基岩软化条件下仰拱结构疲劳寿命的预测分析

刘宁　彭立敏　施成华

摘要：由于隧道施工期间扰动及重载列车荷载的长期循环作用，造成底部基岩出现一定范围的软化和围岩力学参数降低，引起拱底围压的不均匀分布，并影响基底结构的疲劳寿命。通过引入重载列车振动荷载函数和Miner线性累积损伤理论，建立了考虑基底软化仰拱结构疲劳寿命的预测方法，研究列车振动荷载作用下基底软化因素对铁路隧道底部结构疲劳寿命的影响。计算结果表明：在基岩不同软化条件下，隧道底部结构动应力响应分布规律相似，隧道底部结构各部位动拉应力和动压应力增幅较大，仰拱结构疲劳寿命明显减小。隧道底部结构仰拱中心处出现拉应力最大值，仰拱与边墙连接处出现压应力最大值。在仰拱结构的应力计算结果的基础上，结合混凝土疲劳寿命原理，论述了基底软化条件下隧道底部结构疲劳寿命预测值。

关键词：隧道底部结构；疲劳寿命；动力响应；重载列车荷载

引言

随着隧道工程建设量和服役时间的增加，隧道仰拱下部基岩在列车振动及地下水等因素耦合作用下，出现一定范圍和不同程度的软化、破损等现象。在地下水与基岩的渗流耦合作用下，基岩逐渐软化、破损、流失、掏空，最终形成了隧道底部基岩空洞，降低了基岩力学性能，形成了不利的隧道底部基础条件，影响了隧道底部结构的安全稳定性。由此可见，隧道基底不良状况的存在对重载列车隧道结构长期服役性能的研究具有重要的现实意义。

重载铁路隧道仰拱结构的核心问题是围岩压力和列车荷载耦合作用下结构长期服役的稳定性及安全性。列车大重量、高密度的运营使轨下基础承受更大的振动荷载，使得线路状态和轨道结构及底部结构破坏特征较传统线路变化明显。隧道底部结构的受力状态直接影响到整个隧道结构的安全稳定。

在数值计算方法对隧道振动响应研究中，一般将整体模型系统划分为列车一轨道系统和隧道一围岩系统两个子系统。Yang等利用2.5D有限元/无限元方法，通过移动载荷模拟列车载荷，分析了车速低于和高于Rayleigh波速时列车载荷引起的波动问题，并对地下列车运行引起的振动问题进行了参数研究。Bian等采用2.5D有限元方法和吸收人工边界分析了地铁运行引起的波传递问题。sheng等采用波数有限元与边界元结合的方法，求解了地铁车辆作用下的隧道振动响应。Andersen等分别采用二维、三维耦合有限元一边界元方法对列车通过隧道时引起的振动问题进行了研究，准确预测隧道结构和深度等因素引起的响应，需要建立完整的三维模型。Hunt等采用Pipe-in-Pipe的半解析方法预测地下隧道在地铁车辆作用下的振动响应，研究了波在轨道、隧道、土体中的传播问题。Gupta等采用周期有限元和边界元耦合方法，结合Pipe-in-Pipe模型，对隧道中列车运行引起的振动问题进行了数值分析，并结合试验结果进行了参数研究。Degrande等采用有限元方法模拟隧道，边界元方法模拟土体，并通过模型化方法将土体与隧道三维耦合，预测了地铁列车作用下隧道振动情况。

本文使用轨道-隧道结构耦合动力模型，采用激振力函数模拟了重载列车荷载，列车振动过程中隧道结构之问接触采用阻尼机制模拟振动波的传播机制。基于相关结构体系振动理论运用有限元软件ANSYS进行模型的建立和静力和动力分析，并依据混凝土疲劳寿命模型结合疲劳分析软件Fe-Safe计算模块定义疲劳荷载、材料疲劳参数、疲劳计算方法及其他各种疲劳影响因素。通过有限元软件ANSYS和疲劳分析软件Fe-Safe的交互运算，模拟分析不同基底状况对隧道底部结构受力状态的影响程度及规律，隧道底部结构疲劳寿命分布影响规律。