铁路列车荷载对下穿盾构隧道结构的影响

2010-06-11宫全美

城市轨道交通研究 2010年3期

杨赳庄丽宫全美

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,200092,上海∥第一作者,硕士研究生)

盾构法施工具有高效率、机械化程度高、对地层适应能力强、地面变形小等优点,在城市地铁隧道建设中得到广泛应用。盾构隧道下穿铁路的工程也越来越多。

一般认为,列车在行使中产生的附加动应力的影响范围为基床面以下3 m左右[1]。但在软土地区,当铁路下方存在构筑物(如盾构隧道)时,动应力在2～3 m深处完成大部分衰减;而随着深度的增加,动应力又逐渐开始加大,在接近隧道顶部时动应力增加速率明显增大[2]。南昌市新溪立交桥由于对上部的列车动应力估计不足,建成不久即在顶板发生开裂,经多次补强加固后才满足使用要求[3]。南京地铁1号线南京站站的研究表明,在地铁车站结构埋深约11 m、列车速度为60 km/h的情况下,动应力传递至结构顶部土层时比较大,动应力的影响范围远远大于3 m[4]。盾构隧道埋深一般超过3 m,铁路列车产生的动应力对下穿盾构隧道有多大影响,目前尚无明确的结论。

本文以某盾构隧道穿越铁路既有线为背景,建立有限元数值模型,分析铁路列车荷载对盾构隧道的附加动应力、结构内力、管片配筋量的影响,得出相应结论。

1 工程背景

1.1 盾构穿越铁路情况

某盾构隧道区间穿越铁路既有线,盾构隧道水平中心间距为11.5 m。其管片外径6.2 m,内径5.5 m;每环管片宽度 1.2 m,厚度35 cm;管片采用错缝拼装形式,覆土厚度为14.1 m。盾构隧道穿越电力牵引的正线及4股到发线,相交角度为75°。4股到发线的平均间距为5.6 m。穿越处的正线是国家一级铁路,客货共线,日开行客车80对、货车71对,属繁忙干线。盾构隧道与铁路关系平面图如图1所示。

施工范围内的土层从上至下依次为:①2层素填土,③3层砂质粉土,③6层粉砂,④2层淤泥质粉质黏土,④3层淤泥质粉质黏土,⑥1层淤泥质粉质黏土,⑥2层粉质黏土,⑧1层粉质黏土及⑧2层黏土。盾构隧道穿越土层为④3层淤泥质粉质黏土。

图1 盾构隧道与铁路关系平面图

1.2 加固措施

通过对铁路下方地基土体进行适当加固,能够减少隧道结构与其周围土体之间的刚度差异,均匀土层应力分布,减小隧道结构承担的列车荷载[5],以减小管片内力,同时增加了土体抗力,控制盾构穿越时引起的地面变形。这无疑是一项切实可行的有效措施。

此外,对地基进行加固后,可以较好地控制盾构施工时的铁路线路变形,满足《铁路线路维修规则》(2006)对铁路线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值的要求。加固方案采取分块加固方案,即用咬合旋喷桩将需要加固的区域分隔成主加固区和次加固区,每个区域要求的加固效果不同。加固方案的隧道横剖面如图2所示。图中阴影部分为注浆加固区范围。加固范围沿深度方向为隧道穿越土层上层④2层土顶部至隧道底部下约1 m,隧道边侧向外加固3 m。

图2 加固平面图

旋喷加固区:原则上设在铁路路基外侧1 m位置,由三排直径为1.5 m的旋喷桩相互咬合形成,咬合量为0.2 m;

主加固区:路基两侧的旋喷桩之间范围,注浆加固,要求无则限抗压强度(PS)≥1.0 MPa;

次加固区:旋喷桩外侧10 m范围,注浆加固,要求 PS≥0.8 MPa;

主加固区、次加固区的加固要求逐渐降低,在强度及刚度上形成过渡。

旋喷桩的深度为注浆加固区下1 m至地面。

2 列车荷载对盾构隧道结构附加动应力影响数值模拟

2.1 模型建立

采用Ansys有限元软件,简化为二维平面应变问题进行计算分析。模型尺寸横向取为70 m。在几何模型底部施加水平X及竖直Y方向约束,在两侧施加水平X方向约束。数值模拟图如图3所示。

2.2 衬砌与土层参数选择

计算参数选用该工点的实际地层参数,土体的本构模型采用线弹性模型。结构衬砌参数为:抗压刚度EA=1.4×107kN/m,抗弯刚度 EI=1.43×105kNm2/m,衬砌厚度 d=0.35 m,泊松比ν=0.15,阻尼比ξ=0.02。土层参数如表1所示。

2.3 铁路列车激振荷载

将列车运行时各个车轮的荷载简化为一系列大小随着时间动态变化的竖直集中力荷载,即竖向荷载。沿轨道纵向建立的有限元计算模型,实际的作用荷载应为沿轨道方向移动的动荷载。它应该是同时包括时间t和位置 x两个自变量的复变函数,即 P1=P1(x,t)。然而,由于动态荷载的各态不均匀性,在列车移动的过程中,总会经过一个对隧道结构最不利的位置。可以重点研究列车动载在这个最不利的位置上对隧道结构的影响。因此动载荷P1(x,t)可进一步简化成P(t)。荷载作用位置如图4所示。

通过建立相应的车辆-轨道耦合模型,在常规随机不平顺条件下,得出轮轨垂向力。列车车辆模型采用满载C62A编组货车,静轴重21 t。列车速度为120 km/h。计算采用平面模型,因此需将荷载转化为平面荷载。假定道床对道床的支承形式为全支承,轮轨荷载经过钢轨传递到道床上成为线性均布荷载。由此得出平面计算荷载,如图5所示。图中荷载随时间变化规律,即为函数P(t)随自变量t变化的规律。

图3 数值模拟图

表1 土层参数

图4 列车荷载简化示意图

图5 道床表面承受的线荷载

3 铁路列车荷载对隧道结构附加动荷载的影响

选取模型中左线隧道管片最靠近土层的上、下、左、右4个节点(见图6),计算得出遂道 A 、B、C、D四点X、Y方向的动应力如表2所示。

由于盾构隧道下穿4股线路,需考虑其对盾构隧道附加动应力影响的叠加效应。表3为不同的线路与隧道最不利受荷位置之间距离下的叠加折减系数表。对于隧道埋深或相邻线路与隧道最不利受荷位置介于表中各项的情况,其叠加折减系数可以按照线性插值取用[1]。

图6 隧道管片计算分析点

表2 单线铁路荷载对隧道管片附加动应力 kPa

表3 相邻线路中心至隧道最不利受荷位置不同水平距离时相邻线路的附加动应力叠加折减系数

由表3可得出:埋深14.1 m、4股平均间距为5.6 m的线路的附加动应力叠加后为1股线的1.95倍。同时考虑到盾构隧道与铁路斜交75°,则叠加后的总附加动应力如图7所示。

图7 隧道结构所受附加动应力

由上述计算结果可知,不加固时铁路列车对隧道结构的最大附加动应力在隧道结构拱顶竖直方向,为71 kPa;加固后的最大附加动应力位置不变,为53 kPa,与不加固时相比减小了34%。

4 铁路列车荷载对隧道结构内力的影响

4.1 隧道管片内力计算

地下工程中常用的计算方法是荷载结构法和地层结构法。盾构隧道管片衬砌设计多以荷载结构法为主,在工程实践中又以自由变形圆环法应用的较多。但自由圆环法只能考虑隧道上部荷载为均载情况。当考虑到上覆列车荷载时,由于线路并非完全正交,因而作用在隧道上方的附加荷载为不均匀分布荷载。这时采用自由变形圆环的计算条件不满足,可根据弹性地基梁的理论采用有限元法进行计算。考虑到管片并非为均匀连续体,整体刚度乘以0.7的折减系数。此外,考虑到错缝拼装,弯矩乘以1.3的系数。

土压力计算采用水土合算。上覆土体天然容重γ=18 kN/m3,侧土压力系数为0.55,土层水平抗力系数k=15 MPa/m,衬砌自重g=10.5 kN/m。计算中不考虑土拱效应。竖向地层压力按盾构顶上的全部土柱重,侧向压力按静止土压力计算。将计算得到的隧道上附加动应力叠加到土压力上去,即为隧道所受的考虑铁路列车对隧道影响的总荷载。

计算隧道结构在不考虑铁路列车对隧道影响的土压力,以及不加固与加固后考虑铁路列车对隧道影响的总荷载这三种工况下的管片结构内力。计算得到的结构内力如图8所示。表4为几个代表部位的具体数值。表中的角度值以拱顶处为0°,并按逆时针方向旋转计算。