30t轴重重载列车作用下隧底脱空对基底结构受力的影响.pdf

铁道建筑
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Railway Engineering
April 2015
文章编号:1003-1995(2015)04-0044-06
30t轴重重载列车作用下隧底脱空对
基底结构受力的影响
徐新利
(朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁062350
摘要:采用无损检测及现场钻孔法对一既有重载隧道基底进行了探测,依据探测结果分析了隧底吊空对
基底结构受力的影响。同时,利用 ANSYS建立围岩一隧道结构一轨道结构三维动力分析模型,依据现
场取样试验并结合实车动态武验结果,分析了30t轴重重载列车通过隧道时基底吊空对基底结构受力
的影响。分析结果表明,在V级国岩条件下,当隧底混凝土厚度1.0-1.2m时,轻重车线同时吊空且纵
向予空超过3.2m、重车线吊空且纵向吊空超过5.5m、重车线半幅吊空且纵向吊空超过8.0m后,隧底
最大主应力均超过其容许应カ。疲劳分析结果表明,当基底仰扶沿纵向吊空从2.5m增加到4.8m时,
其疲劳寿命降低最为明显;从4.8m增加至8.0m后,其疲劳寿命降低速率逐漸减弱;超过8.0m后,其
疲劳寿命基本趋于稳定且不足1年。因此,対于隧底出现的吊空病害应该及时加固处理,以保证列车
安全
关键词;铁路隧道重载列车隧道结构容许应力疲劳分析
中图分类号:U456文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.04.13
表1碁底钴孔探测结果
1概述
钻孔病害空洞深
位置描述度/cm
钻孔描述
随着列车轴重的不断提高,重载列车对隧道基底
结构的动力作用问题日益突出,主要表现在重载列车
芯样为混凝土,直径90mm,长
上行基底
42cm,42cm以下有6cm左右
的长期作用下,隧底填充层、仰拱开裂,水沟出现外挤K27+545下沉
的空洞,空洞层以下为破碎的石
等病害】。若隧底出现不密实、吊空及混凝土厚度、
块,粒径为1~3cm
强度不足等缺陷则会进一步加剧病害的发展。本文通
芯样为混凝土,直径90mm,长
过对既有重载隧道基底的现场检测,重点对一隧道基
上行基底
56cm,56cm以下有4cmn左右
底吊空病害进行了分析,为该隧道后期病害整治提供
K27+710下沉
的空洞,空润层以下为碎石块,
粒径为
依据。
地质雷达检测结果表明,朔黄线一隧道存在基底
芯样为混凝土,直径90mm,长
上行基底
56cm,56cm以下有3cm左右
厚度不足、基底不密实以及基底吊空等。为了验证检
K27+860下沉
的空洞,空润层以下为碎石块
测结果的可靠性,进行了现场钻孔。现场钻孔探测结
粒径为3-~5cm
果见表1。
上行基底
芯样直径90m,长45cm,45
对该隧道基底钻孔芯样作混凝土抗拉强度测试
K29+910下流
2cm以下有2cm左右的空洞,空
洞层以下为破碎带
结果表明,依据《铁路隧道设计规范》(TB10003
2005)换算后棱柱体抗拉强度在1.99~2.03MPa,
通过隧道动力响应的分析可知,列车动荷载作用
平均值为2.01MPa,高于原设计C18混凝土抗拉强度下隧道衬砌最危险部位为钢轨正下方的仰拱S的。在
值(1.6MPa)。
长期的往复动载作用下,特别是地下水发育的地段,仰
拱破损屡为工程实践所证实。基底仰拱吊空后,在重
收稿日期:2014-11-16;修回日期:2015-01-12
载列车的振动冲击作用下,仰拱底面承受较大的拉应
基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAC20B00)
力,导致仰拱底面产生V形纵向裂缝,出现损伤。随
作者简介:徐新利(1966-),男,河南临人,高级工程师,硕士。
着损伤不断累积,仰拱及填充层最终形成纵向贯通型
2015年第4期
徐新利:30t轴重重载列车作用下隧底脱空对基底结构受力的影响
张拉裂缝,加之地下水的作用,道床出现翻浆冒泥,进2.2基底吊空计算模型
而影响列车安全。基底吊空导致仰拱出现裂缝及下
依据现场实际条件,选择双线铁路隧道建立计算
沉,如图1所示。
模型,隧道模型均采用实际尺寸,计算模型的边界条件
严格遵照隧道力学分析的要求。模拟计算采用弹塑
仰拱V形裂缝
性三维地层与结构共同作用模式,计算所需的初始
岩土及支参数均参照现场检测结果选取。计算模
挡砟板下沉
型全长50m,模型横向宽60m,竖向深30m,模型边
界尺寸分别为50mx60mx50m,共划分131886个
(a)仰拱开裂
(b)基底下沉
单元,140343个节点。考虑到轨枕与道床、道床与
图1基底吊空引发的病害
填充层之间模量有较大差异,在轨枕与道床、道床与
填充层之间建立接触面。划分网格后的实体模型如
2隧底吊空受力分析
图3所示。
2.1基底吊空工况分析
考虑到基底吊空后,重载列车的冲击作用对结构
的受力影响较大,需要对轨下仰拱处基岩破损引起脱
空的情况进行分析,以研究轨下基底脱空条件下基底
结构的受力状况。
隧道施工二次衬砌时,模板台车每环施作距离基
本在10~12m,每板之间设置环向施工缝。由于环向
(a)全幅吊空纵断面
(b)全幅吊空横断面
施工缝转动刚度较小,无法传递弯矩、轴力及剪力,因
此,隧道基底出现脱空后,仰拱可简化为沿纵向及环向
的简支曲面薄板。尤其是每环完全脱空后(最不利情
况)仰拱的受力极限可作为基底结构设计的控制指标
之
以隧道Ⅴ级围岩地段为例,隧道埋深50m,仰拱
矢跨比1/20(钢轨下方隧底混凝土厚度1.0~1.2m)。
基底仰拱吊空如图2所示,计算工况见表2。
(c)半幅吊空纵断面
(d)半幅吊空横断面
图3基底吊空计算模型
内轨顶面
2.3计算单元选取
200
有限元分析采用 ANSYS软件,围岩、初期支护、衬
隧底填充层
砌结构、道床、轨枕及仰拱填充层采用 Solid45八节点
空间实体单元模拟;钢轨视为弹性点支撑上的无限长
基底吊空
梁,采用Beam188梁单元模拟标准75kg/m钢轨;扣
件及垫板采用 Combin14弹性阻尼单元模拟;采用
图2基底仰拱吊空(单位:cm)
Targe170和 Conta174单元模拟轨枕与道床、道床与填
表2吊空计算工况
充层的接触面。
脱空尺寸
2.4计算参数及边界条件
工况
环向吊空范围
纵向长度/m
围岩、支护与轨道结构计算参数见表3、表4。隧
轻车、重车线
道顶面为自由表面,四周为法向约束,底面全部固定。
隧底全幅吊空
2.5,4.8,5.6,8.0,10.0
2.5荷載取值
重车线隧底
2.5,4.8,5.6,8.0,10.0
对于列车荷载的模拟需要考虑以下因素:①机车
全幅吊空
的动力性能;②速度;③轨道不平顺;④钢轨顶面不均
重车线隧底
匀磨耗;⑤车轮安装偏心引起的连续不平顺,以