围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响.pdf

收稿日期:20221014基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(52108378);河北省自然科学基金资助项目(E2020210068);中国科协青年人才托举工程资助项目(2021QNRC001)。作者简介:张亚辉(1989),男,2015 年毕业于石家庄铁道大学市政工程专业,工学硕士,讲师,E-mail:zhangyahui19891020 。文章编号:16727479(2023)04013507围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响张亚辉1 安 洋1 郭唯伟2 宋玉香3(1.河北城乡建设学校,石家庄 050031;2.河北省电力勘测设计研究院,石家庄 050031;3.石家庄铁道大学,石家庄 050043)摘 要:以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从 0 增大到 20 cm 时,拱顶的位移峰值增大了近 3 倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的 1.62 m/s-2增加到 3.49 m/s-2,此时结构已处于不稳定状态。关键词:重载铁路;隧道;动力荷载;围岩空洞;动力响应;列车振动中图分类号:U451;U239.4 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202210140001开放科学(资源服务)标识码(OSID):Influence of Surrounding Rock Voids on the Dynamic Stability of Heavy-haul Railway TunnelsZHANG Yahui1 AN Yang1 GUO Weiwei2 SONG Yuxiang3(1.Hebei Urban&Rural Construction School,Shijiazhuang 050031,China;2.Hebei Electric Power Design&Research Institute,Shijiazhuang 050031,China;3.Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)Abstract:This paper took Wanrong Tunnel of Haolebaoji-Jinan Railway as the research object,based on various parameters such as length,height and distribution range of the surrounding rock arch cavity,the dynamic response characteristics of the tunnel and the tunnel lining stress were studied.On the basis of analyzing the mechanism and the method of applying train dynamic loads,a vehicle track tunnel dynamic finite element model was established to calculate the effects of different cavity parameters on tunnel displacement,acceleration,and lining principal stress under the action of train loads.Research shows that cavities exacerbate the vibration response of various parts of the tunnel,with the dynamic response of the arch changing the most.When the height of the cavity increases from 0 to 20 cm,the peak displacement of the arch increases by nearly three times,while the displacement of the inverted arch is the smallest.The cavity also changes the stress state of the lining concrete(from compression to tension),which is extremely unfavorable for the concrete material.As the range of voids continues to increase,the impact of dynamic loads on the arch increases.The peak acceleration of the arch increases from 1.62 m/s-2 without voids to 3.49 m/s-2,indicating that the structure is already 531围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响:张亚辉 安 洋 郭唯伟等in an unstable state.Key words:heavy-haul railway;tunnel;dynamic load;surrounding rock cavity;response spectrum;train vibration引言截止 2020 年,我国的重载铁路长度已达 1.9 万km。其中,长大隧道、特殊地质隧道群往往是重载铁路的控制性工程,而由于隧道围岩空洞所引起的事故以及运营问题,严重影响了隧道的稳定性与安全性,这使得隧道围岩的空洞与缺陷在近年来受到越来越多的关注。黎念东通过研究,发现高速铁路隧道衬砌背后空洞不仅是威胁隧道结构安全的重要因素,更是造成衬砌结构开裂最主要的原因1;丁謇等认为,围岩空洞情形衬砌结构的空洞处截面出现拉应力,致使衬砌结构出现损伤,从而对隧道衬砌结构力学性能存在较大影响2。相关资料显示,我国运营中所发生的隧道安全事故,其主要原因多为隧道衬砌与围岩之间存在缺陷而引起的顶部混凝土掉块3-4,围岩空洞缺陷产生的系列病害见图 1。图 1 围岩空洞缺陷产生的系列病害不难看出,隧道衬砌与围岩的空洞缺陷的存在会弱化围岩的稳定性,恶化衬砌结构的受力力学性能,从而造成衬砌裂缝、漏水、掉块等,最终影响列车的安全运行。以下重点研究探讨围岩空洞缺陷对于重载铁路隧道动力响应方面的影响。1 围岩空洞形态规律统计分析围岩空洞缺陷存在着很大的随机性,包括空洞的大小、空洞的位置等。搜集 88 座不同围岩级别下的重载铁路隧道无损检测结果并进行统计分析,共得到1 296 处围岩与衬砌之间的空洞状态数据。其中,级围岩有 121 处,占空洞缺陷总数的 9.4%;级围岩有663 处,占空洞缺陷总数的 51.1%;级围岩(含a、b)有 512 处,占空洞缺陷总数的 39.4%。衬砌背后空洞缺陷与围岩级别对应关系比例见图 2。图 2 空洞缺陷与围岩级别比例对照隧道拱顶、拱腰、拱脚、边墙、仰拱位置处,空洞缺陷出现的数量以及密度分布规律见表 1。表 1 不同位置空洞分布数量与比例项目拱顶拱腰拱脚墙脚仰拱数量/处74217415014387比例/%57.213.411.6116.8由表 1 可知,拱顶与拱腰位置的空洞缺陷数量共计 1 246 处,占总数的 95.5%。由此可见,空洞缺陷主要出现在隧道的拱顶与拱腰部位,以下主要研究拱顶部位空洞引起的动力响应变化。在统计数据中,发现围岩空洞缺陷高度 20 cm、空洞分布范围 60为围岩空洞缺陷的 2 个临界线,若其中 1 个超限,隧道的整体稳定性会发生本质性改变,故在进行空洞尺寸工况分类时,以 20 cm、60作为工况的上限值5-6。2 列车荷载作用机理在进行重载铁路隧道振动响应分析中,列车荷载的施加有 3 种方法:换算土柱法、现场实测荷载法、人工施加激励法。采用大型有限元软件建立车辆-无砟轨道耦合动力模型,利用施加人工激励的方式模拟列车振动荷载7-8。通过对大量采集到的列车动力荷载进行分析与研究,得到了关于列车荷载的激励函数,用该函数模拟轮轨系统的竖向相互作用力,该作用力由低频、中频、高频 3 个频率段构成9。由此 3 种频率组成的函数可以较好反映轮轨之间的作用力,有F(t)=P0+P1sin(1t)+P2sin(2t)+P3sin(3t)(1)631铁 道 勘 察2023 年第 4 期 式中,P0为车辆的自重(静载);P1、P2、P3三类振动荷载,其表达式为Pi=M0i2vLi()2(2)式中,M0为列车簧下结构质量;i为对应表 2 中,在 3 种不同的状态下的振动矢量;vi为列车的运行速度;Li为对应表 2 中,在 3 种不平顺状态下的振动波长。表 2 英国铁路管理控制值(车速 200 km/h)控制变量行车线路不平顺线路上作用的附加荷载轨道磨损附加的荷载振动波波长/m正矢量值/mm501620910552.520.610.30.50.10.050.005轴重采用典型的重载铁路列车轴重(27 t),簧下质量为 750 kg,根据 TB106252017重载铁路设计规范规定,列车振动荷载取值见表 3。表 3 列车荷载模拟具体参数控制变量振动波波长/m正矢量值/mm行车线路不平顺103线路上作用的附加荷载20.3轨道磨损附加的荷载0.50.0053 三维有限元模型的建立与工况划分3.1 三维模型的建立浩吉铁路万荣隧道是控制整个铁路建设进度的重要工程。全长 7 683 m,隧道的最大埋深为 89 m,断面面积为 65 m2。其中,97%以上穿越新黄土、粉细砂地层,围岩级别为 5 级,由于粉细砂地层黏聚性低,在开挖过程中极易引发塌方、漏砂等灾害;开挖后临空面承载力低,极易发生突发性的坍塌现象;支护后容易引发初支开裂、大变形、塌方等灾害,安全风险极大,浩吉铁路万荣隧道断面见图 3。利用大型有限元软件 ANSYS 建立车辆-无砟轨道耦合动力模型(见图 5)。模型中,横向、竖向、纵向的尺寸分别为 100,100,50 m。模型的水平两端施加水平约束,初支与二次衬砌均采用 Shell63 单元类型进行模拟。在计算分析时,围岩按照弹塑性材料进行考虑,且满足 Mohr-Coulomb 准则。隧道周边的围岩采用Solide45 实体单元进行模拟10-11。万荣隧道的围岩基本物理力学参数与衬砌结构弹图 3 浩吉铁路万荣隧道横断面(单位:cm)性力学参数分别见表 4、表 5。表 4 围岩物理力学指标围岩级别重度/(kNm-3)变形模量E/GPa泊松比 内摩擦角/()黏聚力c/MPa级19.51.50.3230.125表 5 衬砌等结构弹性力学参数结构名称材料类型重度/(kNm-3)变形模量 E/GPa泊松比 内摩擦角/()黏聚力c/MPa初期支护C25 混凝土23280.24612.8二次衬砌 C35 钢筋混凝土26310.24613.6仰拱填充C25 混凝土23260.24612.8为了更加直观地进行工况对比分析,对隧道断面的 4 个控制点 A、B、C、D 结果进行动力响应的对比分析。4 个控制点的位置见图 4。图 4 万荣隧道典型断面监测点设置示意3.2 施加列车动力荷载将式(1)中的激励荷载直接作用于钢轨,列车以120 km/h 的速度经过,提取瞬态钢轨受到的压力,以此作为列车对隧道基底结构的动力荷载。在列车荷载的作用下产生的钢轨压力时程曲线见图 512-15。731围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响:张亚辉 安 洋 郭唯伟等3.3 工况划分依托浩吉铁路隧道万荣隧道典型断面,主要考虑在拱顶位置存在空洞纵向长度 4 m(定量)、径向高度为520 cm、环向范围1060进行工况划分16-20。其中,空洞缺陷形状尺寸示意见图 6。工况分类见表 6。图 5 弹性地基梁模型简化示意图 6 空洞位置示意表 6 计算工况围岩级别级空洞环向范围/()102030405060纵向长度/m4空洞径向高度/cm5101520510152051015205101520510152051015204 计算结果4.1 空洞高度对衬砌内力的影响将人工激励加载至基底部分,得到衬砌的轴力与弯矩,仅列举典型工况(长度 4 m。空洞洞角度 30)条件下的计算结果。各条件下衬砌内力结果见图 7 图 11。由图 7图 11 可知,当衬砌与围岩之间不存在空洞缺陷时,由于两者密贴、接触良好,衬砌的轴力从拱顶到拱脚逐渐增大,最大处即在两边拱脚处;弯矩特征是靠近围岩一侧(外侧)受压、远离围岩一侧(内侧)受拉,拱部与墙脚的弯矩值较小,且均为正弯矩。一旦围岩与衬砌之间存在空洞时,轴力与弯矩分别在极值大小与受力分布特征上发生改变。图 7 无空洞时衬砌结构内力图 8 空洞高度 5 cm 时衬砌结构内力图 9 空洞高度 10 cm 时衬砌结构内力图 10 空洞高度 15 cm 时衬砌结构内力图 11 空洞高度 20 cm 时衬砌结构内力831铁 道 勘 察2023 年第 4 期当空洞高度为 20 cm 时,拱脚位置轴力为各工况最低,为 200.13 kN;弯矩在靠近围岩一侧(外侧)受拉、远离围岩一侧(内侧)受压,拱部与两侧边墙的弯矩值相对较小,且均变为了负弯矩。无空洞条件下以及在各空洞高度不同的工况条件下,各关键控制点处衬砌的安全系数对比见图 12。图 12 无空洞及各工况下隧道控制点衬砌安全系数由图 12 可知,无空洞时各监测点的安全系数满足规范要求,但是由于空洞的存在改变了结构的受力特性,使得衬砌在拱部位置安全系数明显减小。当空洞高度超过 10 cm 后,安全系数已将降至 1 以下,此时的衬砌混凝土已无法正常工作,此时的隧道已经进入不稳定状态。4.2 空洞高度对衬砌竖向位移的影响重载列车以 120 km/h 速度通过万荣隧道时,衬砌各部位在不同空洞高度工况下竖向位移峰值见表 7,各监测点动力响应位移峰值随空洞高度变化曲线见图 13。图 13 不同空洞高度隧道监测点竖向位移峰值曲线通过图 13 以及表 7 可知,空洞的存在,加剧隧道各部位的振动响应,列车荷载作用下隧道整体有竖向移动的趋势,而且随着空洞高度的不断增加拱顶的位移峰值变化最大,即由无空洞时的 0.11 cm 增大至20 cm 时的 0.43 cm,增大幅度近 3 倍;其与监测点的位移峰值变化较小。表 7 衬砌各截面位移峰值cm空洞高度/cm衬砌位置拱顶 A拱腰 B拱脚 C仰拱中心 D00.110.270.31-0.5050.210.280.36-0.52100.240.270.36-0.51150.350.290.36-0.57200.430.290.38-0.574.3 空洞高度对衬砌加速度影响计算结果重载列车以 120 km/h 速度通过万荣隧道时,衬砌各部位在不同空洞高度工况下加速度峰值见表 8,各部位动力响应加速度峰值随空洞高度变化曲线见图 14。图 14 不同空洞高度隧道各关键点加速度峰值曲线表 8 衬砌各截面加速度峰值ms-2空洞角度/()衬砌位置拱顶 A拱腰 B拱脚 C仰拱中心 D0-1.60-2.61-2.75-5.915-2.35-2.69-2.76-5.9110-2.56-2.72-2.81-5.9115-2.71-2.75-2.80-5.9120-3.31-2.75-2.78-5.91 由图 14、表 8 可知,在围岩与衬砌之间密贴时,各个监测点处的加速度时程曲线规律比较相似,空洞的存在并没有改变时程曲线的基本规律,只是在列车荷载作用时间内段内拱顶与拱腰的振幅增大,仰拱和边墙的加速度时程变化不明显。其中,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的 1.60 ms-2增加到了空洞高度为20 cm 时的 3.31 ms-2。931围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响:张亚辉 安 洋 郭唯伟等4.4 空洞范围的影响计算结果在 27 t 轴重作用下,研究围岩与衬砌之间空洞的范围对于衬砌结构动力响应规律(位移与加速度峰值),动力荷载作用时间为 2 s。空洞高度 10 cm,长度4 m,范围为 15、30、45、60进行分工况计算。最终位移峰值计算结果见表 9、图 15,加速度峰值见表 10、图 16。表 9 衬砌各截面位移峰值cm空洞角度/()衬砌位置拱顶 A拱腰 B拱脚 C仰拱中心 D00.210.240.32-0.46150.220.280.35-0.50300.240.270.36-0.51450.460.290.38-0.52600.780.300.39-0.52图 15 不同空洞范围隧道监测点竖向位移峰值曲线表 10 衬砌各截面加速度峰值ms-2空洞高度/cm衬砌位置拱顶 A拱腰 B拱脚 C仰拱中心 D0-1.62-2.63-2.82-5.9215-2.11-2.66-2.81-5.9430-2.56-2.72-2.81-5.9145-2.87-2.77-2.81-5.9260-3.49-2.94-2.76-5.92图 16 不同空洞范围隧道监测点及速度峰值曲线通过以上分析可知,随着拱部空洞范围增大,列车荷载作用下,衬砌的竖向位移均有所增加,加速度振动规律也与之相似,仅在列车振动荷载作用时间内有短暂变化。但当拱顶位置的竖向位移在空洞范围为 60时,拱顶位移极值达 0.78 cm,相对于仰拱之间的距离减小了 0.26 cm(隧道的收敛变形),在工程实际中应引起足够的重视,而拱顶的加速度峰值由无空洞状态的 1.62 ms-2增加到 3.49 ms-2(空洞高度为 20cm),增幅明显。5 结论(1)衬砌与围岩之间的空洞对衬砌轴力影响较小,轴力变化规律与分布特征与无空洞时相似,即从拱顶到拱脚逐渐增大,最大在两边拱脚处;空洞改变了拱顶混凝土的受力特征,无空洞时内衬混凝土受拉,有空洞时则变成受拉,这对于衬砌而言比较危险。(2)空洞的存在使衬砌在拱部位置安全系数明显减小,当空洞高度超过 10 cm 后,安全系数已将降至1 以下,此时的衬砌混凝土已无法正常工作,隧道已进入不稳定状态。(3)随着空洞高度与范围的不断增加,拱顶位移峰值由 0.11 mm 增大至空洞高度为 20 cm 时的0.43 mm,在空洞范围为 60时,拱顶位移极值达到了0.78 cm,隧道竖向收敛值达到了 0.27 cm;位移加速度峰值达 3.49 ms-2,结构此时已处于不稳定状态。参考文献1 黎念东.动力荷载对波形钢腹板连续梁桥应力影响研究J.工程建设,2022,54(2):14-20.LI Niandong.Influence Study of Dynamic Load on Continuous Beam Bridge of Corrugated Steel WebJ.Engineering Construction,2022,54(2):14-20.2 丁謇,刘伯成,莫振泽,等.围岩空洞分布对隧道衬砌结构力学性能影响研究J.南京工程学院学报(自然科学版),2019,17(2):25-28.DING Jian,LIU Bocheng,MO Zhenze,et al.Study on the Influence of Surrounding Rock Void Distribution on Mechanical Properties of Tunnel Lining Structure J.Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition),2019,17(2):25-28.3 雷波,漆泰岳,陈小雨,等.背后空洞引起高速铁路隧道衬砌裂缝形态的 FEM 对比分析J.铁道标准设计,2015,59(9):104-108.LEI Bo,QI Taiyue,CHEN Xiaoyu,et al.FEM-based Contrastive Analysis of Lining Cracks Caused by 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