一种高速铁路隧道预制装配式基底结构静动力响应分析

张 斌，马伟斌，王志伟，王子洪，余东洋

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

截至2017年底，中国共建成高速铁路隧道 2 835 座，总长度 4 537 km。预计到2020年底中国投入运营的铁路隧道总量将达到 17 000 座，总长度将突破2万km。高速铁路隧道内的线路多采用板式无砟轨道，轨道板与衬砌之间采用混凝土现浇填充。隧道底部衬砌分为有仰拱和无仰拱2种形式，其中无仰拱衬砌多用于Ⅰ,Ⅱ级围岩，有仰拱衬砌多应用于Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩。

传统的隧道基底结构设计、施工存在不足，导致在建设阶段容易留下隧道基底常见的分层、开裂、底鼓、下陷、翻浆冒泥等病害隐患。我国铁路隧道大量修建，对隧道基底结构和质量提出了更高的要求。为避免后期基底结构出现上述病害以及规范基底施工，保证高速铁路隧道的安全服役，本文提出一种铁路隧道基底新型结构形式[1-4]。

构件预制化是工程发展的趋势，越来越多的国家已将预制装配式技术应用到隧道与地下工程领域[5-7],如荷兰鹿特丹地铁“壳式隧道”、日本仙台地铁“双跨箱形隧道”[8]。国内新建京张高速铁路清华园隧道采用盾构开挖，轨下结构采用预制箱涵拼装。针对大跨高速铁路隧道矿山法开挖的预制拼装底部结构工法及相关技术尚未见报道。

本文依托在建郑万高速铁路湖北段罗家山隧道辅助通道，进行了基底新型预制装配式结构形式设计。根据现场实际情况，通过将预制块之间设置接触单元连接来分析新型预制装配式隧道基底结构分别在施工期、运营期列车不同时速以及单双线工况下的静动力响应。

1 结构形式

1.1 工程概况

郑万高速铁路东起郑州，西至万州，是郑渝铁路的重要组成部分，全长 818 km，技术标准为客运专线。罗家山隧道位于湖北省兴山县，全长 10 640 m。试验隧道区段采用单车道断面，围岩等级为Ⅴ级，采用台阶法和锚喷构筑法施工，采用复合衬砌。

1.2 预制装配式结构形式设计

图1 新型隧道轨下装配式预制结构

新型隧道轨下装配式预制结构采用时速300 km以上的高速铁路隧道断面进行设计，分为基底和轨下结构2部分。本次主要验算的研究对象为轨下结构，见图1。新型隧道轨下装配式预制结构采用钢筋混凝土预制而成，分为4个板型：F形预制板、门形预制板、左(右)仰拱预制板及中仰拱预制板，见图2。本文主要研究在重力和不同工况的组合作用下预制板以及预制板接头的受力情况。

图2 预制板形式(单位：cm)

2 静力分析

新型隧道轨下装配式预制结构的主体结构为M形拱，预制构件接头形式为螺栓连接。预制构件的水平厚度为300 mm，每块预制板的纵向长度均为 1 980 mm。整个结构以隧道中线为对称轴，每幅装配式预制结构由2块F形预制板和1块门形预制板组成。数值模拟采用的是通缝模型，通缝模型较错缝模型结构更加不稳定[9]，最终形成如图3 所示的有限元计算模型。

图3 有限元计算模型

2.1 数值模型

2.2 静力荷载类型

新型隧道轨底装配式预制结构主要是轨下与基底之间的部分装配预制，主要恒载和动载分别为施工期的结构、混凝土罐车自重，运营期结构、轨道自重和列车动荷载。

按最不利组合进行荷载计算与结构设计。运营期间荷载应将轨道板与钢轨的自重按最不利组合形成均布荷载。

无砟轨道荷载分布宽度在支承层底部为3.1 m，忽略线间荷载，分两侧同时过车或单侧过车2种工况。运营期列车静力均布荷载见表1。

表1 运营期列车静力均布荷载 kPa

施工期的主要荷载为混凝土运输车荷载，取运输方量9 m3的混凝土运输车作为计算荷载，2个均布荷载均为1.42 MPa,分别加在门形预制板与F形预制板，作用宽度0.6 m，间距1.8 m。

2.3 模型计算结果及分析

单线荷载的模型结构计算中，门形预制板中部的竖向位移最大，为3.52×10-2mm，整个模型中应力最大值为557 kPa；榫槽接触面沿x方向的应力最大值为343 kPa，沿隧道轴线方向的应力最大值为35.30 kPa。

双线荷载的模型结构计算中，门形预制板中部的竖向位移最大，为4.03×10-2mm；整个模型中应力最大值为574 kPa；榫槽接触面沿x方向的应力最大值为348 kPa，沿隧道轴线方向的应力最大值为37.2 kPa。

我咋流氓了。你不要听外人瞎戳哄，他们是唯恐天下不乱的那种人。他们盼着你把事情做大，你杀了我，然后吃枪子，你老婆不又成了别人的老婆吗？自己的老婆成了别人的老婆，让别人天天搂着睡，天天弄那事，你在九泉之下做鬼也不踏实哩。

水泥罐车荷载的模型结构计算中，门形预制板中部的竖向位移最大，为4.032×10-2mm，整个模型中应力最大值为574 kPa；榫槽接触面沿x方向的应力最大值为348.4 kPa，沿隧道轴线方向的应力最大值为37.2 kPa。

3种工况计算结果中，结构最大位移均小于混凝土结构安全挠度，最大应力远小于C40混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度；用榫槽接触面沿x方向的应力模拟预制块之间的螺栓应力，最大应力远小于螺栓的抗拉强度；用榫槽接触面沿隧道纵向的应力模拟隧道预制结构纵向受力，最大应力远小于C40混凝土的抗压强度。

3 动力分析

3.1 数值模型

列车动力荷载的施加主要是模拟装配式结构在运营期的受力，分析结构在列车的循环动力作用下的加速度、应力及应变特征。列车车速取250,300,350 km/h，动力时程曲线取MIDAS GTS NX内置高速列车动力荷载进行加载。此处考虑单线列车经过和双线列车经过2个工况。

利用线性时程计算(直接积分法)对结构进行动力荷载计算；同时模型结构上要施加黏弹性边界。计算步骤主要是先对结构进行特征值计算，得到的第1振型和第2振型的周期加载结构动力荷载后再进行应力、应变及加速度响应计算。

3.2 计算结果及分析

在基底结构分别取7个节点监测加速度与位移，取6个节点监测应力(见图4)，分析运营期结构最不利位置的动力响应。

图4 动力分析节点

3.2.1 单线动力响应分析

从单线动力响应模型计算结果中提取响应稳定后不同节点的最大加速度与最小加速度(见图5(a))，比较不同节点加速度时程范围和趋势。节点1—节点7的位置接近结构底部的固定边界，加速度逐渐趋于0。节点1处于预制板的上表面，加速度时程范围最大，小于轨道要求的最大加速度限值；节点2、节点3、节点4处于预制板下部，节点2、节点3的加速度时程范围较为接近，均大于节点4；节点5—节点7的加速度时程范围趋于0。时速350 km的加速度时程大于时速300 km与时速250 km的加速度时程，而时速300 km 与时速250 km的加速度时程较为接近。

3种时速节点位移基本一致，趋势取决于边界条件。节点1处位移最大，远小于混凝土结构最大安全挠度，节点2、节点3、节点4位移趋于一致，节点5—节点7接近固定边界，位移趋于0，见图5(b)。

3种时速节点应力基本一致，节点2处应力最大，远小于C40混凝土的抗压强度，见图5(c)。

图5 单线动力响应计算结果

3.2.2 双线动力响应分析

从双线动力响应模型计算结果中提取响应稳定后不同节点的最大加速度与最小加速度(见图6(a))，比较不同节点加速度时程范围和趋势。节点1—节点7加速度逐渐趋于0。节点1加速度时程范围最大，小于轨道要求的最大加速度限值；节点2、节点3、节点4三者加速度时程范围较为接近；节点5—节点7的加速度时程范围趋于0。时速350 km的加速度时程均大于时速300 km与时速250 km的加速度时程，而时速300 km与时速250 km的加速度时程较为接近。

3种时速节点位移基本一致，趋势取决于边界条件。节点1处位移最大，远小于混凝土结构最大安全挠度，节点2、节点3、节点4位移趋于一致，节点5—节点7接近固定边界，位移趋于0，见图6(b)。

3种时速节点应力基本一致，节点2处应力最大，远小于C40混凝土的抗压强度，见图6(c)。

图6 双线动力响应

4 结论

建立新型隧道轨下装配式预制结构数值模型，模拟分析该预制结构在施工期混凝土罐车静荷载、双向列车动静荷载和单向列车动静荷载作用下的应力、应变和加速度响应。主要结论如下：

1)静力荷载分析中单线、双线荷载工况结构的应力、应变都有变化，但应力最大值远小于C40混凝土的承载能力，应变对结构的影响也很小，榫槽接触面横断面受力远小于C40混凝土的抗压强度和螺栓的抗拉强度，沿隧道纵向受力远小于C40混凝土的抗压强度；在混凝土罐车荷载作用下，结构的应力、应变均远小于C40混凝土的承载能力。

2)动力荷载分析中单线、双线荷载工况所取节点加速度时程均在安全范围内，节点位移和应力亦如此。双线荷载工况下结构的应力、应变均较单线荷载工况下的应力、应变大，但差距极小，可以忽略。

3)新型隧道轨下装配式预制结构在5种工况下结构几乎没有变化，结构承载能力可以保证列车正常运营。