列车撞击荷载对盾构隧道管片及其接头螺栓的影响

邓志鑫，晏启祥，徐亚军，张伟列

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

列车撞击荷载对盾构隧道管片及其接头螺栓的影响

邓志鑫，晏启祥，徐亚军，张伟列

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

建立盾构隧道三维数值模型，采用连接单元和接触面单元共同模拟管片接头力学效应，研究了不同时速列车撞击荷载作用下被撞管片块周边接头螺栓拉力、剪力的时程变化及失效情况，同时对比分析了不同撞击速度下管片位移响应。结果表明:在列车撞击荷载作用下被撞管片块周边螺栓大多发生剪切失效；不同撞击速度下相同部位螺栓的失效类型一致；随着撞击速度的提高，被撞管片块周边螺栓失效时间均有所提前，管片最终位移极大值有所增大，而撞击中心点位移始终呈阶梯形增长。

盾构隧道；高速列车；撞击；螺栓失效

随着我国高速铁路技术的逐步成熟和完善，铁路运营速度大大提高。而列车运行速度的提高方便了人们出行的同时也增加了其脱轨的可能性。虽然列车脱轨尚属于小概率事件，但一旦发生，不仅会对列车和车内人员安全构成威胁，还将严重破坏铁路基础设施。若脱轨撞击发生在盾构隧道中，隧道结构的安全性和稳定性将大大降低。而在不同速度的列车撞击下，可能引发接头螺栓发生不同程度的损伤失效，并导致管片产生不同大小的位移，严重的将引起隧道结构失稳破坏。因此，开展不同时速列车撞击下接头螺栓失效及管片位移的研究具有重要意义。

在列车撞击研究方面，韩国铁道科学研究院对国内列车进行了耐撞性分析，并采用撞击试验对软件分析结果进行了验证［1］。日本川崎重工在美国科罗拉多州进行了单台整部列车的撞击试验［2］；谢卓君、罗玗琪等［3-4］基于动力学理论，采用SIMPACK软件建立了列车多体碰撞模型，并对列车走行机构进行了优化。夏超逸等［5］研究了撞击作用下车-桥系统动力响应，并对高速列车安全性作出了评价。上述研究主要着眼于列车车体优化和耐撞性能，并未考虑列车撞击对工程结构的影响。晏启祥、李彬等［6-7］总结前人经验，开展了列车撞击刚性墙的有限元数值分析，获得了不同列车编组、撞击速度和角度下撞击荷载时程曲线，并据此探讨了盾构隧道二衬结构的防撞效果，但对于撞击引起的管片接头螺栓失效和管片位移并未展开相关研究。

鉴于此，本文利用大型有限元软件ABAQUS建立了盾构隧道三维数值模型，通过设置接触面单元和连接单元分别模拟接缝面混凝土的接触效应和接头螺栓的连接效应，对不同时速列车撞击作用下管片接头螺栓失效特性和管片位移情况进行了分析，以期为管片接头螺栓优化和管片衬砌防撞设计提供参考。

1　管片衬砌接头的数值模拟方法

为充分反映盾构隧道管片接头力学特性，本文利用接触面单元中的“硬接触（Hard Contact）”［8］和带有摩擦参量的“罚函数（Penalty Function）”来反映接缝面混凝土挤压和摩擦行为。而螺栓的连接效应则通过可表征螺栓抗拉、抗剪、抗弯刚度的连接单元进行模拟。

图1　连接单元失效模式

为揭示撞击过程中螺栓失效特性，本文采用连接单元中的“损伤-失效模式”［8］来反映螺栓失效时内力的动态变化。连接单元损伤失效模式包括渐进损伤失效模式（O→I→M）和瞬时完全损伤失效模式（O→I→D）（见图1）。由于列车撞击是一个瞬间过程，本文采用瞬时完全损伤失效模式，即当螺栓拉力或剪力中任意一个参量达到各自对应的极限承载力时，螺栓立即失效。图1中UI，UM分别为I点和M点的位移，FI为I点的力。

2　分析模型及计算参数

目标隧道衬砌内径9.80 m，外径10.80 m，管片厚度50 cm，幅宽2 m，管片采用C50钢筋混凝土。每环管片由1块封顶块F、2块邻接块L和5块标准块B通过M36型8.8级螺栓连接而成。整个隧道处于粉砂岩和砂岩地层当中。管片和地层的物理力学参数见表1。

表1　管片与地层的物理力学参数

图2为盾构隧道有限元模型，模型长、宽、高分别为80，80，60 m。模型中围岩和管片均采用C3D8R单元。模型中的动力边界由无限元（CIN3D8）模拟［9］。围岩采用M-C弹塑性本构，管片衬砌采用混凝土弹塑性本构。为了不因接触关系太多而大幅降低计算效率，模型中只对撞击目标环及其前后两环进行了通缝拼装式分块模拟，其余管片环均通过弱化接头位置混凝土弹性模量的方式近似模拟［10］。

图2　盾构隧道有限元模型

由于弯矩对螺栓失效的贡献不大且机制非常复杂，因此本文只考虑了拉伸失效和剪切失效。M36型8.8级螺栓的物理和力学参数分别见表2和表3［11］。

表2　螺栓物理参数

表3　螺栓力学参数

目前列车撞击荷载主要是通过数值模拟的方式获得［7］。本文利用文献［7］中列车速度200，250，300 km/h斜向12.5°撞击刚性墙获得的列车撞击力时程曲线（图3），并按实际撞击位置和作用范围以平均面力的近似形式施加在管片衬砌内侧。

图3　列车撞击力时程曲线

3　数值模拟结果与分析

3.1撞击速度对接头螺栓的影响

在列车撞击作用下，被撞管片块直接承受撞击荷载。本文以与被撞管片块相连的6颗螺栓为研究对象，6颗螺栓位置及编号见图4。

图4　被撞管片块螺栓位置及编号

图5、图6分别为不同撞击速度下各螺栓拉力和剪力时程曲线。由图5、图6可见，在3种撞击速度下，与被撞管片块相连的6颗螺栓均发生失效，但不同撞击速度下各螺栓发生失效的时间和失效类型不完全一致。

表4中列出了3种速度下各螺栓失效状况。可见：①撞击作用下被撞管片块周边螺栓失效类型为拉伸失效和剪切失效，其中螺栓A均发生拉伸失效，螺栓B，C，D，E，F均发生剪切失效；②各部位螺栓发生失效的时间均随列车撞击速度的提高有所提前；③不同速度下螺栓失效次序一致，结合图4可见，被撞管片块周边螺栓大致沿列车行进方向相继失效。

3.2撞击速度对管片位移的影响

为揭示撞击速度对管片的影响，提取不同撞击速度下管片最终位移云图（图7）。由图7可见：在3种速度下管片最终位移主要出现在被撞管片块及其前方管片上。与管片环向相比，管片最终位移在纵向的分布范围更广。随着撞击速度的提高，管片最终位移极大值有所增大。其中，200，250，300 km/h管片最终位移极大值分别为6.206，7.462，8.542 cm，相对于200 km/h，250和300 km/h分别增大了20.24%和37.64%，增幅较大。

图5　各螺栓拉力时程变化曲线

图6　各螺栓剪力时程变化曲线

表4　3种速度下各螺栓失效状况

图7　不同撞击速度作用下管片最终位移云图（单位：m）

进一步提取不同撞击速度下撞击中心点位移时程曲线（图8）。可见：在3种撞击速度下撞击中心点位移时程曲线均大致呈阶梯形增长，在撞击开始后5 ms左右出现第1个平台，撞击末期出现第2个平台；撞击中心点各时刻位移值均随着撞击速度的提高有所增大，撞击速度为300 km/h时位移值最大，250 km/h次之，200 km/h最小。

图8　不同撞击速度下撞击中心点位移时程曲线

4　结论

本文通过在盾构隧道管片内侧施加3种时速列车所对应的撞击荷载，研究了被撞管片块周边螺栓失效以及管片位移情况，得出以下结论：

1）在列车撞击荷载作用下被撞管片块周边螺栓大多发生剪切失效。螺栓失效大致是沿着列车行进方向相继进行的。

2）不同撞击荷载作用下相同部位螺栓的失效类型一致。但螺栓失效时间随撞击速度的提高有所提前。

3）随着撞击速度的提高，管片最终位移极大值和撞击中心点各时刻的位移值均有所增大。而在不同撞击速度下，撞击中心点位移时程曲线形态大致相似，并且均大致呈阶梯形增长。

［1］KOO J S，KWON T S，CHO H J.韩国高速铁路防撞设计与评估［J］.中国铁道科学，2004，25（1）：1-7.

［2］田口真.鉄道車両における耐衝突性構造の開発［J］.川崎重工技報，2002（4）：14-17.

［3］谢卓君.地铁列车多体碰撞的动态仿真方法及应用［D］.长沙：中南大学，2012.

［4］罗玗琪，许平，谢卓君.磁浮列车走行机构结构优化研究［J］.城市轨道交通研究，2011（11）：86-92.

［5］夏超逸，张楠，夏禾.汽车撞击作用下车桥系统的动力响应及高速列车运行安全分析［J］.工程力学，2013，30（8）：119-127.

［6］YAN Q X，LI B，GENG P，et al，Dynamic Response of a Doublelined Shield Tunnel to Train Impact Loads［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2016，53：33-45.

［7］晏启祥，李彬，张蒙，等.200 km·h-1列车脱轨撞击作用下盾构隧道二次衬砌对管片衬砌的防护效果［J］.中国铁道科学，2014，35（6）：70-78.

［8］庄茁，由小川，廖剑晖，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［9］艾辉军，彭立敏，施成华.基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析［J］.岩土工程学报，2013，35（11）：2023-2029.

［10］刘印，张冬梅，黄宏伟.盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析［J］.岩土力学，2013，34（1）：290-298.

［11］中华人民共和国建设部.GB 50017—2014钢结构设计规范［S］.北京.中国建筑工业出版社，2014.

（责任审编葛全红）

Effect of Train Impact Load on Lining Segments and Joint Bolts of Shield Tunnel

DENG Zhixin，YAN Qixiang，XU Yajun，ZHANG Weilie
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

A three-dimensional numerical model of shield tunnel was established，the connector element and interface element were adopted to simulate the mechanical effects of segment joint，the time history curves of joint bolt tensile force and shear force around the impacted segment zone under the train impact load with different speed and its failure conditions were studied，and the segment displacement response with different impact speed was comparatively analyzed.T he results show that there are most shear failure of bolt around the impacted segment zone under the train impact load，the failure types of bolt in the same parts at different impact speed are consistent，the bolt failure times around the impacted segment zone are all in advance，the maximum of segment ultimate displacement increases，but the displacement of impact center always shows a step growth with the impact speed improvement.

Shield tunnel；High speed train；Impact；Bolt failure

U451+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.13

1003-1995（2016）10-0046-04

2016-05-10；

2016-08-25

中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G004-H）；国家自然科学基金（51278425，51178400）

邓志鑫（1992—），男，硕士研究生。