景

山西中南部铁路通道工程线路全长1214.096 km，其中含桥梁工程256.2 km，隧道工程358.1 km以及路基工程599.8 km，桥隧比例达到50.6%。

该条铁路为国家Ⅰ级铁路，设计轴重30 t，沿线隧道底层多为新黄土。

1.2 模型概述

研究取标准断面为双线隧道黄土Ⅴ级复合式衬砌，为有砟轨道。结构所采用建筑材料为喷射混凝土:C25混凝土;拱部、边墙、仰拱:C35钢筋混凝土;仰拱填充:C20混凝土。结构覆土45 m，周围为均质Q3砂质黄土地层。

模型计算采用MIDAS-GTS2.6有限元计算软件，边界约束条件为位移约束，土层采用摩尔—库仑准则，其余采用弹性准则进行计算。简化列车荷载采用通用活载模式。模型研究双线隧道单侧通过重载列车时，隧道结构、基底动应力变化情况。

1.3 计算参数

材料基本参数如表1所示。

表1 模型材料参数表

模型分别计算通用 27 t、专用27 t，30 t，33 t轴重列车，双线隧道单线过车工况，列车设计时速100 km/h，取动力系数3.0。

2 计算结果及分析

2.1 重载铁路对隧道结构形式影响

1)仰拱设置标准。

重载列车对隧道影响的关键部位是仰拱及基底围岩。TB 10003-2005铁路隧道设计规范规定，单线Ⅲ级以上、双线Ⅲ级及以上地段均应设置仰拱;单线Ⅲ级、双线Ⅱ级及以下地段是否设置仰拱应根据岩性、地下水情况确定;不设仰拱的地段应设底板，底板厚度不得小于25 cm，并应设置钢筋。

对于重载隧道，列车活载及隧底冲击力较大，单纯的铺底结构无法控制病害的发生。因此，建议重载铁路隧道取消单纯的铺底结构，在Ⅲ级及以上围岩设仰拱，且仰拱的矢跨比和厚度等参数应不低于客运专线隧道标准;Ⅲ级以下围岩应设钢筋混凝土底板。重载隧道底板或仰拱的设计值，需要结合具体围岩条件综合计算、分析。

2)仰拱与边墙连接方式。

受大轴重疲劳荷载作用影响，仰拱与边墙连接处是结构薄弱环节之一。目前规范对此并无明确规定。根据既有经验，建议重载隧道该部位应采用圆弧顺接以改善衬砌内力，并对该部位设置加强配筋。

3)仰拱填充。

显然，较大的仰拱填充厚度能够在一定程度上保护二次衬砌结构，但工程投资和施工难度也随之增大;反之，仰拱填充厚度越小越节省投资，并且可以加快施工进度。

仰拱填充的受力状况较为复杂，在顶部受列车荷载压力及冲击力作用，底部受仰拱的限制，在底部中间受到仰拱压应力，而在底部两端、仰拱外侧受拉，影响仰拱填充与仰拱之间的连接。

图1显示列车动荷载对仰拱填充的影响较为复杂，在填充表面压应力增加，但在接近仰拱处，体现为压应力降低。

对于重载隧道，仰拱填充应当不小于既有隧道规范标准，且综合其施工、经济等方面因素适当增大，具体取值应结合围岩级别通过动力计算确定。

图1 仰拱填充动应力图

4)仰拱矢跨比参数分析。

仰拱作为隧道主体结构最重要的组成部分之一，用于改善隧道上部结构受力条件而设置，它一方面将隧道上部地层压力通过隧道边墙结构传递到地下，另一方面有效地抵抗隧道下部传来的地层反力。仰拱的受力状态比较复杂，若设计不当容易出现隧道结构失稳、开裂、过度沉降等病害，在重载隧道中，仰拱开裂导致翻浆冒泥的案例不在少数。

合理的仰拱形式能够在一定程度上降低对基础承载力的要求，减少结构下沉，调整衬砌应力，提高结构的整体安全性与稳定性。矢跨比作为仰拱形式重要参数之一，直接决定着仰拱所能发挥的作用。

由表2可以看出，仰拱矢跨比越大(1/8)，仰拱结构内力能得到更好的改善，在一定程度上可以降低对结构厚度、配筋的要求，提高结构的稳定性与安全性。另一方面，大的矢跨比，导致结构沉降量较大，且对地基承载力的要求也相应提高。且大的矢跨比，对应较厚的仰拱填充，会在一定程度提高工程的造价。

反之，对于小矢跨比(1/12)，由于结构底部较为平缓，隧道对基底的压力也较小，但结构的内力也相应增大，提高了对结构尺寸和强度的要求。

表2 不同矢跨比计算结果比较

因此，在隧道设计过程中，当基底具有较好的力学性能，可以适当采用较大的矢跨比;而对于较差的基础，则可以适当减小矢跨比，通过加大衬砌的尺寸和强度，在一定程度上弥补地基承载力的不足。建议隧道矢跨比取值为1/10～1/12为宜。

2.2 重载铁路对隧底基岩土动力学效应

关于深埋隧道地基破坏形式尚无深入的研究，且目前并未出现深埋隧道地基破坏的案例，在实际工程中，通常通过对隧底土体加固等措施，来满足结构沉降控制要求。

图2 隧底地层竖向位移

1)基底土体沉降。图2为列车通过时，隧道底地层附加沉降量，专用30 t列车通过时结构最大附加沉降量为2.1 mm，影响值在允许范围之内。

2)基底应力及附加应力。附加应力为基底处地基由于外荷载的介入而增加的应力，只有基底附加应力才能引起地基的附加应力和变形。

表3 土体竖向附加应力标准值 kPa

图3 地基土动应力

表3及图3显示，在专用30 t列车荷载作用下，地基土体竖向附加应力有明显增加，增加值约20 kPa。在垂直方向，地基土体动应力影响深度较大，对于新黄土，需要根据土体强度、变形模量、含水量、密实度、荷载作用频率等因素，确定临界动应力，进一步确定重载列车动应力对地基土体影响，确定地基处理措施。

3 结语

对于重载铁路隧道结构，动应力的影响较大，且覆盖层具有较大的刚度，对冲击荷载的缓冲能力较差，在列车动载及水的共同作用下，隧道铺底结构的受力状态有所改变，其局部弯矩和剪力将大增，并最终导致隧底结构关键截面的开裂破坏。

对于重载隧道，特别是深埋隧道，在重载条件下基底岩土的动力学效应对隧道底部结构受力状态影响显著。软弱围岩(尤其是土质围岩)，在列车动载作用下，其物理力学性质将发生变化，加之排水不畅，岩土的物性指标和承载力将明显降低，这是引起隧道基底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥的主要原因。

研究得出，对于重载铁路隧道结构，有以下几点建议:

1)重载隧道均应设置仰拱，仰拱厚度及配筋需根据实际计算确定。仰拱与侧墙宜用圆弧顺接，矢跨比取1/10～1/12为宜。

2)在现有规范标准的基础上，适当加大仰拱填充厚度，以减小列车动荷载对结构及基底的破坏。

3)对于重载隧道基底，宜作加固处理，地基承载力需要在现有隧道标准的基础上适当提高，具体提高值需要根据实际工程情况计算而定。

4)由于新黄土地层的特殊性质，为防止地基翻浆冒泥及地层湿陷，建议作加固处理，提高基底强度，降低地层透水性，确保隧道安全使用。

本文结合实际工程，通过三维有限元模拟，对重载铁路隧道仰拱及地基的设计参数进行分析比较，并得出一定的结论与建议。但是，对于长期大轴重列车振动作用下隧道仰拱和基底围岩的力学响应，以及不良地质段基底的液化、下沉规律，尚需要进行大量的理论分析和现场测试。

[1]周 猛.动荷载作用下铁路路基翻浆冒泥探讨[J].安徽建筑，2008(93):27-28.

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