既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

程建平

(朔黄铁路发展有限责任公司 原平分公司，山西 原平 034000)

既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

程建平

(朔黄铁路发展有限责任公司 原平分公司，山西 原平 034000)

采用地质雷达对一既有重载隧道基底混凝土厚度进行了探测，测试断面基底混凝土厚度小于设计值。利用ANSYS建立荷载—结构平面动力分析模型，依据现场取样试验结果并结合实车动态试验结果，分析了30 t轴重重载列车通过时隧道基底混凝土厚度对基底结构受力的影响。分析结果表明，基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0，有一定的安全储备。考虑到隧道结构尺寸要求，示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m，Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。因此，对于隧底出现的混凝土厚度不足情况，应酌情进行加固处理，从而保证列车安全运营。

重载隧道 基底结构 混凝土厚度 安全系数

大轴重重载运输是我国重载铁路的发展方向之一。随着轴重的增加与运输密度的提高，隧底结构受力及振动效应逐步加大［1-4］。这种情况下基底混凝土厚度不足会导致既有隧底结构开裂、破损、下陷、向两侧外挤以及翻浆冒泥［5］。本文考虑既有重载铁路开行30 t及以上轴重列车情况，对不同隧底混凝土厚度下结构的受力进行分析。

既有重载隧道基底仰拱往往不呈拱形，更多情况下为一支撑在弹性地基上的薄板。在重载列车的作用下混凝土上表面呈现受压状态，混凝土底面呈现受拉状态。若基底混凝土厚度不足，混凝土底面首先出现张拉裂缝，结构出现损伤，随着重载列车的长期作用，裂缝向上扩展，损伤逐步累积。当结构损伤度达到或超过1.0后，裂缝贯通，结构出现断裂，引起晃车。若病害地段隧底富水时，会产生翻浆冒泥，严重影响行车安全。鉴于此，本文针对既有重载隧道轴重标准，提出合理的基底混凝土厚度，为后期病害整治提供依据。

1 基底混凝土性能检测

1.1 基底混凝土厚度检测

在资料分析的基础上，借助于车载地质雷达对一隧道基底现状进行普查。基底结构雷达检测采用人员拖拽的方式，在轨道中心及轨枕两侧分别布置测线。

基底混凝土厚度检测结果如图1所示。

图1 基底混凝土厚度分布

从图1可知，该隧道Ⅲ级围岩区隧底混凝土厚度分布在0.42～0.75 m，平均厚度约为0.50 m;Ⅳ级围岩区隧底混凝土厚度分布在0.48～0.98 m，平均厚度约为0.75 m;Ⅴ级围岩区隧底混凝土厚度分布在0.62～1.00 m，平均厚度约为0.85 m。各测试断面基底混凝土厚度远小于设计值。

1.2 基底混凝土强度试验

考虑到进行理论计算分析时参数取值需要，对该隧道个别地段进行了钻孔取芯，并对芯样混凝土抗拉强度进行了测试。测试结果表明，依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)［6］，换算后棱柱体抗拉强度在1.99～2.03 MPa，平均值为2.01 MPa，高于原设计200号(C18)混凝土抗拉强度值(1.6 MPa)。

2 基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

2.1 计算模型

该隧道基底结构完整，仰拱与围岩接触密贴，由于隧道施工期间，基底仰拱开挖不足，导致基底混凝土厚度不足。洞身段存在大量此类情况。

为了分析衬砌结构内力状况，采用荷载—结构法模型，衬砌采用实体单元模拟，而围岩与衬砌的相互作用采用“无拉链杆”模拟，重点对重载列车作用下基底结构的动力特性进行分析。有限元程序计算采用ANSYS软件，基底混凝土采用平面Plane42单元，围岩采用Link10单元。

2.2 计算参数

材料模型:围岩采用弹塑性D-P本构模型，混凝土采用线弹性本构模型。混凝土各主要力学参数按《铁路隧道设计规范》［6］、《铁路工程设计技术手册——隧道》［7］取值，围岩材料参数按照该隧道前期勘察设计资料取值，具体计算参数取值见表1。

表1 计算参数

计算弹簧刚度时，按照相关规范，Ⅴ级、Ⅳ级及Ⅲ级围岩弹性抗力系数分别取150，350及850 MPa/m。

2.3 边界条件

模型中沿衬砌周向连杆单元端部自由度均固定。

2.4 荷载取值

重载线动荷载可直接施加在填充层表面，如图2所示。空载线动荷载按列车自重考虑，约为重车线的1/4，列车荷载为周期性荷载，测试得到的动荷载时长为10 s，计算周期时长2.0 s。

图2 基底荷载(单位:kPa)

实测30 t轴重条件下基底填充层顶面动压应力时程曲线图3所示，基底荷载幅值约为145 kPa。

当采用连续介质理论计算时，需要确定阻尼比系数α和β，以及动力计算时间步长 Δt等参数，根据模态分析得到的任意两阶频率ωi和ωj可确定α和β为

图3 实测基底动压应力时程曲线(30 t轴重列车)

式中，εk为阻尼比，岩土介质的阻尼比通常在0.01～0.30，本次计算取0.02。

通过模态分析求得结构体系的最大固有周期Tmax，为保持足够的精度，时间步长不应大于最大固有周期的1/100。通过模态分析得到结构体系的前5阶频率及时间步长，由Ⅴ级围岩一阶频率与任意阶频率计算得到阻尼比，最终确定阻尼比系数α=0.271，β=0.001，时间步长 Δt=0.001 s。

2.5 计算结果分析

2.5.1 结构受力

30 t轴重列车作用1.96 s后，隧底仰拱底面第一主应力云图见图4。

图4 仰拱第一主应力云图(单位:Pa)

30 t轴重列车作用下，隧底混凝土厚度与仰拱底面第一主应力的关系曲线见图5。

图5 隧底混凝土厚度与仰拱底面第一主应力关系曲线

由图5可知:不同围岩级别下，随着隧底混凝土厚度的增加，基底仰拱拉应力均呈减小的趋势。其中，Ⅴ级围岩地段，隧底混凝土厚度从0.5 m增加至1.1 m后，基底仰拱拉应力减少32.3%;Ⅳ级围岩地段，轨下混凝土厚度从0.4 m增加至1.2 m后，基底仰拱拉应力减少32.5%;Ⅲ围岩地段，轨下混凝土厚度从0.4 m增加至1.0 m后，基底仰拱拉应力减少37.5%。

2.5.2 安全系数

列车荷载为隧道结构的附加荷载，其对隧道结构的影响比隧道开挖荷载小，对隧道结构的作用范围主要集中在隧道基底及墙脚，在隧道基底存在缺陷的情况下，常由于基底弯曲拉应力过大而出现拉裂破坏。计算结果显示，仰拱及墙脚部位存在较大拉应力，实际中以仰拱底部的破坏为主，因此采用基底最大弯曲拉应力安全系数为评判标准。根据前期室内材料强度推定值，可知基底混凝土强度介于C25～C30，抗拉强度为2.01 MPa。国内既有结构抗拉安全系数取值的规定如下。

1)《铁路隧道设计规范》［5］

参照规范破损阶段设计法，基底混凝土从抗裂的角度出发，并考虑主要荷载+附加荷载，安全系数取为3.0。参照容许应力法，各种荷载组合下，考虑主要荷载+附加荷载，并提高30%，计算容许应力为0.66 MPa，安全系数约为3.04。

2)《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)［8］

该规范对混凝土弯曲拉应力采用容许应力法进行评定，混凝土弯曲拉应力容许值是弯曲抗拉极限值除以安全系数(4.0)。

3)《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(TB 10002.4—2005)［9］

该规范对混凝土弯曲拉应力的安全系数进行了规定，混凝土弯曲拉应力容许值是弯曲抗拉极限值除以安全系数(4.0)。

综合以上可以看出，各规范中对抗拉安全系数进行了规定，所采用的安全系数基本在3.0～4.0。

图6 隧底混凝土厚度与安全系数的关系曲线

30 t轴重列车作用下，隧底混凝土厚度与安全系数的关系曲线见图6。从图6可知，不同围岩级别下，随着隧底混凝土厚度的增加，基底仰拱抗拉安全系数均呈增大趋势。其中，Ⅴ级围岩地段，隧底混凝土厚度从0.5 m增加至1.1 m后，基底仰拱拉应力安全系数增加47.7%;Ⅳ级围岩地段，隧底混凝土厚度从0.4 m增加至1.2 m后，基底仰拱的抗拉安全系数增加48.2%;Ⅲ围岩地段，隧底混凝土厚度从0.4 m增加至1.0 m后，基底仰拱抗拉安全系数增加59.9%。

2.5.3 基底混凝土厚度取值

前期分析表明，采用3.0的安全系数，轴重提高到30 t时，复合式及整体式衬砌隧道基底混凝土厚度对于Ⅴ级围岩不应小于1.0 m，对于Ⅳ级围岩不应小于0.8 m。由于安全余量较大，可适当调整基底结构安全系数。已有研究表明，混凝土出现初始裂缝的最大拉应力约为(0.5～0.7)ft，ft为极限抗拉强度。若取下限值(0.5ft)，基底混凝土抗拉容许值为1.00 MPa，安全系数约为2.0。

依据混凝土弯拉试验及线性累积损伤理论，在基底局部拉应力谱作用下，在30 t轴重列车作用下基底混凝土每年的损伤度约为0.20，按此推算，基底混凝土损伤度到1.0时的时间大约为5年，基本为一个大修养护周期。

综上分析，将基底检算安全系数作适当调整，从规范中的3.0降至2.0，这样既有一定的安全储备，又可兼顾经济性。同时，考虑隧道本身结构尺寸要求，示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m，Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。

3 结论

本文以一既有重载隧道为例，计算分析了隧底混凝土厚度对其受力的影响，主要结论如下:

1)采用3.0的安全系数，列车轴重提高到30 t时，复合式及整体式衬砌隧道基底混凝土厚度对于Ⅴ级围岩不应小于1.0 m，对于Ⅳ级围岩不应小于0.8 m。

2)由于安全余量较大，基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0，既有一定的安全储备，又可兼顾经济性。考虑到隧道结构尺寸要求，示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m，Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。

3)在目前隧底混凝土厚度不足的情况下，少量开行大轴重列车，该隧道基底能够满足列车的安全运营要求。

［1］王志勇，梁波．高速列车荷载作用下仰拱对隧道整体动力特性的影响分析［J］．现代隧道技术，2008，45(5):2008．

［2］王祥秋，杨林德，高文华．铁路隧道提速列车振动测试与荷载模拟［J］．振动与冲击，2005，24(3):99-102．

［3］李德武，高峰．隧道仰拱对列车振动衰减影响的研究［J］．铁道学报，1999，21(4):60-63．

［4］黄娟，彭立敏，陈松洁．高速移动荷载作用下铁路隧道的动力响应分析［J］．郑州大学学报(工学版)，2008，29(3):117-121．

［5］彭立敏，覃长炳，施成华，等．铁路隧道基底病害整治现场试验研究［J］．中国铁道科学，2005，26(2):39-43．

［6］中华人民共和国铁道部．TB 10003—2005 铁路隧道设计规［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［7］铁道部第二勘测设计院．铁路工程设计技术手册——隧道［S］．北京:中国铁道出版社，1995．

［8］中华人民共和国铁道部．TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［9］中华人民共和国铁道部．TB 10002.4—2005 铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

Influence of existing concrete thickness of tunnel floor for heavy haul railway on bearing capacity of tunnel bottom structure

CHENG Jianping

(The Shuo-Huang Railway Development Co．Ltd．Yuan ping branch，Yuanping Shanxi 034100，China)

The existing heavy haul railway tunnel floor concrete thickness was detected by ground penetrating radar and floor concrete thickness of test section was less than the design value．Combining with field sampling test results and train dynamic test results，the influence of tunnel floor concrete thickness on tunnel bottom structure stress was analyzed by building load-structure plane dynamic analysis model with ANSYS when 30 t axle load heavy haul train passes．The analysis results showed that the floor concrete safety coefficient is from specification value 3 to 2 and there is some safety reserve，tunnel floor concrete thickness ofⅤ-grade surrounding rock zone in demonstration section will not be less than 0.5 m and concrete thickness ofⅣ-grade surrounding rock zone will not be less than 0.4 m by considering the size requirements of tunnel structure．Therefore，the insufficient concrete thickness of tunnel floor should be timely reinforced in order to guarantee the safety of train operation．

Heavy haul railway tunnel;Tunnel bottom structure;Concrete thickness;Safety coefficient

TU411

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．12

1003-1995(2015)07-0039-04

2014-12-10;

2015-01-18

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

程建平(1965— )，男，山西原平人，工程师。

(责任审编 李付军)