不同加固方式下的软硬过渡段隧道基底受列车动载影响规律

段忠辉, 王脉, 章慧健*, 赵岩, 霍思逊, 郑余朝

(1.中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308; 2. 西南交通大学土木工程学院交通隧道工程教育部重点实验室, 成都 610031; 3. 中铁十二局集团有限公司, 太原 030000)

高速列车的循环动荷载对隧道结构的影响是不可忽视的[1]。杨文波等[2]分析了列车动载对隧道的响应特征,指出隧道结构动力响应从仰拱到拱顶呈现先衰减再增加的规律,马蹄形隧道断面的响应大于圆形隧道断面,且在进行列车振动对隧道的响应研究时应将荷载的移动效应考虑在内。丁祖德等[3]研究了不同条件与隧道结构的动力响应关系,指出增大隧道仰拱矢跨比和底部结构厚度可以改善结构的力学状态,但是后者对变形的控制效果并不显著。韩江[4]研究了深埋和高地应力条件下重载铁路的动力响应规律,指出隧底应力和变形与铺底厚度和仰拱厚度呈负相关关系,增大仰拱厚度可改善结构变形和受力。由于隧道洞口段的围岩条件相对较差,大多为强风化岩的堆积体,其与基岩的性质差别较大,所以实际隧道区间内沿纵向穿越不同岩性地层(如软硬岩)的工程也越来越多,相比单一岩性隧道,此类隧道过渡段的动力响应更为复杂。

近年来,不少学者研究了高速列车荷载引起的隧道衬砌结构动力响应特性,并得到相应的响应指标变化规律[5-8]。秦旗[9]和李双龙等[10]开展了路桥过渡段、桥-隧过渡段上桩板结构与传统过渡方式的差异性研究,发现桩板结构可以有效地降低地基土体动力响应,且过渡段采用桩板结构具有更好的过渡性能。李献民等[11]分析了高速铁路路基过渡段上动力响应特征差异,指出过渡段长度和车速对结构动力响应影响较大。

已有研究成果主要对桥隧、路桥过渡段采用桩板结构、橡胶垫层等措施来减少列车荷载对结构的影响[12-13],而有关隧道软硬岩过渡段采用桩板结构加固的研究相对较少。王凯[14]发现列车荷载作用下黄土区重载铁路从路基过渡到隧道的过程中,竖向动应力呈增大趋势,且在路-隧交界面处出现动应力跳跃现象。丁祖德等[15]依托某盾构隧道研究软硬不均地层条件下隧道的动力响应特征,指出过渡段的沉降差异较大,应对软弱地层进行加固。但已有研究未提出隧道过渡段具体的加固措施,由于高铁隧道具有更高的平顺性和舒适性要求,仍需进一步关注加固前后隧道经过软硬岩过渡段时动力性能和加固效果,以期保证过渡平稳性。

因此,现依托广湛铁路相思山隧道工程,该隧道出口段穿越软硬岩过渡段,分别建立不加固和不同桩板结构加固条件下的隧道结构动力响应模型,探究过渡段在列车荷载影响下的动力响应规律与过渡效果差异,从而为高速铁路隧道软硬岩过渡段加固方式的比选提供一定的参考。

1 依托工程背景

1.1 工程概况

依托工程为广湛高铁线路中的相思山隧道,隧道全长310 m,属于单洞双线短隧道。该隧道设计行车速度为350 km/h,出口段表层为燕山期花岗岩残积土,下附基岩为燕山期全风化花岗岩。隧道出口段主要为Ⅴ级围岩,隧道跨度和高度分别为14.96 m和12.64 m,隧道断面形式如图1所示。隧道洞口处软硬岩过渡段地质断面如图2所示。

图1 隧道断面图Fig.1 Tunnel cross-section diagram

图2 隧道软硬岩过渡段地质断面图Fig.2 Geological cross-section diagram of tunnel in hard-soft rock transition section

1.2 基底加固方式

过渡段隧道基底加固主要采用桩板结构1,桩板结构2和桩板结构3加固方式,如图3所示。其中桩板结构1为“承载板+托板+钻孔桩”加固方式,即在承载板下方施作厚度为0.8 m的C35钢筋混凝土托板,钻孔灌注桩与托板刚性连接。桩板结构2为“承载板+托梁+钻孔桩”加固方式,即两排托梁贯通两排钻孔灌注桩;桩板结构3为“承载板+钻孔桩”加固方式,即采用承载板与钻孔灌注桩刚性连接。其中,根据现场设计资料设定钻孔灌注桩桩径为1.25 m,桩长分别为12 m和15 m。

图3 基底加固方式Fig.3 Basement reinforcement method

2 数值计算说明

2.1 计算模型

由于本文的依托工程尚未开通运行,暂无法获取现场监测数据,所以主要通过数值计算进行研究。利用FLAC3D建立隧道-地层-轨道模型,进行动力分析计算。模型横向长度为110 m,纵向长度为50 m。模型上部按照实际地形等高线建立,计算模型图如图4所示。为满足动力计算精度要求,网格尺寸尽量保持在最高频率波长的1/8～1/10,并在模型边界和四周设置静态边界,施加Rayleigh阻尼[16]。隧道围岩、初支、二衬、混凝土承载板和托板采用实体单元模拟,混凝土托梁采用beam单元模拟,灌注桩采用pile单元模拟。各土层围岩均服从摩尔库伦准则,隧道初期支护、二次衬砌和轨道结构均采用弹性本构。

图4 计算模型Fig.4 Calculation model

2.2 计算参数

隧道初期支护为型钢钢架+C25喷射混凝土+钢筋网,二衬结构采用C35模筑混凝土。计算模型中的地层分布自上而下依次为:全风化花岗岩和花岗岩残积土、强风化花岗岩、弱风化花岗岩,各土层及支护结构物理特性参数如表1所示。

表1 围岩和支护结构计算参数Table 1 Calculation parameters of surrounding rock and lining structure

2.3 列车振动荷载的实现

列车振动荷载的模拟采用列车-轨道耦合模型的方法来获取列车的荷载曲线。列车在不平顺的轨道上行驶,列车振动荷载主要考虑车辆与轨道的因素[17],单独分析车辆与轨道的竖向振动,忽略其横向振动。在所建立的列车-轨道模型中,轮轨垂向力P(t)采用Hertz非线性弹性方法求解,即

(1)

式(1)中:Δz(t)为轮对和轨道间压缩量;G为轮轨接触系数。

Δz(t)由轮对静压缩量与轮轨之间的相对运动位移组成,计算公式为

Δz(t)=Δz0+Δzwt(t)

(2)

式(2)中:Δz0为车轮静压缩量;Δzwt(t)为轮轨间相对运动位移。

实际情况下,P(t)需考虑接触面的不平顺关系,设η(t)为轨道不平顺数值,此时用于描述轮轨作用力的表达式(1)变为

(3)

高速列车行驶期间,由于轨道不平顺因素存在,无砟轨道受力在模拟分析时,考虑轨道不平顺因素十分重要。轨道不平顺具有随机性和复杂性,故用轨道谱来描述其功率谱密度函数[18]。中国的高速铁路列车技术主要采用德国高速线路不平顺谱密度函数来进行列车平稳性分析[19]。其中,德国高低不平顺轨道谱分为高干扰谱与低干扰谱两种,高速铁路列车一般采用低干扰谱,低干扰谱不平顺的函数表达式如下。

高低不平顺轨道功率谱密度函数Sv(Ω)为

(4)

水平不平顺轨道功率谱密度函数Sc(Ω)为

(5)

方向不平顺功率谱密度函数Sa(Ω)为

(6)

轨距不平顺功率谱密度函数Sg(Ω)为

(7)

式中:Ω为空间角频率;Av、Aa和Ag为粗糙度常数;Ωc、Ωr和Ωs为截断频率。

采用德国低干扰谱高低不平顺[20]作为列车振动激励源,通过轮轨间的Hertz接触关系传递至轨道结构[21-23],获得某CRH(China Railway High-speed)型动车组以350 km/h匀速运行时的无砟轨道扣件反力时程曲线,如图5所示。

图5 扣件反力时程曲线Fig.5 Reaction time-history curve of the fastener

2.4 监测断面

为对比在列车振动荷载作用下隧道软硬岩过渡段采用桩板结构加固前后的动力响应特性差异。从洞口处每两米设置1个监测断面,共10个监测断面,且每个监测断面分别在隧道支护结构的拱顶、边墙、墙脚、隧底设置测点。监测断面和测点的布置示意图如图6所示。

图6 监测断面和监测点布置示意图Fig.6 Layout diagram of the monitoring sections and monitoring points

3 计算结果分析

3.1 加速度响应特性

在高速列车振动荷载作用下,隧道结构在无加固情况下的各特征点加速度峰值沿隧道纵向变化规律如图7所示。

由图7可知,同一断面下,隧道加速度峰值大小关系均呈现为:拱底>墙角>边墙>拱顶。隧道衬砌结构各监测点从软岩段过渡至硬岩段过程中,加速度峰值的变化整体上呈现为先增加后减小,即在软硬岩分界面处加速度达到最大值,且拱底加速度最大值达到1.31 m/s2。隧道衬砌结构在软岩区间内的加速度峰值明显大于硬岩区间,且隧道衬砌在硬岩中加速度峰值变化幅度较小,其中拱底处加速度峰值变化幅度最大。总的来说,列车在经过软硬岩过渡段交界面时隧道两侧加速度差异较大,过渡效果较差,该现象与前人研究成果也比较吻合[15],需采取进一步加固措施来保证列车平稳过渡。

选取交界面处的拱底特征点进行分析,得到无基底加固与基底采用桩板结构加固时隧道拱底的加速度响应时程曲线,如图8所示。

图8 不同加固方式下的交界面拱底加速度时程图Fig.8 Acceleration time-history curve at the arch of the interface under different reinforcement methods

由图8可知,无加固条件下拱底处加速度响应整体大于加固条件下,其中桩板结构1、2、3的加速度峰值相较于无加固条件下的加速度峰值分别降低了33.1%、45.6%、7.5%。在无加固条件下拱底加速度峰值出现在0.75 s附近,桩板结构1,3加固条件下加速度峰值出现在1.2 s附近,桩板结构2时的加速度峰值出现在2.0 s附近。以上说明经加固后隧道的加速度峰值出现时刻有所延迟,且加速度峰值显著减小,更有利于隧道衬砌结构的稳定。

为进一步分析隧道整体动力响应特性,分别提取隧道衬砌结构特征点的加速度峰值沿隧道纵向变化规律如图9所示。

图9 不同加固方式下的加速度峰值变化曲线Fig.9 Variation curve of peak acceleration under different reinforcement methods

由图9可知,拱顶处加速度峰值在桩板结构加固条件下略微增大,但整体上看沿隧道纵向的加速度峰值变化幅度相较于加固前更小(软硬岩交界面附近),更有利于隧道平稳过渡。相比无加固工况,边墙、墙脚、拱底处的加速度峰值在桩板结构加固下明显减小且沿隧道纵向的加速度峰值变化幅度更小,说明在列车振动荷载作用下,桩板结构的加固作用使隧道结构沿纵向的加速度响应更均匀。总体来说,在围岩条件较好(硬岩)的条件下隧道结构受列车振动影响的效果更小,并且在减振效果与过渡效果方面,桩板结构1与桩板结构2明显优于桩板结构3。

3.2 动位移响应特性

高速列车振动荷载作用下,无加固情况下隧道结构位移峰值沿隧道纵向的变化规律如图10所示。

图10 无加固时隧道动位移峰值变化曲线Fig.10 Variation curve of the dynamic peak displacement of tunnel without reinforcement

由图10可知,隧道衬砌结构从软岩过渡至硬岩过程中,动位移峰值的变化趋势整体上均呈现逐渐减小趋势,其中在洞口处的拱底动位移峰值达到最大值0.32 mm。在软岩条件下的动位移峰值明显大于在硬岩中的动位移峰值,且隧道衬砌从软岩向硬岩过渡过程中位移峰值突变较大,其中拱顶处动位移峰值变化幅度较小,拱底处动位移峰值变化幅度最大,差值接近0.1 mm。

取典型断面拱底特征点进行分析,拱底在无基底加固和采用加固方式下各监测点的动位移响应时程曲线如图11所示。

由图11可知,无加固条件下拱底处动位移响应整体大于加固条件下的动位移响应,且无加固条件下的隧道结构动位移幅值波动更大,其中桩板结构1、2、3的位移峰值相较于无加固条件下的位移峰值分别降低了60.4%、38.2%、27.6%,减振效果显著。

为进一步分析隧道整体动位移变化特性,提取隧道衬砌结构的位移峰值沿隧道纵向变化曲线如图12所示。

由图12可知,拱顶、边墙、墙脚、拱底处位移峰值在桩板结构加固下明显减小且沿隧道纵向的位移峰值变化更加平缓,说明在列车振动荷载作用下,桩板结构的加固作用可有效减小隧道结构位移,并且使得纵向动位移响应分布更均匀,更有利于隧道的平缓过渡。总体来说,在围岩条件较好的条件下(即硬岩)隧道结构受列车振动产生的位移更小,并且在减振效果与过渡效果方面,桩板结构1明显优于桩板结构2与桩板结构3。

3.3 动应力响应特性

在列车振动荷载作用下,隧道结构在无加固情况下动应力峰值沿隧道纵向的变化曲线如图13所示。

图13 无加固时隧道动应力峰值变化曲线Fig.13 Variation curve of peak dynamic stress of tunnel without reinforcement

由图13可知,隧道衬砌结构从软岩过渡至硬岩过程中,隧道边墙、墙脚处动应力为拉应力,拱顶、拱底处动应力峰值的变化趋势整体上表现为逐渐增大,边墙、墙脚处动应力峰值的变化趋势整体上表现为逐渐减小,且隧道结构在软岩条件下的动应力峰值明显大于在硬岩中的动应力峰值。隧道拱顶、拱底处动应力为压应力,其在软岩条件下的动应力峰值略小于在硬岩中的动应力峰值,且隧道衬砌从软岩向硬岩过渡过程中动应力峰值突变较大。其中拱顶、拱底处动应力峰值变化幅度较小,边墙、墙脚处动应力峰值变化幅度最大。

选取典型断面墙脚特征点在无基底加固与采用桩板结构加固时的各监测点动应力响应时程曲线如图14所示。

图14 不同加固方式下的交界面墙脚动应力时程图Fig.14 Time-history diagram of the dynamic stress of wall foot at interface under different reinforcement methods

由图14可知,无加固条件下墙脚处动应力峰值与振动幅度均大于加固条件下的响应,且经加固后隧道结构的动应力幅值明显降低,其中桩板结构1、2、3的动应力峰值相较于无加固条件下的应力峰值分别降低了49.1%、25.3%、32.9%,减振效果十分显著。

为进一步分析隧道整体动应力变化特性,分别提取隧道衬砌结构在不同桩板结构加固下的动应力峰值沿隧道纵向变化曲线如图15所示。

图15 不同加固方式下的隧道动应力峰值变化曲线Fig.15 Variation curve of peak dynamic stress of tunnel under different reinforcement methods

由图15可知,相比无加固工况,拱顶、边墙、墙脚、拱底处动应力峰值在桩板结构加固下均显著减小且沿隧道纵向的动应力峰值变化更加平缓,说明在列车振动荷载作用下,桩板结构的加固作用使隧道结构的应力明显减小,并且使动应力响应更均匀。值得注意的是,在软岩区间段,动应力的减小程度要远大于硬岩段,并有效地减少在软硬岩交界面处的应力差,以上研究均表明桩板结构的减振效果与过渡效果十分显著,且桩板结构1的减振和过渡效果明显优于桩板结构2与桩板结构3。

4 结论

(1)在无加固措施情况下,隧道穿越软硬过渡段时衬砌结构的加速度、动位移、动应力响应大小规律表现为:软岩段>硬岩段,且在交界面两侧的动力响应出现较大的差异,过渡效果差,应对软岩段地层基底进行加固处理。

(2)采用不同桩板结构加固基底后,软弱地层隧道衬砌结构动力响应相对于未加固时减幅很大,其中加速度、动位移、动应力最大降幅分别达到45.6%、60.4%、49.1%,从而缩小了软硬岩交界面处的响应差异,使得结构整体受力和变形更趋于均匀,减振作用与过渡效果非常显著。

(3)三种桩板结构加固下软岩段隧道衬砌结构的减振、过渡效果具体表现为:桩板结构1>桩板结构2>桩板结构3,即桩板结构1(承载板+托板+钻孔桩)的减振作用与过渡效果最好,建议对高铁隧道穿越软硬过渡段时采用桩板结构1进行加固。