重载铁路隧道近接引水隧洞的受力影响分析.pdf

・隧道／地下工程・重载铁路隧道近接引水隧洞的受力影响分析何宝华（神华准池铁路有限责任公司山西朔州０３６００２）摘要新建神华准池铁路风洼梁隧道与既有万家寨引水隧洞发生立体交叉，净间距为１３．０４ｍ，其间距不满足相邻两隧洞间的岩体厚度不宜小于２．Ｏ倍开挖洞径（或洞宽）的安全距离要求。通过数值计算，模拟分析风洼梁隧道跨越引黄工程６都芝洞段在Ｃ８０列车静载作用下和不同运行速度下（４０、８０、１２０ｋｍ／ｈ），引黄隧洞结构的应力、位移、振动速度、振动加速度变化情况，分析重载铁路隧道对引水隧洞的影响程度，表明在小间距条件下，既有的受力仍能满足安全需要；通过对铁路隧道仰拱采取一定的加强措施后，便可安全通过，避免了隧中桥或铁路改线情况的发生。关键词重载铁路受力分析仿真小间距引水隧洞中图分类号１３４５１文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１３）０８０００６０７ＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｅａｖｙＨａｕｌＲａｉｌｗａｙＴｕｎｎｅｌｎｅａｒｔｈｅＤｉｖｅｒｓｉｏｎＴｕｎｎｅｌＨｅＢａｏｈｕａ（ＳｈｅｎｈｕａＺｈｕｎｃｈｉＲａｉｌｗａｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｕｏｚｈｏｕ０３６００２。Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｒｅｉｓａｇｒａｄｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＦｅｎｇｗａｌｉａｎｇｔｕｎｎｅｌｏｆｎｅｗＳｈｅｎｈｕａｚｈｕｎｃｈｉＲａｉｌｗａｙａｎｄｔｈｅＷａｎｊｉａｚｈａｉＤｉ－ｖｅｒｓｉｏｎＴｕｎｎｅｌ．Ｔｈｅｎｅｔｄｉｓｔａｎｃｅｉｓ１３．０４ｍ．Ａｎｄｉｔｄｏｅｓｎｏｔｍｅｅｔｓａｆｅｔｙｄｉｓｔａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｈｉｃｈｒｅｑｕｉｒｅｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏａｄｊａｃｅｎｔｔｕｎｎｅｌｓｉｓｎｏｔｌｅｓｓｔｈａｎ２ｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ（ｏｒｈｏｌｅｗｉｄｔｈ）．Ｔｈｒｏｕｇｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｕｌａｔｅｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｃｈａｎｇｅｓｉｎＹｅＵｏｗＲｉｖｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎ’ＴｕｎｎｅｌＳ—ｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣ８０ｔｒａｉｎｓｔａｔｉｃｌｏａｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｕｎｎｉｎｇｓｐｅｅｄｓ（４０ｋｍ／ｈ，８０ｋｍ／ｈ，１２０ｋｍ／ｈ）ｉｎＦｅｎｇｗａｌｉａｎｇＴｕｎｎｅｌａｃｒｏｓｓＹｅＵｏｗＲｉｖｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ６＃ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｉｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｈｅａｖｙｈａｕｌｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｔｏｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌ．Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔｒｅｓｓｃａｎｍｅｅｔｓａｆｅｔｙｎｅｅｄｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｍａｌｌｓｐａｃｉｎｇ．ＴｈｅｔｒａｉｎＣａｎｐａｓｓｓａｆｅｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｍｅａｓｕｒｅｏｆｉｎｖｅｒｔｅｄａｒｃｈｉｎｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｕｓａｖｏｉｄｓｂｕｉｌｄｉｎｇｂｒｉｄｇｅｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｏｒｒａｉｌｗａｙｒｅｒｏｕｔｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｅａｖｙｈａｕｌｒａｉｌｗａｙ；ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｉｎｉｍｕｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌ１工程背景新建大准至朔黄铁路联络线为Ｉ级双线电气化重载铁路，远期运量２亿ｔ，开行万吨列车。其中风洼梁隧道与既有万家寨南干线６＃引水隧洞发生立体交叉，平面交角约８６０，铁路隧道在上，引水Ⅳ隧道在下。其中跨越段地质情况为级围岩，石灰岩夹页岩、青灰色，弱风化，节理裂隙发育，干环６——收稿日期：２０１３０４１４境下单轴饱和抗压强度约６０～１１７ＭＰａ，引水隧道交叉段情况为圆形断面，衬砌采用钢筋混凝土预制管片拼装衬砌，管片内径为Ｒ＝２．１ｍ，管片外径为Ｒ＝２．３２ｉｎ，钢筋混凝土管片厚度为２２Ｃｉｎ，管片背后回填灌浆厚度为９ｃｍ。风洼梁隧道仰拱底距离引黄隧洞的拱顶净间距为１３．０４ｉｎ，风洼梁铁路隧道开挖洞宽为１２．２６ｉｎ，这样两洞问岩体厚度约为１倍开挖洞宽，不满足《水工隧洞设计规范》（ＳＬ—２７９２００２）第３．１．８条规定的安全距离，即相邻两隧洞问的岩体厚度不宜小于２．０倍开挖洞铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３（８）万方数据・隧道／地下工程・…径（或洞宽）。通过采用Ａｎｓｙｓ有限元软件在列车荷载静力及不同运行速度下（４０、８０、１２０ｋｍ／ｈ）进行动力仿真分析，为设计合理的跨越方案提供可靠的理论依据。列车在穿越风洼梁隧道时，振动在传播途径中，经过轨道、道碴、隧道仰拱、隧底岩体传递至引黄工程隧洞，该系统的振动预测，涉及到：（１）列车一轨道动力相互作用系统；（２）隧道一地层动力相互作用系统。整体系统结构复杂，建模困难，分析耗时，对比分析研究表明，可取的方法是通过列车一轨道相互作用系统，得到轨道结构作用于隧道仰拱上的动载荷，然后通过隧道一地层动力相互作用系统，预测结构的静力影响及动力响应。２列车一轨道系统分析２．１Ｃ８０车辆参数及机车类型Ｃ８０型敞车为８０ｔ运煤专用敞车，该车主要由车体、转向架、制动装置、连缓装置等部分组成，其结构性能适应实现万吨重载列车运输要求。主要参数有：载重８０ｔ，白重２０ｔ，轴重２５ｔ，每延米重８．３３ｔ／ｍ，车辆长度１２０００ｎｌｍ，转向架固定轴距ｌ８３０ｒｌｌｌｎ，车轮直径８４０ｉｎｌｎ，钢轨单位长质量６０．６４ｋｇ／ｍ，钢轨弹性模量２．０５９ｅ¨Ｎ／ｍ２，轨枕质量１２５．５ｋｇ，道床质量６６０ｋｇ，道床剪切刚度７．８ｅ７Ｎ／ｍ旧ｏ。机车类型为ｓｓ８机车。２．２轨道不平顺谱Ｃ８０货车轨道谱采用美国五级谱生成，波长范围２～８０ｍ。２．３轮轨接触模型动态轮轨关系是车辆一轨道耦合动力学的核心，它是车辆系统和下部轨道结构系统之间的连接纽带，且这两个子系统之间的耦合与反馈作用均通过轮轨关系来实现。（１）轮轨法向接触力的计算旧１运用Ｈｅｒｚ非线性接触理论，轮轨法向接触力可用下式计算：其值计算如下：对于锥形踏面车轮：—Ｇ：４．５７Ｒｏ１４９Ｘ—１０８（ｍ／Ｎ３７２）对于磨耗型踏面车轮：Ｇ：３．８６Ｒ。０１１５Ｘ—１０８（ｍ／Ｎ３７２）（２）蠕滑力计算采用修正的ＦＡＳＴＳＩＭ进行蠕滑力计算。（３）轮轨接触中摩擦系数影响因子每条钢轨的轮轨接触摩擦系数影响因子包括∽滚动面，（ｚ））和钢轨侧面，（工（戈））两种方式。ｆ＝ｆｏ［（１一Ａ）ｅ邶匕＋Ａ］（２）式中，．兀为静摩擦系数；Ａ为高速滑动下摩擦，系数与静摩擦系数比值，Ａ＝等；Ｂ为摩擦系数指数ｊ０衰减因子；Ｋ为滑动速度。２．４车辆一轨道耦合结构动力分析计算模型见图ｌ。，一图１轮轨力计算模型图２为部分车轮横向、竖向力时程曲线。鼢．肿叭州饥＂‰嘶“ｎ＂×１０１时间ｔｂ．竖向力图２１轴左轮受力时程曲线ＪＰ（ｔ）＝［扣ｚ（ｔ）】３尼（１）３隧道一地层动力相互作用系统分析式中，犯（ｔ）为轮轨接触点处的弹性压缩量（ｍ）；Ｒ为轮轨接触点处车轮滚动半径（ｍ）；Ｇ为轮轨接触常数（ｍ／Ｎ３止），与车轮踏面外形相关，通常铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ３．１地层模型基本假定在进行列车振动环境影响模拟计算时，一般假定地层材料为弹性介质，并满足以下简化假设：２０１３１８）＿｝万方数据・隧道／地下工程・（１）地层作为层状弹性层，每层都是由同一种各向同性的岩体介质组成，具有相同的弹性性质。（２）用连续函数表示土体应力、变形与位移等物理量的变化规律，不考虑土体颗粒或岩石本身的变形，不考虑内部孔隙变形及其填充物的影响。（３）不考虑地层中的原始应力，即在运动方程中只计算列车动荷载作用下产生的附加动应力。３．２建筑振动标准图３为ＩＳＯ推荐的建筑振动标准［１］。它采用峰值振动速度ＰＰＶ作为建筑物的安全控制标准，实践证明，结构的破坏范围与程度都与ＰＰＶ有着密切相关关系。＼丰电＼‘＼１二蠡１０＾＼。’’＼争０％缸一＼＼。甓≯遵。、＼馋入、，尊＼＼．§＼１谤、＼’、Ｊ事．＼＼”淞＼臂匆擎＼＼＼啄淤＼、司‘弋、＼２０４０５０频率／ＨｚＩＳＯ推荐的建筑振动标准根据《爆破安全规程》（ＧＢ—６７２２２０１１）规定爆破对不同类型建（构）筑物、设施设备和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。其中水工隧洞安全允许质点振动速度ｙ为７。８ｃｍ／ｓ［３Ｉ。３．３轨道基础一隧道衬砌一环境地层有限元模型采用Ａｎｓｙｓ有限元软件进行建模分析，围岩、初衬、二衬均采用实体单元ｓｏｌｉｄ４５模拟，根据《铁路隧道设计规范》（ＴＢ—１０００３２００５）条文说明，锚杆区围岩黏聚力增加２０％的建议修正ＭＪ，考虑隧道埋深情况，模型沿铁路隧道方向取１００ｍ，沿引黄隧洞方向取８０ｍ，高度方向，引黄隧洞仰拱底向下取５ｍ，铁路隧道上方取２０ｍ，其余覆盖层采用垂直均布压力计算，四周及底部采用法向约束，底部切向采用Ｃｏｍｂｉｎｌ４模拟周围底层的粘弹性阻尼边界，顶面为自由表面。隧道衬砌单元长度在０．５ｍ左右，外部单元在１ｍ左右。共划分单元６７６０３２受个，节点７０５８６３个（见图４）。＾Ｎｐ州Ｙ２５２０１２１６：２４：１９ＰＩｍｍ．１图４三维有限元模型在自重应力场中，由于地表以下任一深度日处的垂向应力等于其上覆岩体的重量，因此可对模型顶面边界施加值为从模型边界到地表距离的岩体自重，即：∑盯：＝／ｉＨｙｉｉｔ＇／ｉ（３）盯ｚ２乙ＩｊＪ‘＝ｌ式中，ｙｉ为第ｉ层岩体重度（ｋｍ／ｍ３）；Ｈ，为第ｉ层岩体的厚度（ｍ）。为减少计算量，轨道结构采用双层弹簧阻尼模型进行模拟，同列车轮轨力计算中的轨道参数取值相同。轮轨力作用于相应的钢轨节点上。根据《铁路隧道设计规范》（ＴＢ—１０００３２００５）确定模型计算中相关材料的物理力学参数Ｈｏ（见表１）。表１隧道结构有限元分析参数取值弹性模容重／黏聚力内摩擦项目泊松比阻尼比量／ＧＰａ（ｋＮ・ｍ－３）／ＭＰａ角／（。）Ⅳ级围岩４０．３２ｌＯ．５３６０．０８Ｃ２５喷砼２３０．２２３０．０５Ｃ３０砼３１０．２２３０．０５Ｃ２５钢筋砼２９．５Ｏ．２２５０．０５图５为隧道断面典型计算特征点布置，图６为立交隧道分析断面示意。铁道建筑技术ＣＡＢａ．引黄隧道ＤＧＤＡＦｂ．风洼粱隧道图５隧道断面典型计算特征点布置ＦＩＡＩＬＷＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１３１８）万方数据・隧道／地下工程・穿隧＾道ｏ中“心．２０线２０ｆ引黄隧道１ｉｌ《’，西ｌ／ｌ遵道／；线／昌风洼粱隧道●’＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一＾４静力分析图６立交隧道分析断面为分析列车静载情况下，铁路隧道与下穿引黄隧洞的受力与变形情况，分３种工况模拟。首先计算围岩自重应力场，然后计算铁路隧道支护结构与围岩的初始应力场和位移，最后模拟列车荷载作用下铁路隧道与下穿引黄隧洞的变形与受力。４．１列车静载荷形式将Ｃ８０货车轴重（２５ｔ）按照轮对分配，施加到轨道上，力的间隔按照实际空间轮对分布设置，双向对称加载（见图７）。Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）Ｐ（ｔ）：：：＝ｉ』』ｉｉｉ』』』』此：图７列车轴重加载示意４．２列车静载作用下结构计算４．２．１自重应力下引黄隧洞应力与变形云图（见图８）■■—■●———一———■●■■■■——■———墨一Ｉ——１Ｉ‘““：１、１。麒．ｑ，０。＿、ｒ＿？、、。＾ｔ§∞Ｅｌａ．第三主应力云图ｂ．位移云图４．２。２铁路隧道开挖后引黄隧洞应力与变形云图（见图９）Ｊ１、，ＩＩｌｌｌＩＩＩｌＩＩＩＩｌ距离／ｍ距离／ｍｃ．％断面拱预（Ａ点）ｄ．／／２断面拱顶（Ｃ、Ｄ点）厶路径应力曲线厶路径应力曲线图９铁路隧道开挖后引黄隧洞变形与应力云图４．２．３列车荷载作用下引黄隧洞应力与变形云图列车荷载作用下，引黄隧道变形曲线与应力云图见图１０～１２。～一～一／＼／＼／１ｆ＼、，距离／ｍ—ａ．变形曲线ｂ变形云图，、，、弋ｒ、厂，Ｉｆ－４５２５６７６＝２０７６５７１×１４２７４舶星。＝１，２。１６。３９案一３２１９８４９’’１－６３＋４７６１８．９０５９９５４ＪＩｆｌＪＩＪｌ、一、，距离＇Ｉｌｌ距离，ｎ１ｃ．应力曲线ｄ．列车荷载附加应力图１０列车荷载作用下引黄隧洞Ｈ２断面拱顶（Ａ点）鼍＝黑＝焉焉靠：。＿。曩＝紫＝烹誊育＝＿。∞Ⅲ口皑：ＩＢｌａ．ｇｓ＿主应力ｂ．第一主应力图８自重应力下引黄隧洞应力与变形云图图１１列车荷载作用下引黄隧洞交叉断面（Ｈ２）应力图铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３【８）９一蚓万方数据・隧道／地下工程・０８１６２４３２４０４８５６６４７２ｇｏ距离／ｍａ．引黄隧洞纵向拱顶应力曲线０８１６２４３２４０４８５６６４７２８０距离／ｍｂ．引黄隧洞纵向拱顶附加应力曲线图１２列车荷载作用下引黄隧洞纵向拱顶应力分布曲线４．２．４列车荷载作用下铁路隧道应力与变形云图—（见图１３１５）０５０４Ｏ００６—０－１８６—０９７９—ＣＩ４７２№一Ｉ９６５蕊。４５８、。一２ｑ５１—３“４－３９３７、／、，、，、，、，、，Ｆ■■■■■■■■●●■■匕＝＝ｊ＿‘’““…ⅢⅢ‘“＿ｍｍ．１．・ｍａ．变形曲线ｂ．变形云图图１３列车荷载作用下铁路隧道Ｉ２断面拱底（Ｆ点）结构附加变形图门ｎ１，，ｆｆＪ『、、ＩＪ。、一’、＼Ｊ、，，ｒ距离／ｍ距离／ｍａ．Ｉ２断面拱底（Ｆ点）应力曲线ｂ．Ｉ２断面拱底（Ｆ点）附加应力图１４列车荷载作用下铁路隧道应力曲线’Ⅲ’ＭｍｍＭⅢＷＷ。Ｗ∞ｒｈｍＬｊ．铁路隧道Ｉ２断面第三主应力●■●———●●●——■●—■■●宣＝：二＝ⅢⅢ’ＷｍＭ・ｍｍｊｆｗｘｆＭ“ｂ铁路隧道ｌ２断面第一主应力图１５列车荷载作用下铁路隧道Ｉ２断面总应力云图５列车运行对隧道影响分析对于立体交叉隧道，上跨铁路隧道为双线铁路隧道，下穿线为引黄隧洞，实际中列车运行会出现单列车通过、两列车会车情况，为简化计算，考虑最不利情况下双线铁路隧道列车运行对下穿引黄隧洞的振动影响，即双向列车在该交叉段内会车运行情况。同时，假定在有限元计算０时刻，两列车正好到达模型１０两端边界断面处，首先分析隧道衬砌结构一围岩体系的初始应力场，在此基础上进行动力响应分析。５．１列车动载荷的施加采用瞬态分析中的完全法（ＦＵＬＬ法）计算列车载荷作用下的结构振动响应。时间步长为０．００５Ｓ，将求得的横向、竖向轮轨力以ＴＡＢＬＥ表格形式给出，在计算过程中，载荷可以自动进行线性插值，并按ＲＡＭＰＥＤ方式施加。瞬态分析中不考虑土体静载作用下的下沉。考虑各轮对进入列车的时间顺序，共划分１２０个载荷步。５．２列车运行速度影响分析不同列车运行速度下，铁路隧道Ｉ２断面Ｆ点位移和引黄隧洞Ｈ２断面Ａ点时程曲线见图１６、１７。从图中可以看出，随着列车运行速度的提高，位移响应呈逐渐增大趋势，增加幅度最大为２％。ｇ０＼馋迥－０．４？１０己／１＋１０１０２。Ｕ．黼．心”时间／ｔ图１６不同速度下，铁路隧道交叉断面（１２）拱底Ｆ点位移时程曲线时间／ｔ图１７不同速度下，引黄隧洞交叉断面（Ｈ２）拱顶（Ａ点）位移时程曲线从时程曲线分析可以看出，列车荷载作用下，在４．０２ｓ时，交叉截面位移达到最大值，选取该时刻分析结构位移响应（见图１８～２０）。铁道建翁技术…”㈠：一。：Ｉ●’ｖ．，Ｈ‘＿Ｍ１一二ｎ＝。＋ｎＩ一一ｌ图１８４．０２Ｓ时刻沿铁路隧道交叉断面（Ｉ２）位移分布ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ２０１３《８）万方数据・隧道／地下工程・图１９４．０２Ｓ时刻沿引黄隧洞交叉断面ｔ＼、－一５．００Ｅ一０５—３．ＯＯＥ一０５—１．ＯＯＥ一０５竖向位移／ｍｍ图２０铁路隧道拱底到引黄隧洞拱顶垂向位移变化曲线（时刻：４．０２Ｓ）从图中可以看出，列车荷载作用下，随着时间推移，列车从铁路隧道两端相向行驶，铁路隧道和引黄隧洞的竖向位移随列车动载而变化，引黄隧洞在正交断面Ｈ２处的仰拱位置位移最大，最大动位移为０．０１５４ｍｍ，同时在沿隧洞方向和沿截面方向向两侧逐渐减小。引黄隧洞主压应力ｓ３以拱腰部位（Ｃ，Ｄ）最大，最大动应力为１６．０９ｋＰａ。５．３引黄隧洞各特征点受力与变形数据分析表２、表３给出了在隧道开挖后、双向交会列车运行时引黄隧洞Ｈ２断面的应力变化和振动响应变化。从表中数据可以看出，铁路隧道开挖后应力变化相对初始应力场，最大变化幅值为４．９％，列车动载相对于列车静载结构应力增幅最大为１２％，列车动载相对于铁路隧洞开挖后应力，最大增幅为０．３４％。因此，列车荷载对引黄隧洞的应力影响较小。列车运行速度为１２０ｋｍ／ｈ时，列车动载附加最大位移０．０１５４ｎｌｌｎ，最大速度为１．４ｍｍ／ｓ，最大加速度为５．３１ｍｍ／ｓ２，振动速度远小于《爆破安全规程》（ＧＢ——６７２２２０１１）对引水隧洞规定的７１５ｃｍ／ｓ¨ｏ，“亦小于ＩＳＯ推荐的建筑振动标准规定的振动速度峰值小于２．５”ｍｉｌｌ／Ｓ时不可能受损。因此，列车运行对引黄隧洞的振动影响较小，不可能使结构受损。表２下穿引黄隧洞交点断面（Ｈ２）特征点有效应力对比ｋＰａ铁路隧道开铁路隧道开列车静载附列车动载附加最大应力特征点位置自重应力挖后应力挖应力变化加最大应力８０ｋｍ／ｈ１２０ｋｍ／ｈ４０ｋｍ／ｈＡ点３３７６３２４０一１３６７．９７８．４９８．９３８．３７Ｂ点３４９４３４０２—９２６．４ｌ６．７３７．０５６．６７Ｃ点４９７９４７３３—２４６１４．５１５．６６１６．０９１５．３７Ｄ点４９７９４７３３—２４６１４．５１５．６６１６．０９１５．３７表３下穿引黄隧洞交点断面（Ｈ２）特征点最大位移对比列车运行速度／特征点断面列车静载列车动载附加最大动力响应‘（ｋｍ・ｈ一）位置附加位移／ｍｍ位移／ｍｍ“速度／（ｍｍ－ｓ）加速度／（ｍｍ・ｓ。）Ｈ２断面一Ａ点０．０１４０．０１５ｌＯ．８ｌ３．２０Ｈ２断面．Ｂ点０．００５Ｏ．００５５Ｏ．２ｌ１．２３８０Ｈ２断面一Ｃ点０．００８０．００８４８Ｏ．５８１．９８Ｈ２断面一Ｄ点Ｏ．００８Ｏ．００８４８Ｏ．５８１．９８Ｈ２断面一Ａ点Ｏ．０１４０．０１５４１．４５．３１Ｈ２断面一Ｂ点Ｏ．００５０．００５６０．６６３．６８１２０Ｈ２断面一Ｃ点Ｏ．００８０．００８５５１．０３４．４５Ｈ２断面一Ｄ点Ｏ．００８Ｏ．００８５５１．０５４．４５Ｈ２断面一Ａ点Ｏ．０１４０．０１４ｌ０．５ｌ１．５３｝１２断面一Ｂ点Ｏ．００５０．００５４Ｏ．２５０．６２４０Ｈ２断面一Ｃ点Ｏ．００８Ｏ．００８２Ｏ．３９１０２Ｈ２断面一Ｄ点Ｏ．００８０．００８２０．３９１．０２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３ｆ８Ｊ１１万方数据・隧道／地下工程・图２ｌ为沿引黄隧洞纵向拱顶位置（Ａ点）应力与位移曲线，从图中可以看出，当铁路隧道开挖后及施加列车荷载后，引黄隧洞交叉位置处结构应力和位移变化最大，并向两侧逐渐减小，在距离交叉位置为２０ｍ处应力和位移基本达到初始状态。从列车运行荷一３・２２Ｅ＋０６・一３．２４Ｅ＋０６｝一３．２６Ｅ＋０６ｌ一３．２８Ｅ＋０６ｌ餐＿３３０Ｅ枷｝穴一３．３２Ｅ＋０６ｌ逍一３．３４Ｅ＋０６【一３．３６Ｅ＋０６ｌ一３．３８Ｅ＋０６｝一３．４０Ｅ＋０６１０６小结载作用下与隧道开挖后应力与位移比较可以看出，在距离交叉位置为３．５ｍ左右，应力及位移数值与未施加列车荷载情况下相当，即列车运行对引黄隧洞的影响较明显范围是沿引黄隧洞方向±３．５ｍ。列车振动荷载的影响相对于隧道开挖过程影响较小。萎－ｗ鼍；－；４｛．｜｜｜６０Ｅ薹＋０ｉ５匡莛蚕至－３；．｜｜｜７５Ｅｉ－｜｜０３匡］莛．二，：６・１譬道结构应力．分析表４铁路隧道在列车动载作用下附加最大动力响应——列车振动荷载作用于轨道，引起衬砌结构受迫丽磊ｉ＿Ｔ：：＝：Ｔ五厍磊酾而ｉ忑而矿振动，衬砌结构的振动引起隧道周围围岩受振，进■—行速度／『特臻答回Ｅ＝］趸ｉ＿Ｔ１矿而促使周围地层出现动力响应现象，可能直接影响！竺：！：２ｌ竺！竺一！竺竺：！：：２ｌ！竺竺：！：：２到隧道的安全与稳定，因而有必要研究隧道围岩的竺ｌ！！堑里：！皇Ｉ！：竺：ｌ：：！！！！：竺∞————动力响应３。竺Ｉ＿＿一』！堕三肆ｊ竺兰！！Ｉ＿４旦在列车动载作用下，引黄隧洞最大附加有效应力竺ｌ！！堑堕：！皇Ｉ！：竺Ｉ！：竺竖竺对于自重应力而言很小，列车振动引起的附加内力对下穿引黄隧洞在交叉点断面（Ｈ２断面）处Ａ点于与结构自重应力增幅都在０・２％以内，因此，对于隧（拱顶）竖向位移、速度、加速度均达到最大，最大值道结构而言，围岩静压力是结构设计的控制荷载；上见表５。振动速度从铁路隧道仰拱中心到引黄隧洞跨铁路隧道附加有效应力自衬砌结构底部向顶部逐拱底衰减量最小为８８．５％。从表中可以看出，振动渐衰减，强烈区主要分布在衬砌结构下半部分，其中速度远小于《爆破安全规程》（ＧＢ—６７２２２０１２）对引仰拱对列车荷载最为敏感，最大附加有效应力达到水隧洞规定的７。１５…ｃｍ／。，亦小于ＩＳＯ推荐的建筑２４．７９５ｋＰａ。对于下穿引黄隧洞，拱顶（Ａ特征点）和“振动标准规定的振动速度峰值小于２．５ｍｍ／ｓ时不边墙位置（Ｃ，Ｄ特征点）位置对列车振动荷载最为敏”可能受损。沿引黄隧洞纵向，在交叉点两侧的断面感，拱顶位置处最大附加有效应力达到８．９３ｋＰａ，边各响应量呈逐渐衰减趋势，即离立交点位置断面越墙位置处最大附加有效应力达到１６．０９ｋＰａ。列车运远，振动响应也越小。因此，在上跨铁路隧道双向行对引黄隧洞较为明显的影响范围是沿引黄隧洞方行车情况下，引黄隧洞的振动响应满足要求。向±３．５ｍ，影响强度和范围均比较小。波兰的Ｃｉｅｓｉｅｌｓｋｉ学者通过大量的试验验证指６．２隧道结构振动响应分析出：振源下２ｍ深土层的振动加速度为地表的２０％上跨隧道和下穿引黄隧洞断面各点的位移随～５０％，４ｍ深时，振动能量减少到１０％～３０％。文时间变化规律相似。其中上跨隧道Ｆ点（仰拱中中的仿真分析结果也证实了这一观点。部）的最大竖向位移与隧道断面其他位置相比较（下转第１６页）１２铁道建筑撞来ＲＡｌＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１３１８１万方数据・隧道／地下工程・℃用。当外环境温度达到和低于一８时，保温的效℃果显著，可提高衬砌温度３以上，而当外环境温度℃较高时（大于一４），保温的效果相对不太明显。（５）隧道二衬表面铺设保温板后，隧道内不同断面的衬砌砼的降温值、降温速度、最低温度基本相同，温度场分布均匀。５结论通过对垭口山隧道温度场变化的监测和分析，得出如下结论和建议：（１）严寒气候对垭口山隧道结构的影响主要在洞口约３００ｍ长度范围，考虑到现场监测时当地气温度未达到极端严寒温度，隧道内施工虽有通风，但考虑到隧道运营时车流、气流对隧道内温度的影响，故增长１００ｍ为安全储备长度，即在垭口山隧道进出口设置保温层长度为４００ｍ。（２）采取在隧道二衬表面安装聚酚醛保温板的隔温措施，不仅保证了在严寒气候条件下，二衬背后的围岩不冻结，而且二衬砼内温度场分布均匀，大大消除了二衬砼内部因温度差异而产生的附加应力。（３）建议将原设计隧道口４００ｍ段二衬表面安设厚度为５０ｒａｉｎ的保温板，调整为：按照距隧道口距离２００ｍ为界，保温板厚度调整为７０ｍｌｎ和３０ｍｌｎ，这样隔温措施更合理，效果会更好些；同时隧道洞门相应要有保暖、隔温设计，这样才能确保隧道洞口结构不受冻害破坏。（４）严寒气候，保温板虽然能够保证隧道背后围岩不冻结，但隧道二衬砼可能发生冻结，所以除隧道二衬背后须设置完善的防排水系统外，控制二衬混凝土的孔隙水含量、提高二衬混凝土的抗渗等级，可有效降低严寒气候条件下孑Ｌ隙水冻结对隧道衬砌结构的冻胀力，有利于隧道结构的安全。参考文献［１］何春雄，吴紫汪，朱林楠．严寒地区隧道围岩冻结状况分析的对流换热模型［Ｊ］．中国科学，１９９９，２９（增—刊）：１７．［２］杨更社，周春华，田应国．寒区软岩隧道的水热耦合数—值模拟与分析［Ｊ］．岩土力学，２００６，１（８）：１０１３．［３］林睦曾编著．岩石热物理学及其工程应用［Ｍ］．重庆大学出版社，１９９１：７．［４］孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用［Ｍ］．科学出版社，１９９８．［５］赖远明，喻文兵．寒区圆形截面隧道温度场的解析［Ｊ］．冰川冻土，２００１（３）．（上接第１２页）洞的初始应力仅０．３４％。表５引黄隧洞列车动载作用下附加最大动力响应（４）在铁路隧道开挖及运营期间列车荷载作用列车运ｌ桂杯占瞄而Ｉ列车动载附加最大动力响应对引黄隧洞产生了一定的附加应力，但相对引黄隧，，建鬈、Ｉ位置ｌ位移／Ｉ速度／Ｊ加速度／洞的初始应力均较小，约为初始应力的５％。根据————二＝二＋磊Ｆ忑斗竺半竺Ｌ￡叫尘竺２１工程经验，基本可忽略不计。８０１１２００１５１０８１３２０ｌ断面－Ａ点１．１．Ｉ．………’”一～～————■］面＿十面面面石封百面五１Ｔ丽＿ｒ五了一根据以上受力仿真分析结果，综合考虑各种情况，４０Ｈ２断面一Ａ点ｌ０．０１４１０．５１１．５３最终决定采用加强仰拱的方案，取得了引黄管理单位搪。．霄ｃ峰肃ｍ的认可，当前该跨越段已顺利通过，经第三方检测单位ｉ：谣菇矗啬箅挖后，在引黄隧洞衬砌内部产的全槛测，铁路隧道对引水隧洞未造成任何损坏。生了一定的附加应力，但相对于引黄隧洞的初始应参考文献力状态，其变化值较小，均不超过５％。［１］中华人民共和国水利部．水工隧洞设计规范［ｓ３．北（２）在列车静载作用下，考虑在最不利两列车京：中国水利水电出版社，２００３．交会工况下，引黄隧洞附加应力最大约１４．５ｋＰａ，相［２］翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．北京：科学出版对于引黄隧洞的初始应力状态，增幅不到０．３％。社，２００７・（３）在列车动荷载作用下，考虑在最不利两列车—［３］！争｛堡爆蔓曼全：婴蟹２２２０ｌｌ爆破安全规程赛毒黧，黧璧。・罂，唑ｈ曼』烈苎璧塑絮…嚣嫘蒜徽批ＴＢ怒ｊ一２。。５铁路隧道（Ａ特征点）和两侧边墙（ｃ，Ｄ特征点）对列车振动荷………。。蠢弃藐磊ｉ；ｊ．；ｊ篆。耳旨铁道出版社，２００５．载最为敏感，拱顶最大附加有效应力达８．９３ｋＰａ，边［５３李强，王明年．地铁重叠隧道的列车动荷载响应分析墙最大附加有效应力达１６．０９ｋＰａ，但相对于引黄隧—［Ｊ］．铁道建筑技术，２００４（３）：２１２３．万方数据