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.pdf

2 0 1 5年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 3 9 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 3 9 - 0 4 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0 3 4 0 0 0 ) 摘要 ： 采 用地质 雷达对 一既 有重 栽 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 A N S Y S建 立荷 载一 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3 0 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 i n ， I V级 围岩 区应 不 小 于 0 4 i n 。 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。 关键 词 ： 重载 隧道基 底结 构 混凝 土厚 度安全 系数 中图分 类号 ： T U 4 1 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 7 1 2 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 。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 。本 文 考 虑 既 有 重 载 铁 路 开 行 3 0 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 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 - 1 0 ； 修 回13期 ： 2 0 1 5 一 O l - 1 8 基金项 目： 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 3 B A G 2 0 B O O ) 作者简介 ： 程建平( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 山西原平人 ， 工程师。 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 。 点 1 2 o 丞 0 _8 赠 0 6 91 9 8 0 9 2 0 8 0 9 21 8 0 9 2 2 8 0 9 2 3 8 0 9 2 4 8 0 里程 k m 图 1 基底混凝土厚度分布 从 图 1 可 知 ， 该 隧 道 级 围 岩 区 隧底 混 凝 土厚 度 分布在 0 4 2 0 7 5 m， 平均厚度约为 0 5 0 m； IV级围 岩区隧底混凝土厚度分布在 0 4 8 0 9 8 m， 平均厚度 约为 0 7 5 m； V级围岩区隧底混凝土厚度分布在 0 6 2 1 0 0 m， 平 均厚度 约 为 0 8 5 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 ( T B 1 0 0 0 3 -2 0 0 5 ) ， 换算后棱柱体抗拉 强 度在 1 9 92 0 3 MP a ， 平 均值 为 2 0 l MP a ， 高 于 原设 计 2 0 0号( C 1 8 ) 混凝土抗拉强度值 ( 1 6 MP a ) 。 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 4 0 铁道建筑 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 载一 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 A N S Y S软件 ， 基 底混 凝土 采用平 面 P l a n e 4 2单元 ， 围岩 采 用 L i n k 1 0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 、 铁 路 工 程设 计 技 术 手 册 隧道 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 、 级 及 级 围岩 弹性抗 力 系数分 别取 1 5 0 ， 3 5 0及 8 5 0 MP a 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 1 0 S ， 计 算 周期 时长 2 0 s 。 图 2基 底 荷 载 ( 单 位 ： k P a ) 实测 3 0 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 1 4 5 k P a 。 当采用 连续介 质 理 论 计算 时 ， 需要 确 定 阻 尼 比系 数 O t 和 口， 以及动力计算时间步长 等参数 ， 根据模 态分析得到的任意两阶频率 和 ， 可确定 O t 和 卢为 2o ) 十 量 I雾一 时间， s 图 3实测基底动压应力时程 曲线 ( 3 0 t 轴重列车 ) 卢 E 十 式 中 ， 为阻尼 比 ， 岩 土介 质 的阻 尼 比通 常 在 0 0 1 0 3 0 ， 本次计算取 0 0 2 。 通 过 模 态 分 析 求 得 结 构 体 系 的 最 大 固 有 周 期 ，为 保持 足够 的精 度 ， 时 间 步长 不 应 大 于最 大 固有 周 期 的 1 1 0 0 。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 O t = 0 2 7 1 ， B： 0 0 0 1 ， 时间步 长 A t = 0 0 0 1 S 。 2 5计 算 结果分 析 2 5 1 结构 受 力 3 0 t 轴 重列 车作用 1 9 6 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 ： P a ) 3 0 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 。 隧底混凝土厚度， m 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 2 0 1 5年第 7期 程 建平 ： 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 4 1 后 ， 基底 仰拱 拉 应力 减少 3 2 3 ； I V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 3 2 5 ； 1 1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 3 7 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 C 2 5C 3 0 ， 抗拉强度 为 2 0 1 MP a 。 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 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 3 0 ， 计 算 容 许 应 力 为 0 6 6 MP a ， 安 全系 数约 为 3 0 4 。 2 ) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设 计规范 ( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 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( T B 1 0 0 0 2 4 2 00 5 1 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 。 3 0 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 图 6 隧底混凝 土厚度与安全 系数 的关 系曲线 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 4 7 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 4 8 2 ； I I 1 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 5 9 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 3 0 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 级 围岩 不 应 小 于 0 8 r n 。 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 ) ， 为极限抗拉强度。若 取下 限值 ( 0 5 f , ) ， 基底 混凝 土 抗 拉 容 许值 为 1 0 0 M P a ， 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 3 0 t 轴重列 车作用下基底 混凝土每年的损伤度约为 0 2 0 ， 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， 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 3 0 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 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 。 参 考 文 献 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 ， 2 0 0 8 ， 4 5 ( 5 ) ： 2 0 0 8 2 王祥秋 ， 杨林德 ， 高文华 铁路 隧道 提速列 车振动测试 与荷 4 2 铁道建筑 载模 拟 J 振动与 冲击 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) ： 9 9 1 0 2 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 ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 4 ) ： 6 0 6 3 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 ) ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 1 7 1 21 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 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 3 9 4 3 6 中华 人 民共 和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 3 -2 0 0 5 铁路 隧道设 计 规 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 1 0 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 ， 1 9 9 5 8 中华人 民共和 国铁道 部 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 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 ， 2 0 0 5 9 中华人 民共和 国铁道 部 T B 1 0 0 0 2 4 2 O 0 5 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 ， 20 05 I n f l u e n c e o f e x i s t i n g c o n c r e t e t h i c k n e s s o f t u nn e l f l o o r f o r h e a v y h a u l r a i l wa y o n b e a r i n g c a p a c i t y o f t un n e l b o t t o m s t r uc t u r e CHENG J i a n p i n g ( T h e S h u o - Hu a n g Ra i l w a y De v e l o p me n t C o L t d Yu a n p i n g b r a n c h ， Yu a n p i n g S h a n x i 0 3 4 1 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： The e x i s t i n g he a vy ha ul r a il wa y t u nn e l f l o o r c o nc r e t e t hi c k ne s s wa s de t e c t e d by g r o un d p e ne t r a t i ng r a da r a nd f l o o r c o nc r e t e t hi c k ne s s of t e s t s e c t i o n wa s l e s s t ha n t h e de s i g n va l ue Comb i n i ng wi th f i e l d s a mp l i n g t e s t r e s ul t s a nd t r a i n d yna mi c t e s t r e s ul t s， th e i nf l ue nc e o f t unn e l f l o o r c o nc r e t e t hi c k ne s s o n t un ne l bo t t o m s t r uc t u r e s t r e s s wa s a na l y z e d b y bu i l di ng l o a d- s t r uc t ur e pl a ne d y na mi c a n a l ys i s m o de l wi t h ANS YS whe n 3 0 t a xl e l o a d he a v y h a ul t r a i n pa s s e s The a n a l ys i s r e s u l t s s ho we d tha t th e f l oo r c on c r e t e s a f e t y c oe ffi c i e n t i S f r o m s pe c i f i c a t i o n v a l ue 3 t o 2 a nd the r e i S s o me s a f e t y r e s e r v e t u n n e 1 f l o o r c o n c r e t e t h i c k n e s s o f V g r a d e s u r r o u n d i n g r o c k z o n e i n d e mo n s t r a t i o n s e c t i o n wi l 1 n o t b e 1 e s s t h a n 0 5 m a n d c o n c r e t e t h i c k n e s s o f I V gra d e s u r r o u n d i n g r o c k z o n e wi l l n o t b e l e s s tha n 0 4 m b y c on s i d e r i ng t he s i z e r e q u i r e m e nt s o f t u nne l s t r uc t u r e Th e r e f o r e th e i n s u ffi c i e nt c o nc r e t e t h i c k ne s s of tunn e l f l o or s ho ul d be t i m e l y r e i n f o r c e d i n o r de r t o g ua r a nt e e t he s a f e t y o f t r a i n o pe r a t i o n Ke y wor ds ： H e a vy ha ul r a i l wa y t u nn e l ； Tun ne l bo t t o m s t r uc t u r e； Co nc r e t e t hi c kn e s s ； S a f e t y c o e ffi c i e nt ( 责任 审编 李付军) 编写摘 要注意事项 1 ) 摘要 中应排除本 学科领域 已成为常识的 内容 ； 切 忌把应 在 引 言 中出现 的 内容 写入 摘 要 ； 一 般 也 不要 对论 文 内容作 诠释 和评 论 ( 尤其是 自我 评价 ) 。 2 ) 不得 简单 重复题 名 中已有 的信 息 。 3 ) 结构严谨 ， 表达 简明 ， 语义确切 。先写什 么， 后 写什 么 ， 要 按 逻辑 顺序 来安排 。句子之 间要 上 下连 贯 ， 互相 呼 应 。摘 要 慎 用 长 句 ， 句型应 力求 简单 。每 句话 要表 意明 白 ， 无 空 泛、 笼 统 、 含 混之 词 。摘 要 是 一 篇 完 整 的短 文 ， 不分段 。 4 ) 用 第三人 称 。建议 采 用“ 对 进 行 了研 究” 、 “ 报 告 了现 状” 、 “ 进行 了调 查 ” 等记 述 方 法标 明一 次文 献的 性质 和文 献 主题 ， 不 必使 用 “ 本 文” 、 “ 作 者” 等 作 为主语 。 5) 要使 用规 范化 的 名词 术语 ， 不 用 非公 知 公 用的 符 号和 术语 。新 术语 或 尚无合 适 汉 文术 语 的 ， 可 用原 文 或译 出后加 括 号注 明原 文。 6 ) 除 了 实在 无 法 变通 以 外 ， 一般 不 用 数 学公 式 ， 不 出现插 图 、 表格 。 7) 不用 引文 ， 除非 该 文 献证 实或 否 定 了他 人 已 出 版 的著 作 。 8 ) 缩略 语 、 略 称 、 代 号 ， 除 了相 邻 专 业 的读 者也 能 清楚理 解 的 以外 ， 在 首 次 出现 时必 须加 以说 明。 9 ) 科技书刊编排 时应注意的其他事项， 如 采用法 定计 量单位 、 正确使 用语 言 文字和 标 点符 号等 。 本 刊 编 辑 部