列車振動荷載作用下地層動力響應(yīng)分析

1、列車振動荷載作用下地層動力響應(yīng)分析高玄濤（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043）摘要：文章以某隧道下穿高速鐵路項目為背景，隧道下穿高速鐵路施工為特級風(fēng)險源，對地層沉降要求極為嚴(yán)格。對隧道下穿施工期間，在列車振動荷載作用下產(chǎn)生的地層動力響應(yīng)進行了三維數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，下穿隧道與高鐵路基交叉點處為該工程薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計與施工過程中需對此處采取加強措施，以保證施工安全及不影響列車正常運行。關(guān)鍵詞：下穿隧道振動荷載 數(shù)值模擬動力響應(yīng)Analysis of DynamicProperties of the Soil Induced by theVibration Load

2、 ofTrainsWhen the Undercrossing Tunnel Was Excavated to Different LocationsGao Xuan tao(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xian 710043,China)Abstract: The article was based on the engineering of a tunnel beneath a high-speed railway, the construction of the tunnel was a premi

3、um source of hazard, so the settlement of the strata was limited strictly. In this paper, the dynamic response of strata under the dynamic train loads during the construction of the tunnel beneath existing railway was computed by means of digital simulation. The simulation results indicate thatthe c

4、rossing point of the tunnel and the high-speed railways roadbed was the weakness, some measurements should be taken to ensure the safety of the construction and the normal operation of the existing high-speed railways. Key words:undercrossing tunnelvibration loaddigital simulationdynamic response近年來

5、，我國軌道交通得到大力發(fā)展。隨著我國軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，近接工程數(shù)量越來越多，施工難度也越來越大。特別是隧道下穿高速鐵路施工時，不可避免地對周圍土體產(chǎn)生擾動，引起周圍地層損失及路基沉降，造成高速鐵路軌道的縱、橫向不平順，從而影響列車的運營安全。本文以某隧道下穿高速鐵路項目為研究背景，主要采用數(shù)值模擬的方法對下穿隧道施工至不同位置時列車動載作用下地層動力響應(yīng)進行研究分析，為下穿隧道施工提供理論指導(dǎo)。1 工程概況該隧道下穿高速鐵路A（即將投入運營）、客運專線B（已運營）、客運專線C（在建）段，需與在建的工程同步完成施工。隧道全長300m，隧道內(nèi)為單面坡，隧道開挖拱頂?shù)缴喜胯F路軌頂面最大埋深約2m

6、。隧道下穿段與地表高速鐵路A、客運專線B及客運專線C在平面位置上呈斜交，斜交角度約30。高速鐵路A本段地基采用CFG樁加固, 樁徑，樁長，樁底標(biāo)高約，樁端一般進入強風(fēng)化層不少于，樁間距，按正方形布置，樁頂設(shè)擴大樁頭，樁頂設(shè)厚墊層（厚中粗砂+厚碎石）,墊層內(nèi)鋪設(shè)二層雙向經(jīng)編高強土工格柵；土工格柵極限抗拉強度不小于100kN/m。地基表層挖除換填厚C組填料后再打樁。客運專線B地基采用CFG樁加固, 樁徑，樁長9.5，CFG樁樁端進入硬層不少于；樁間距，按正方形布置，樁頂設(shè)直徑為擴大樁頭；樁頂設(shè)厚墊層（厚中粗砂+厚碎石）,墊層內(nèi)鋪設(shè)二層雙向經(jīng)編高強土工格柵；土工格柵極限抗拉強度不小于100kN/m。

7、地基表層挖除換填厚C組填料后再打樁。客運專線C本段地基采用CFG樁加固, 樁徑，樁間距，樁長9.0m（樁長嵌入全風(fēng)化層內(nèi)不小于），按正三角形布置。CFG樁樁頂采用1mx1m擴大樁頭，樁頂設(shè)厚碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)1層雙向經(jīng)編土工格柵，土工格柵抗拉強度不小于250kN/m。下穿隧道與地表線路路基相對位置及縱斷面圖分別見圖1、圖2。2地質(zhì)概況隧道處地貌為秦淮河及其階地、崗地、坳谷以及剝蝕丘陵，隧道洞身位于第四系地層中。根據(jù)地質(zhì)資料揭露，上部為人工填土，25m，下部為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土層，硬塑，厚度05m，具有弱膨脹性，下伏基巖為白堊系砂巖或侏羅系凝灰?guī)r、砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，全風(fēng)化弱風(fēng)化，地下水主

8、要賦存于土層與風(fēng)化層、強風(fēng)化與弱風(fēng)化層間及巖層裂隙內(nèi)，水量較豐富。隧道拱頂以上03m范圍為弱風(fēng)化巖，隧道所處地質(zhì)根據(jù)圍巖情況判定為級，根據(jù)隧道穿越地段地表建筑物的重要性及地下水情況，將隧道按為V級型式加強支護。如圖3所示。圖1工程平面位置（單位：m）圖2 工程縱斷面（單位：m）圖3 地質(zhì)柱狀圖（單位：m）3動力分析本構(gòu)模型土的動力本構(gòu)關(guān)系是極其復(fù)雜的，它在不同的荷載條件、土性條件下會表現(xiàn)出極不相同的動力本構(gòu)特性。目前具體建立的動力本構(gòu)模型已達(dá)數(shù)十種，大致可以分為線彈性模型、黏彈性模型、彈塑性模型、邊界面模型、內(nèi)時模型等。根據(jù)彈塑性理論，土體變形可以分為彈性變形和塑性變形兩部分，其中彈性變形可以

9、應(yīng)用廣義胡克定計算，塑性變形可以應(yīng)用塑性增量理論計算。塑性增量理論包含3個基本要素：屈服準(zhǔn)則、流動法則和硬化定律，分別規(guī)定了塑性應(yīng)變增量的產(chǎn)生條件、方向和大小。目前基于不同的基本要素已經(jīng)提出了多種彈塑性本構(gòu)模型，如Drucker-Prager模型、多重屈服面模型（Nested Surfaces Model）、邊界面模型（Bounding Surfaces Model）等。事實上，目前還沒有一種本構(gòu)模型能夠模擬各種情況下土的動力非線性特征，并具有實際應(yīng)用中必要的簡單性。因此針對具體的問題應(yīng)該選擇合理而簡單的本構(gòu)模型。ABAQUS是國際上最先進的大型非線性有限元計算分析軟件之一，具有強健的非線性計

10、算功能。其提供的非線性模型有Mohr-Coulomb模型、擴展的Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager帽蓋模型、（修正）劍橋模型。其中Mohr-Coulomb模型在巖土工程中應(yīng)用最廣泛，模擬結(jié)果與實際也較為吻合。因此計算中采用Mohr-Coulomb模型。4 有限元計算模型的建立采用三維有限元模型進行計算。根據(jù)工程實際及圣維南原理進行建模，隧道頂部以上覆土為，隧道底部以下為，左右邊界分別離隧道中線50m，縱向延伸50m。通過ABAQUS程序建立的計算分析模型如Error! Reference source not found.所示。圖4 下穿隧道計算分析模型4.1本

11、構(gòu)模型土體的非線性本構(gòu)模型：采用了彈塑性物理模型。襯砌單元采用強度等級為C35的鋼筋混凝土，計算時采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型并將混凝土與鋼筋合為一體考慮。為了建模及劃分網(wǎng)格方便，將計算區(qū)域不同地層簡化為同一地層，土體參數(shù)進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。根據(jù)下穿隧道段地質(zhì)勘察資料，計算過程中土體的材料參數(shù)取值如表所示。表1材料物理力學(xué)參數(shù)地層彈性模量/MPa泊松比/u密度/kgm-3黏結(jié)力/Pa內(nèi)摩擦角/ ()地層8020500.4E+525高鐵路基2700.32250E+538軌道板3.5E+40.16728504.2 邊界條件本工程通過對固定邊界、黏性邊界條件及無限元邊界條件進行計算比較分析，計算結(jié)

12、果相差不大，一方面是由于列車振動荷載不是很大，另一方面模型選取的比較大，列車振動荷載傳至邊界處時已衰減較多。而從計算所需時間上看，固定邊界所需時間要少，故選用固定邊界進行計算。固定邊界條件：土層底部完全固定；左右兩側(cè)面限制水平方向的位移，豎向自由；前后兩面限制軸線方向的位移，豎向自由；地面完全自由。5動力計算及結(jié)果分析 本文針對無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點，采用彈性地基梁板模型分析了CRTS型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，給出了CRTS型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在CRH2列車以時速350km經(jīng)過時軌下壓力時程曲線，確定了列車振過程中的激勵荷載。如圖5所示。圖5 列車輪軌激振力時程曲線本文主要計算了隧道開挖到不同位置

13、時列車以時速350km通過，研究地層動力響應(yīng)。計算過程中分別在地層表面、地層不同深度處及隧道拱頂設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測該處位移變化情況。5.1地層表面監(jiān)測點位移分析隧道分別開挖至15m、25m和35m時，施加列車振動荷載，地層表面各監(jiān)測點在列車動載作用下的豎向位移時程曲線如圖6所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動載地表監(jiān)測點位移時程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動載地表監(jiān)測點位移時程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動載地表監(jiān)測點位移時程曲線圖6 隧道開挖至不同位置時施加動載地表監(jiān)測點位移時程曲線隧道開挖至不同位置施加動載地表監(jiān)測點最大豎向位移如表2所示。表2地表監(jiān)測點最大豎向位移監(jiān)測點最大豎

14、向位移/mm隧道開挖至15m施加動載隧道開挖至25m施加動載隧道開挖至35m施加動載z=15m處監(jiān)測點z=25m處監(jiān)測點z=35m處監(jiān)測點通過對隧道開挖至不同部位施加動載地表監(jiān)測點位移時程曲線及最大位移值分析可知：（1）在單次列車動載作用下地表監(jiān)測點產(chǎn)生的豎向位移值與隧道開挖引起的沉降量相比很小，可以忽略不計（隧道開挖引起的最大沉降量為2.7mm）。但是根據(jù)國內(nèi)外工程實際在長期高速列車振動荷載的作用下，地層產(chǎn)生的沉降量是不能忽視的。（2）隨著一組組車輪的滾過，監(jiān)測點位移時程曲線具有明顯的車輪滾過效應(yīng)；當(dāng)車輪壓在監(jiān)測點時，該監(jiān)測點出現(xiàn)位移峰值，車輪離開監(jiān)測點后，位移逐漸減?。划?dāng)列車駛離后，位移逐

15、漸回彈恢復(fù)。（3）當(dāng)?shù)谝还?jié)車廂經(jīng)過時，z=15m處監(jiān)測點產(chǎn)生的位移最大；隨后，z=25m處即下穿隧道與高鐵路基交叉點處監(jiān)測點位移最大，因此，在設(shè)計與施工時要注意對下穿隧道與高鐵路基交叉部分加強支護。（4）隧道中點前監(jiān)測點隨著隧道開挖的不斷進行，施加動載產(chǎn)生的位移值在逐漸減??；隧道中點及中點后監(jiān)測點則隨著隧道開挖的不斷進行，施加動載產(chǎn)生的位移值在不斷增大。5.2隧道拱頂監(jiān)測點位移分析隧道分別開挖至15m、25m和35m時，施加列車振動荷載，隧道拱頂各監(jiān)測點在列車動載作用下的豎向位移時程曲線如圖7所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動載隧道拱頂監(jiān)測點位移時程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動載隧

16、道拱頂監(jiān)測點位移時程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動載隧道拱頂監(jiān)測點位移時程曲線圖7 隧道開挖至不同位置時施加動載隧道拱頂監(jiān)測點位移時程曲線隧道開挖至不同位置施加動載隧道拱頂監(jiān)測點最大豎向位移值如表3所示。表3拱頂監(jiān)測點最大位移值監(jiān)測點最大沉降值/mm隧道開挖至15m施加動載隧道開挖至25m施加動載隧道開挖至35m施加動載z=15m處監(jiān)測點z=25m處監(jiān)測點z=35m處監(jiān)測點通過對隧道開挖至不同部位施加動載隧道拱頂監(jiān)測點位移時程曲線及最大位移值分析可知：（1）隧道拱頂位移時程曲線表現(xiàn)出和地表位移時程曲線同樣的特性；（2）隧道開挖至某一處施加動載，該處拱頂產(chǎn)生的位移值最大，因此，隧道開挖后，

17、特別是上臺階開挖后，要及時施加支護；（3）隨著開挖的不斷推進，開挖面即掌子面處拱頂位移值在不斷增大。5.3地層不同深度監(jiān)測點位移分析為研究在列車動載作用下，地層不同深度處動力反應(yīng)，取隧道開挖面即掌子面處地層不同深度監(jiān)測點來進行研究，監(jiān)測點布置如圖8所示。隧道開挖至不同位置時施加動載，在動載作用下各監(jiān)測點的位移時程曲線如圖9所示。圖8不同深度監(jiān)測點分布示意(1) 隧道開挖至15m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點位移時程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點位移時程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點位移時程曲線圖9 隧道開挖至不同位置時施加動載地層不同深度監(jiān)測點

18、位移時程曲線隧道開挖至不同位置施加動載地層不同深度監(jiān)測點最大位移值如表4所示。表4地層不同深度監(jiān)測點最大位移值監(jiān)測點最大位移值/mm隧道開挖至15m施加動載隧道開挖至25m施加動載隧道開挖至35m施加動載監(jiān)測點1監(jiān)測點2監(jiān)測點3監(jiān)測點4監(jiān)測點5監(jiān)測點6通過對隧道開挖至不同部位施加動載地層不同深度監(jiān)測點位移時程曲線及最大位移值分析可知：（1）隨著地層深度的增加，在動載作用下產(chǎn)生的位移不斷減小，地表處監(jiān)測點位移最大，隧道拱頂處位移最小。這說明振動荷載在地層中傳播時，由于地層阻尼等因素使振動波能量不斷減小。（2）地層動力響應(yīng)從地表到隧道拱頂衰減速度逐漸減小。（3）隧道開挖至25m處施加動載，地層不同

19、深度各監(jiān)測點的位移值較大。5.4地層應(yīng)力響應(yīng)分析為分析在列車通過時地層的豎向應(yīng)力變化情況，在地層不同深度布置監(jiān)測點，如圖8所示，監(jiān)測點位于隧道開挖斷面處即掌子面處。通過對地層監(jiān)測點進行監(jiān)測分析，得到不同深度處地層在列車振動荷載作用下的豎向應(yīng)力時程曲線，如圖10所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力時程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力時程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力時程曲線圖10 隧道開挖至不同位置時施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力時程曲線注：監(jiān)測點從地表到隧道拱頂編號依次為監(jiān)測點16。隧道開挖至不同位置施加動載地

20、層不同深度監(jiān)測點最大應(yīng)力值如表5所示。表5 隧道開挖至不同位置施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力最大值監(jiān)測點最大豎向應(yīng)力值/Pa隧道開挖至15m施加動載隧道開挖至25m施加動載隧道開挖至35m施加動載監(jiān)測點1-1250-973-924監(jiān)測點2-1111-930-856監(jiān)測點3-947-833-751監(jiān)測點4-799-720-651監(jiān)測點5-658-606-557監(jiān)測點6-327-360-368通過對隧道開挖至不同部位施加動載地層不同深度監(jiān)測點應(yīng)力時程曲線及應(yīng)力最大值分析可知：（1）隨著地層深度的增加，在動載作用下產(chǎn)生的豎向應(yīng)力不斷減小，地表處監(jiān)測點沉降最大，隧道拱頂處沉降最小。這說明振動荷載在地層中傳播時，由于地層阻尼等因素使振動波能量不斷減小。（2）地層動力響應(yīng)從地表到隧道拱頂衰減速度逐漸減小，但是隧道拱頂附近衰減較快，這主要可能是由于隧道拱頂?shù)膲毫靶?yīng)造成的。（3）隨著隧道開挖的不斷推進，開挖面即掌子面處不同深度地層在列車動載作用下的豎向應(yīng)力在不斷減小，這主要是因為隧道開挖深度越深，高鐵路基與下穿隧道交叉處的“臨空面”面積不斷增加，地層在列車動載作用下向隧道凈空發(fā)生位移，使應(yīng)力在一定程度上釋放。6結(jié)論通過對隧道施工至不同位置時列車以時速350km通過，研究地表及地層不同位置處位移值的變化，結(jié)論如下: