摘要：隧道下穿既有路基時采用管棚支護(hù)是常用的一種手段，當(dāng)列車通過隧道正上方時，其所受影響相比一般情況而言更大。因此，對該情況下不同管棚間距時的列車振動傳播規(guī)律進(jìn)行研究，從而得到合理管棚間距。采用室內(nèi)模型試驗的方法對地層振動加速度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬對地層加速度與動位移進(jìn)行分析。研究結(jié)論如下：(1)改變管棚間距，只會改變地層加速度與位移峰值，并不會改變其自上而下的衰減規(guī)律;(2)管棚間距會對加速度與位移峰值產(chǎn)生影響，管棚間距越小，加速度與位移峰值越小，當(dāng)間距減小到40cm后，繼續(xù)減小對加速度與動位移影響很小;(3)分析數(shù)值模擬中加速度與動位移傳播規(guī)律，認(rèn)為合理管棚間距為40cm。
關(guān)鍵詞：隧道下穿;管棚;振動;模型試驗;數(shù)值模擬;管棚間距
近年來，我國對地下空間的開發(fā)規(guī)模日益擴大。隨著大規(guī)模地下工程的開工建設(shè)，由于受到既有路基限制，出現(xiàn)了大量新建隧道下穿既有鐵路的復(fù)雜工程。當(dāng)列車運行通過隧道正上方時，隧道結(jié)構(gòu)和地層在上部列車振動荷載作用下可能會產(chǎn)生振動變形等危險，繼而影響列車運行安全。
為減少此類危險，保證隧道施工與運營期間安全，工程中常采用管棚支護(hù)措施對隧道進(jìn)行支護(hù)，而超前支護(hù)的存在，可有效減小上部振動荷載產(chǎn)生的圍巖變形。但通常由于此類工程較為復(fù)雜，工程中常會遇到各種難題，因此，研究管棚支護(hù)上部地層振動傳播規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者對類似工程進(jìn)行了大量分析研究[1-5]。
隧道論文范例： 鄰近地鐵隧道的鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究
一部分學(xué)者對地下穿越結(jié)構(gòu)受列車振動荷載影響下結(jié)構(gòu)與圍巖變形進(jìn)行了研究[6-10]，認(rèn)為上部既有路基的振動荷載會對下部穿越隧道的安全性產(chǎn)生影響[11-12]。此外，還有部分學(xué)者對采用管棚支護(hù)的類似穿越工程進(jìn)行了分析[13-15]，但此類研究多為靜載作用下開挖施工引起的一系列問題[16-18]，而特別針對列車振動荷載對類似工程影響的研究很少。由于此類工程施工安全要求高，進(jìn)行現(xiàn)場實測難度較大，且構(gòu)建力學(xué)解析模型也相對復(fù)雜。
鑒于此，針對列車運行通過上部路基交叉點這一特殊情況，采用室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對不同管棚間距下列車振動傳播規(guī)律進(jìn)行研究，分析管棚間距對地層振動加速度與動位移的影響，得到合理管棚間距，以期為類似工程提供借鑒1列車振動荷載模擬列車荷載的確定是一個非常復(fù)雜的問題，常用的列車荷載確定方法有實測加速度法和經(jīng)驗公式法，由于荷載現(xiàn)場實測難度較大，受限于試驗條件，本次采用經(jīng)驗公式法對其進(jìn)行確定[19]。
2室內(nèi)模型試驗
2.1試驗介紹
通過對模型箱內(nèi)的路基模型相應(yīng)位置施加列車荷載，以模擬隧道下穿路基段管棚支護(hù)的實際工作狀態(tài)，進(jìn)而得到一些規(guī)律性的認(rèn)識。本試驗針對列車運行通過隧道正上方，即通過交叉點時，不同管棚間距下的列車振動傳播規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同管棚布置方案下列車振動荷載對管棚結(jié)構(gòu)上部地層的影響。
2.2試驗步驟
(1)在模型箱底部固定模擬管棚，管棚下方放入水袋并充滿水，保證填料過程沒有材料掉下。(2)模型箱四周布置高密度泡沫板，減小試驗中振動波的反射，保證試驗的正確性。(3)分層填筑，每5cm填筑一次，試驗中采用的填料為含水量10%的粉細(xì)砂，填筑過程中在設(shè)計位置布設(shè)加速度傳感器。
(4)在相應(yīng)位置布置鐵軌模型，保證車道模型與激振器上的傳力桿緊密接觸，傳力桿采用φ18mm光圓鋼筋，與鐵軌接觸的一段焊接一塊φ3cm圓形鐵片，底部固定等大小的橡膠墊，防止傳力桿與車道直接接觸。(5)填筑完成之后，打開下方水袋，將水放出，此步驟模擬開挖卸荷過程。(6)加載，并采集數(shù)據(jù)，加載時間保持1min的穩(wěn)定時間，停止加載，停止采集。(7)重復(fù)上述步驟，進(jìn)行多工況試驗，共設(shè)置6種工況，管棚間距分別為6，9，12，15，18，21cm。
3數(shù)值模擬
受限于試驗條件，模型試驗部分選取了相鄰2根管棚為研究對象。鑒于此，為更好地模擬實際情況，本節(jié)采用數(shù)值仿真手段對完整的隧道下穿路基段管棚支護(hù)進(jìn)行模擬，以研究管棚間距對地層振動傳播規(guī)律的影響。
3.1模型的建立
采用三維有限差分軟件建立動力分析模型，模擬隧道下穿路基段管棚支護(hù)的動態(tài)承載特性。指定上部鐵路路基方向為X軸正向，下部隧道方向為Y軸正向，豎直向上為Z軸正向。
結(jié)合某實際工程，下部隧道設(shè)計洞跨為13m，高9m(高度為仰拱底至拱頂?shù)母卟?，隧道與上部高速鐵路路基交叉角度為90°，隧道頂板至路基底部距離8m。為減小邊界效應(yīng)的影響，經(jīng)過大量計算，確定了模型尺寸為65m(長)×30m(寬)×44m(高)。在數(shù)值模擬研究中，可將管棚支護(hù)的加固效果視為在隧道開挖輪廓線以外形成了環(huán)形加固圈，采用改善圍巖參數(shù)的方法進(jìn)行模擬[22]。
3.2計算工況
目前，工程中常用的管棚為φ108mm，而工程中管棚環(huán)向間距的布置通常為30~60cm，鑒于此，選取30，35，40，45，50，55，60cm作為計算工況。對各工況加固區(qū)等效彈性模量進(jìn)行計算[23]。
3.3監(jiān)測點布置
為研究管棚間距對地層振動傳播規(guī)律的影響，數(shù)值模擬中在交叉段地層自路基底部至加固區(qū)由上而下布置了8個監(jiān)測點。由于試驗中監(jiān)測位移較為困難，模擬中對各監(jiān)測點的加速度與動位移進(jìn)行了監(jiān)測。
4結(jié)論
通過分析隧道管棚支護(hù)對上部鐵路路基列車振動傳播規(guī)律的影響，針對列車運行通過交叉點時進(jìn)行了模型試驗與數(shù)值模擬研究，分析管棚間距對地層振動傳播規(guī)律的影響。對地層的加速度響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測，模型試驗與數(shù)值模擬部分振動加速度規(guī)律一致，此外還在數(shù)值模擬中對地層的動位移進(jìn)行了監(jiān)測，并根據(jù)模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果得到了合理管棚間距。主要研究結(jié)論如下。
(1)列車振動荷載作用下，地層加速度峰值隨距路基距離的增加而逐漸減小。即距離上部路基越遠(yuǎn)，加速度峰值衰減速度越慢。改變管棚間距，只會改變各測點的加速度峰值，不會改變地層的加速度衰減規(guī)律，各管棚間距下地層的加速度衰減規(guī)律相同。(2)數(shù)值模擬部分與模型試驗部分得到了相同的結(jié)論。管棚間距會對地層加速度響應(yīng)產(chǎn)生影響，管棚間距越小，各測點的加速度峰值越小，當(dāng)管棚間距縮小到一定范圍時，各測點的加速度峰值不再明顯減小。
(3)管棚間距改變會影響地層的動位移，隨著管棚間距減小，各測點的動位移隨之減小，但當(dāng)管棚間距縮小到40cm之后，繼續(xù)縮小管棚間距對測點位移峰值影響很小。 (4)數(shù)值模擬中振動加速度與動位移在管棚間距由60cm減小到40cm的過程中變化較大，而在由40cm減小到30cm的過程中變化很小。因此認(rèn)為本文條件下管棚間距為40cm較為合理。
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作者：董捷1,2，楊博1,2，王小敬3，劉建友4
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