列車振動(dòng)荷載作用下地層動(dòng)力響應(yīng)分析

1、列車振動(dòng)荷載作用下地層動(dòng)力響應(yīng)分析高玄濤（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）摘要：文章以某隧道下穿高速鐵路項(xiàng)目為背景，隧道下穿高速鐵路施工為特級風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的地層動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，下穿隧道與高鐵路基交叉點(diǎn)處為該工程薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)與施工過程中需對此處采取加強(qiáng)措施，以保證施工安全及不影響列車正常運(yùn)行。關(guān)鍵詞：下穿隧道振動(dòng)荷載 數(shù)值模擬動(dòng)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(shí)，不可避免地對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，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(yùn)營安全。本文以某隧道下穿高速鐵路項(xiàng)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(shí)列車動(dòng)載作用下地層動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)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(yùn)營）、客運(yùn)專線B（已運(yùn)營）、客運(yùn)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(yùn)專線B及客運(yùn)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(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層不少于，樁間距，按正方形布置，樁頂設(shè)擴(kuò)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(qiáng)土工格柵；土工格柵極限抗拉強(qiáng)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(yùn)專線B地基采用CFG樁加固, 樁徑，樁長9.5，CFG樁樁端進(jìn)入硬層不少于；樁間距，按正方形布置，樁頂設(shè)直徑為擴(kuò)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(qiáng)土工格柵；土工格柵極限抗拉強(qiáng)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(yùn)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)支護(hù)。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(dòng)力分析本構(gòu)模型土的動(dòng)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(huì)表現(xiàn)出極不相同的動(dòng)力本構(gòu)特性。目前具體建立的動(dòng)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(shí)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(jì)算，塑性變形可以應(yīng)用塑性增量理論計(jì)算。塑性增量理論包含3個(gè)基本要素：屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)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(shí)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(dòng)力非線性特征，并具有實(shí)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(jìn)的大型非線性有限元計(jì)算分析軟件之一，具有強(qiáng)健的非線性計(jì)

10、算功能。其提供的非線性模型有Mohr-Coulomb模型、擴(kuò)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(shí)際也較為吻合。因此計(jì)算中采用Mohr-Coulomb模型。4 有限元計(jì)算模型的建立采用三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工程實(shí)際及圣維南原理進(jìn)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(jì)算分析模型如Error! Reference source not found.所示。圖4 下穿隧道計(jì)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(qiáng)度等級為C35的鋼筋混凝土，計(jì)算時(shí)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(jì)算區(qū)域不同地層簡化為同一地層，土體參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。根據(jù)下穿隧道段地質(zhì)勘察資料，計(jì)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(jìn)行計(jì)算比較分析，計(jì)算結(jié)

12、果相差不大，一方面是由于列車振動(dòng)荷載不是很大，另一方面模型選取的比較大，列車振動(dòng)荷載傳至邊界處時(shí)已衰減較多。而從計(jì)算所需時(shí)間上看，固定邊界所需時(shí)間要少，故選用固定邊界進(jìn)行計(jì)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(dòng)力計(jì)算及結(jié)果分析 本文針對無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(dòng)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(shí)速350km經(jīng)過時(shí)軌下壓力時(shí)程曲線，確定了列車振過程中的激勵(lì)荷載。如圖5所示。圖5 列車輪軌激振力時(shí)程曲線本文主要計(jì)算了隧道開挖到不同位置

13、時(shí)列車以時(shí)速350km通過，研究地層動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)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(diǎn)，監(jiān)測該處位移變化情況。5.1地層表面監(jiān)測點(diǎn)位移分析隧道分別開挖至15m、25m和35m時(shí)，施加列車振動(dòng)荷載，地層表面各監(jiān)測點(diǎn)在列車動(dòng)載作用下的豎向位移時(shí)程曲線如圖6所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖6 隧道開挖至不同位置時(shí)施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線隧道開挖至不同位置施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)最大豎向位移如表2所示。表2地表監(jiān)測點(diǎn)最大豎向位移監(jiān)測點(diǎn)最大豎

14、向位移/mm隧道開挖至15m施加動(dòng)載隧道開挖至25m施加動(dòng)載隧道開挖至35m施加動(dòng)載z=15m處監(jiān)測點(diǎn)z=25m處監(jiān)測點(diǎn)z=35m處監(jiān)測點(diǎn)通過對隧道開挖至不同部位施加動(dòng)載地表監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線及最大位移值分析可知：（1）在單次列車動(dòng)載作用下地表監(jiān)測點(diǎn)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(jì)（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(shí)際在長期高速列車振動(dòng)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(diǎn)位移時(shí)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(diǎn)時(shí)，該監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)位移峰值，車輪離開監(jiān)測點(diǎn)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(shí)，z=15m處監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)處監(jiān)測點(diǎn)位移最大，因此，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)要注意對下穿隧道與高鐵路基交叉部分加強(qiáng)支護(hù)。（4）隧道中點(diǎn)前監(jiān)測點(diǎn)隨著隧道開挖的不斷進(jìn)行，施加動(dòng)載產(chǎn)生的位移值在逐漸減?。凰淼乐悬c(diǎn)及中點(diǎn)后監(jiān)測點(diǎn)則隨著隧道開挖的不斷進(jìn)行，施加動(dòng)載產(chǎn)生的位移值在不斷增大。5.2隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移分析隧道分別開挖至15m、25m和35m時(shí)，施加列車振動(dòng)荷載，隧道拱頂各監(jiān)測點(diǎn)在列車動(dòng)載作用下的豎向位移時(shí)程曲線如圖7所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動(dòng)載隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動(dòng)載隧

16、道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動(dòng)載隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖7 隧道開挖至不同位置時(shí)施加動(dòng)載隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線隧道開挖至不同位置施加動(dòng)載隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)最大豎向位移值如表3所示。表3拱頂監(jiān)測點(diǎn)最大位移值監(jiān)測點(diǎn)最大沉降值/mm隧道開挖至15m施加動(dòng)載隧道開挖至25m施加動(dòng)載隧道開挖至35m施加動(dòng)載z=15m處監(jiān)測點(diǎn)z=25m處監(jiān)測點(diǎn)z=35m處監(jiān)測點(diǎn)通過對隧道開挖至不同部位施加動(dòng)載隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線及最大位移值分析可知：（1）隧道拱頂位移時(shí)程曲線表現(xiàn)出和地表位移時(shí)程曲線同樣的特性；（2）隧道開挖至某一處施加動(dòng)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(tái)階開挖后，要及時(shí)施加支護(hù)；（3）隨著開挖的不斷推進(jìn)，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(diǎn)位移分析為研究在列車動(dòng)載作用下，地層不同深度處動(dòng)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(diǎn)來進(jìn)行研究，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示。隧道開挖至不同位置時(shí)施加動(dòng)載，在動(dòng)載作用下各監(jiān)測點(diǎn)的位移時(shí)程曲線如圖9所示。圖8不同深度監(jiān)測點(diǎn)分布示意(1) 隧道開挖至15m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖9 隧道開挖至不同位置時(shí)施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)

18、位移時(shí)程曲線隧道開挖至不同位置施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)最大位移值如表4所示。表4地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)最大位移值監(jiān)測點(diǎn)最大位移值/mm隧道開挖至15m施加動(dòng)載隧道開挖至25m施加動(dòng)載隧道開挖至35m施加動(dòng)載監(jiān)測點(diǎn)1監(jiān)測點(diǎn)2監(jiān)測點(diǎn)3監(jiān)測點(diǎn)4監(jiān)測點(diǎn)5監(jiān)測點(diǎn)6通過對隧道開挖至不同部位施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)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(dòng)載作用下產(chǎn)生的位移不斷減小，地表處監(jiān)測點(diǎn)位移最大，隧道拱頂處位移最小。這說明振動(dòng)荷載在地層中傳播時(shí)，由于地層阻尼等因素使振動(dòng)波能量不斷減小。（2）地層動(dòng)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(dòng)載，地層不同

19、深度各監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(diǎn)，如圖8所示，監(jiān)測點(diǎn)位于隧道開挖斷面處即掌子面處。通過對地層監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測分析，得到不同深度處地層在列車振動(dòng)荷載作用下的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖10所示。(1) 隧道開挖至15m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線(2) 隧道開挖至25m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線(3) 隧道開挖至35m處施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線圖10 隧道開挖至不同位置時(shí)施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線注：監(jiān)測點(diǎn)從地表到隧道拱頂編號依次為監(jiān)測點(diǎn)16。隧道開挖至不同位置施加動(dòng)載地

20、層不同深度監(jiān)測點(diǎn)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(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力最大值監(jiān)測點(diǎn)最大豎向應(yīng)力值/Pa隧道開挖至15m施加動(dòng)載隧道開挖至25m施加動(dòng)載隧道開挖至35m施加動(dòng)載監(jiān)測點(diǎn)1-1250-973-924監(jiān)測點(diǎn)2-1111-930-856監(jiān)測點(diǎn)3-947-833-751監(jiān)測點(diǎn)4-799-720-651監(jiān)測點(diǎn)5-658-606-557監(jiān)測點(diǎn)6-327-360-368通過對隧道開挖至不同部位施加動(dòng)載地層不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)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(dòng)載作用下產(chǎn)生的豎向應(yīng)力不斷減小，地表處監(jiān)測點(diǎn)沉降最大，隧道拱頂處沉降最小。這說明振動(dòng)荷載在地層中傳播時(shí)，由于地層阻尼等因素使振動(dòng)波能量不斷減小。（2）地層動(dòng)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(jìn)，開挖面即掌子面處不同深度地層在列車動(dòng)載作用下的豎向應(yīng)力在不斷減小，這主要是因?yàn)樗淼篱_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(dòng)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(shí)列車以時(shí)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: