許克亮，肖明清，李秋義

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

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廣深港高速鐵路獅子洋隧道減振無砟軌道對(duì)周邊軟土地層影響分析

許克亮，肖明清，李秋義

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

為防止高速列車振動(dòng)引起廣深港高鐵獅子洋大斷面盾構(gòu)水底隧道軟土地層液化風(fēng)險(xiǎn)，軌道結(jié)構(gòu)采用減振板式無砟軌道。為考察減振措施效果，分別建立列車-軌道模型、隧道-地層有限元模型，分析列車荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)及周圍土層動(dòng)力響應(yīng)及分布規(guī)律，對(duì)比分析減振和非減振兩種工況下地層動(dòng)剪應(yīng)力和加速度，結(jié)果表明，采取減振措施可有效降低軟土地層液化風(fēng)險(xiǎn)，提高安全儲(chǔ)備，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。研究成果對(duì)隧道穿越軟土地層設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

高速鐵路；鐵路隧道；盾構(gòu)隧道；軟土；無砟軌道； 減振；液化

廣深港高速鐵路獅子洋隧道為世界首座時(shí)速350 km的雙孔單線盾構(gòu)水底隧道[1-2]，地質(zhì)條件復(fù)雜，周圍軟弱地層地基在長(zhǎng)期高速列車循環(huán)荷載作用下存在液化風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生液化隧道累積沉降增加，將導(dǎo)致軌道豎向不平順、隧道襯砌開裂和變形等，進(jìn)而加大行車時(shí)隧道及軌道結(jié)構(gòu)所受的動(dòng)應(yīng)力，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加維修的費(fèi)用和難度。國(guó)內(nèi)外對(duì)于軟弱地層條件下盾構(gòu)隧道研究非常少[3-6]，可供借鑒的資料和經(jīng)驗(yàn)非常有限[7-10]。為保證獅子洋隧道運(yùn)營(yíng)安全，需要對(duì)軌道結(jié)構(gòu)采取減振措施，進(jìn)一步降低列車振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和地層的影響。

本文從防止獅子洋隧道軟土地層發(fā)生液化角度，基于影響軟弱地層液化的剪應(yīng)力和加速度兩項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)減振效果進(jìn)行了分析，評(píng)估了隧道結(jié)構(gòu)及軟土地層的安全性。

1 工程概況

1.1 隧道概況

廣深港高鐵獅子洋隧道位于東涌站至虎門站區(qū)間，全長(zhǎng)10.8 km，是目前國(guó)內(nèi)里程最長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的第一座水下高速鐵路隧道。國(guó)內(nèi)首次在高速鐵路采用10.8 m大直徑盾構(gòu)。獅子洋隧道位于珠江三角洲平原區(qū)，穿越地層較復(fù)雜。隧址地層自上而下為人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積層及白堊系白鶴洞組猴崗段泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、砂礫巖。隧道穿越淤泥質(zhì)土層、粉細(xì)砂層及中砂層等軟土。根據(jù)鐵道部科研課題《獅子洋水下隧道結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)特征及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究》(2006G007—B)研究成果，在軟弱地層地段應(yīng)采取一定的軌道減振措施，降低高速列車運(yùn)行對(duì)隧道底部地層的影響，確保隧道安全運(yùn)營(yíng)。

1.2 減振無砟軌道概況

獅子洋隧道減振型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、軌道板、CA砂漿調(diào)整層、減振墊層、凸形擋臺(tái)及混凝土底座等組成[11]，如圖1所示。廣深港高鐵減振軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為浮置板體系，在傳統(tǒng)CRTS I型板式無砟軌道的CA砂漿與底座之間鋪設(shè)了彈性隔振元件——減振墊層，減振墊層的剛度取為0.046 N/mm3，厚度為27 mm。橡膠減振墊是最早在德國(guó)應(yīng)用的一種高等減振措施，國(guó)內(nèi)首先在城市軌道交通中引進(jìn)和應(yīng)用，減振效果可達(dá)到10 dB。

圖1 減振型板式無砟軌道

2 計(jì)算模型和計(jì)算方法

當(dāng)列車穿越隧道時(shí)，車輛輪系與軌道之間產(chǎn)生動(dòng)力相互作用，形成振動(dòng)源，振動(dòng)能量通過鋼軌、道床和隧道結(jié)構(gòu)傳遞給周圍地層。列車荷載作用下的地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)是個(gè)復(fù)雜的課題[12-14]，要想通過理論分析得到符合實(shí)際的結(jié)果，必須考慮很多因素，使得體系的力學(xué)模型十分復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型、提高計(jì)算效率，本文首先建立“列車-軌道耦合系統(tǒng)”動(dòng)力仿真模型，通過動(dòng)力分析得到作用在“軌道-隧道-地層”上的列車荷載激勵(lì)曲線及其功率譜；然后建立“隧道-地層”有限元模型，通過施加列車荷載激勵(lì)曲線，研究列車荷載作用下隧道及周邊地層的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，分析減振墊層對(duì)軟土液化的影響。

2.1 列車-軌道系統(tǒng)模型

2.1.1 車輛模型

車輛一軌道耦合動(dòng)力模型由車輛模型、軌道模型和輪軌間的耦合關(guān)系組成。其中，車輛模型由一個(gè)車輛系組成，每一節(jié)是一個(gè)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、彈簧和阻尼器。

車輛模型假定如下：

(1)每節(jié)車輛的車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)均視為剛體，不計(jì)它們?cè)谡駝?dòng)中的彈性變形；

(2)車輛懸掛系統(tǒng)的一系和二系阻尼均簡(jiǎn)化為黏滯阻尼器。對(duì)于非黏滯阻尼的減振器，可換算成由當(dāng)量阻尼比確定的黏滯阻尼計(jì)算；

(3)橫向運(yùn)動(dòng)(橫擺、搖頭、側(cè)滾)與豎向運(yùn)動(dòng)(浮動(dòng)、點(diǎn)頭)互不耦合，因此可單獨(dú)分析豎向振動(dòng)；

(4)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)沿車輛縱軸方向的振動(dòng)。

2.1.2 軌道模型

軌道模型包括鋼軌、扣件、軌道板、橡膠墊層、底座等，見圖2，假定如下：

(1)鋼軌視為置于彈簧(扣件)之上的無限長(zhǎng)梁；

(2)減振無砟軌道簡(jiǎn)化為“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)，即浮置板軌道系統(tǒng)。

圖2 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

2.2 高速列車激振荷載的確定

圖3 鋼軌支點(diǎn)壓力時(shí)程曲線(V=350 km/h)

針對(duì)減振型無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)“列車-軌道耦合系統(tǒng)”動(dòng)力模型，分析了獅子洋隧道所采用的CRTSⅠ型減振型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，得到了高速列車通過無砟軌道時(shí)鋼軌支點(diǎn)壓力的時(shí)程曲線(圖3)，作為列車振動(dòng)引起隧道及地層動(dòng)力響應(yīng)分析提供外部激勵(lì)荷載。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)及地層模型

獅子洋隧道結(jié)構(gòu)及地層有限元模型包括減振無砟軌道、回填層、隧道結(jié)構(gòu)及周邊地層，見圖4，該模型考慮了細(xì)砂、粉砂在地層中分布的范圍和覆蓋層的厚度，因?yàn)檫@是影響地基抗液化能力的主要因素。

圖4 隧道及周邊土層有限元模型

獅子洋隧道結(jié)構(gòu)及地層有限元模型包括減振無砟軌道、回填層、隧道結(jié)構(gòu)及周邊地層，該模型考慮了細(xì)砂、粉砂在地層中分布的范圍和覆蓋層的厚度，因?yàn)檫@是影響地基抗液化能力的主要因素。該模型考慮了隧道與地層邊界的細(xì)化，見圖5、圖6。

圖5 模型細(xì)節(jié)

圖6 隧道與地層模型邊界

3 隧底軟土地層液化風(fēng)險(xiǎn)分析

在列車振動(dòng)荷載的往復(fù)作用下，土層中的剪應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)累積-消散-累積的循環(huán)過程，從而使砂土層有可能發(fā)生液化，累積沉降增加。列車振動(dòng)在隧底軟土地層所產(chǎn)生動(dòng)剪應(yīng)力一旦達(dá)到液化剪應(yīng)力[15]，則存在液化的風(fēng)險(xiǎn)，因此根據(jù)列車振動(dòng)產(chǎn)生的軟土地層動(dòng)剪應(yīng)力來進(jìn)行液化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.1 隧底地層液化剪應(yīng)力的確定

地基液化剪應(yīng)力與地層重度、埋深及土性如密實(shí)度、液化剪應(yīng)力比有關(guān)，且與動(dòng)荷載作用振次密切相關(guān)，一般而言振次越大液化剪應(yīng)力閾值越小。液化剪應(yīng)力[τ]為

(1)

式中γ——地層重度；

h——埋深；

Cr——修正系數(shù)，用于修正室內(nèi)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)以反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。

考慮到隧道結(jié)構(gòu)存在時(shí)地層的實(shí)際應(yīng)力分布情況及施工過程對(duì)地層的擾動(dòng)以及可能存在的超挖現(xiàn)象，有限元計(jì)算結(jié)果為377.898 kPa，則有效應(yīng)力為150.244 kPa，代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，得液化剪應(yīng)力[τ]=8.429 kPa。

3.2 獅子洋隧道地層動(dòng)剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在“隧道-地層”有限元模型上，施加高速列車通過無砟軌道時(shí)鋼軌支點(diǎn)壓力的時(shí)程曲線，分析列車荷載作用下軌道有、無減振墊層隧道及周邊地層的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)。

軌道無減振墊層時(shí)地層等效剪應(yīng)力見圖7，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧底正下方，為6.205 kPa。

圖7 等效剪應(yīng)力(無減振墊層)

軌道設(shè)減振墊層時(shí)地層等效剪應(yīng)力見圖8，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧底正下方，為4.156 kPa。

圖8 等效剪應(yīng)力(設(shè)減振墊層)

3.3 減振效果綜合對(duì)比分析

綜合以上計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行無砟軌道有減振墊層和無減振墊層的對(duì)比分析，見表1。

表1 無砟軌道有無減振墊層減振效果綜合對(duì)比分析

相對(duì)于無減振墊層，有減振墊層時(shí)地層動(dòng)應(yīng)力峰值可降低33.02%，加速度峰值降低82.98%，減振效果明顯。

對(duì)于動(dòng)剪應(yīng)力與液化剪應(yīng)力的比值，無減振墊層時(shí)為0.736，相應(yīng)的“安全系數(shù)”為1.36，對(duì)于重大工程來講，安全系數(shù)仍顯不足。

有減振墊層時(shí)，動(dòng)剪應(yīng)力與液化剪應(yīng)力的比值為0.493，相應(yīng)的“安全系數(shù)”為2.386，提高是比較明顯的，加大了安全儲(chǔ)備。

3.4 隧道地層土壤液化振動(dòng)敏感頻率區(qū)間的試驗(yàn)結(jié)果

隧道軟土地層土壤液化對(duì)振動(dòng)的某頻段是比較敏感的，在敏感頻段加速度及振動(dòng)能量會(huì)出現(xiàn)峰值，在軟土地層工程設(shè)計(jì)中必須加以關(guān)注。為了獲得隧道地層土壤液化的振動(dòng)敏感頻率區(qū)間，在廣深港高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，實(shí)測(cè)了高速動(dòng)車組通過隧道時(shí)地表土層振動(dòng)加速度。測(cè)試結(jié)果表明：軟土區(qū)段隧底地層土壤液化的振動(dòng)敏感區(qū)間為40～120 Hz，該頻率范圍的振動(dòng)對(duì)隧道地層土壤液化影響較大，地基振動(dòng)能量峰值的頻率為50 Hz左右。該測(cè)試結(jié)果與國(guó)內(nèi)外關(guān)于鐵路軌道振動(dòng)對(duì)于隧道地層土壤液化研究結(jié)論是一致的[16]。

4 結(jié)論

(1)無砟軌道設(shè)置減振墊層可降低地層動(dòng)應(yīng)力峰值33.02%，降低加速度峰值82.98%，顯著減低了地層動(dòng)應(yīng)力峰值和振動(dòng)加速度，對(duì)于防止軟土地層振動(dòng)液化效果明顯。

(2)隧道基底動(dòng)剪應(yīng)力與液化剪應(yīng)力的比值在無減振墊層時(shí)為0.736，有減振墊層時(shí)為0.419，采取減振措施后相應(yīng)的“安全系數(shù)”從1.36增加到2.386，可見，軌道減振后地基穩(wěn)固性改善效果明顯，安全性得到進(jìn)一步提高。

(3)廣深港高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，軟土區(qū)段隧底地基振動(dòng)敏感區(qū)間為40～120 Hz頻帶區(qū)域，振動(dòng)能量峰值的頻率為50 Hz。

(4)廣深港高鐵廣深段自2011年年底開通運(yùn)營(yíng)以來，獅子洋隧道減振板式無砟軌道、隧道結(jié)構(gòu)及地層運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，減振無砟軌道有效防止了隧道地層軟土振動(dòng)液化的發(fā)生，確保了隧道結(jié)構(gòu)安全，達(dá)到了預(yù)期效果。

[1] 李光耀.獅子洋隧道泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(11)：89-94.

[2] 洪開榮，杜闖東，王坤. 廣深港高速鐵路獅子洋水下盾構(gòu)隧道修建技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009(7)：53-58.

[3] 黃娟，彭立敏，李興龍.可液化地層獅子洋盾構(gòu)隧道橫向地震響應(yīng)規(guī)律及減震措施研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009(10):1539-1546.

[4] 劉光磊，宋二祥，劉華北.可液化地層中地鐵隧道地震相應(yīng)數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007(12)：1815-1822.

[5] 姜忻良，宋麗梅.軟土地層中地下隧道結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，1999(1):65-69.

[6] 李育樞.山嶺隧道地震動(dòng)力響應(yīng)及減震措施研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006：65-68.

[7] 賈超，趙建宇，徐幫樹，等.清水隧道圍巖軟土振動(dòng)液化研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2)：84-87.

[8] 王秀英，劉維寧.列車振動(dòng)作用下沉管地基砂土液化可能性研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004(2)：96-100.

[9] 由廣明，劉維寧.高速列車振動(dòng)荷載作用下沉管地基整體穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2004(2)：82-85.

[10]劉明麗.地鐵列車振動(dòng)引起的地基液化問題[D].北京：北京交通大學(xué)，2005：45-51.

[11]孫曉邁.CRTSⅠ型無砟軌道彈性減振墊層施工技術(shù)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2012(3)：47-50.

[12]陳松潔.軟弱地層中水下高速鐵路盾構(gòu)隧道列車振動(dòng)響應(yīng)分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010：17-22.

[13]張玉娥，白寶鴻.高速鐵路隧道列車振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析方法[J].振動(dòng)與沖擊，2000，20(3):91-101.

[14]周濟(jì)民，何川，肖明清，等.獅子洋水下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012(7)：115-121.

[15]賀騰飛，周順華，徐司慧.地鐵振動(dòng)荷載作用下土體動(dòng)剪應(yīng)力分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(2)：23-29.

[16]肖明清，姚捷，黃盾，等.廣深港高鐵獅子洋隧道列車所致環(huán)境振動(dòng)實(shí)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013(7)：3527-3534.

Analysis of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong High Speed Railway Shiziyang Tunnel Vibration Damping Ballastless Track Effect on Surrounding Soft Soil

XU Ke-liang， XIAO Ming-qing， LI Qiu-yi

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

To prevent the liquefaction of large section shield tunnel soft soil of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong high speed railway Shiziyang tunnel on account of high-speed train vibration， vibration damping ballastless track is adopted. To investigate the effect of vibration damping measures， this paper establishes the train-track finite element model and the tunnel-soil finite element model to analyze dynamic response and distribution of the tunnel structure and the surrounding soil under the train load， and compares the dynamic shear stress and acceleration with and without vibration damping. The results show that the vibration damping ballastless track can effectively reduce the risk of soft soil liquefaction， improve the safety stock， and achieve the expected goal. The research results may guide the design of tunnel through soft soil．

High speed railway; Railway tunnel; Shield tunnel; Soft soil; Ballastless track; Vibration damping; Liquefaction

2016-08-10；

2016-08-23

鐵道部科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2006G007-B)

許克亮(1961—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:XKL_DHL001@163.com。

1004-2954(2016)11-0001-04

U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.001