列车振动荷载下路基
石玮+赵亮+石恒岳
摘 要：随着高速铁路的快速发展，铁路隧道工程的建设与日俱增，进而对隧道结构的动力稳定性提出了更高的要求。目前，对黄土隧道结构的研究仅限于地震荷载一种因素的影响，而对多因素作用下黄土隧道结构的研究较少。为了得到黄土隧道结构在地震-列车荷载作用下的動力响应规律，本文运用ADINA软件，基于车-轨耦合理论对曲墙式黄土隧道进行了数值分析。通过分析隧道衬砌关键点的位移、应力，得到地震-列车荷载作用下曲墙式黄土隧道动力响应规律，旨在为穿越黄土地区高速铁路隧道结构的动力稳定性研究和设计提供参考和建议。
关键词：地震；黄土；列车荷载；曲墙式；稳定性；动力响应
中图分类号：U451.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0100-02
黄土主要分布在较为干燥地区，我国散布着世界上大部分黄土，占国土面积的6.3%，约为6.4万平方公里。我国黄土地形规模宏大且发育完善，主要分布在西北地区。目前，对黄土隧道结构围岩在复杂应力及多场耦合作用下的安全和稳定性的研究[1-2]，是未来隧道技术发展的重点工作。单一的作用力对黄土隧道的影响目前都有所研究，但是黄土隧道结构在自重、地震动荷载、列车荷载、等诸多因素下的多场耦合分析寥寥无几。本文就黄土隧道结构在粘弹性人工边界条件下的黄土隧道在地震动与列车作用下的动力响应分析做了详尽的分析与研究。黄土隧道在复杂荷载耦合情况下，其结构的变形、位移等定性、定量的分析研究，为其设计和施工提供参考依据。
1 材料参数及分析模型
1.1 材料参数
本文针对Q2类黄土，黄土隧道结构的围岩参数视为各向同性的理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则。支护结构采用复合式衬砌，初次厚度为300mm，二次衬厚度为500mm，均采用C30混凝土，黄土隧道围岩、支护结构及轨道板等结构的物理力学参数见表1、表2。
1.2 分析模型
根据现有文献[4]，本文在建立分析模型时，左右两侧取5倍隧道宽度，下部取5倍隧道高度，上部取到自由边界作为计算范围。模型的边界条件为粘弹性边界，跨度取10m，埋深取30m。本文采用El-Centro波进行地震响应分析，考虑列车荷载作用时选取4s的列车激励，为实现作用时间内的全程共同作用，地震持续时间也选为4s，并将地震波沿Y方向（ADINA二维模型中，Y向即为水平向）从计算模型的底部输入。本文的结构计算模型范围及边界如图1所示。
2 高速列车荷载计算方法
英国铁路技术中心的理论和测试研究表明[5]，由于各种轨道不平顺及轮周局部缺陷是引起竖向轮轨力的主要原因，文献[6]将列车荷载简化为一个包含振动幅值和频率的指数函数形式，本文采用列车激励模型表达式为
本文模拟列车激励荷载采用的参数[7]，列车速度取v=320km/h，其低频、中频、高频的范围分别为5～9，25～45和100～200Hz。符合上述的试验规律，激励为一不规则波形，如图2所示。
3 结果分析
3.1 位移计算结果
图3为曲墙形隧道结构关键点在地震-列车荷载作用下的水平位移时程曲线。
由图3可知，在地震-列车荷载作用下，拱腰水平正向位移最大，为9.12mm；仰拱水平正向位移最小，为8.90mm，比拱腰减小2.4%。拱顶的水平负向位移峰值最大，为10.42mm；拱脚的水平负向位移峰值最小，为10.07mm，与拱顶相比降低3.3%。
3.2 应力计算结果
图4、图5分别为曲墙形隧道结构在地震-列车荷载作用下2.12s时刻的第一主应力和第三主应力云图。
根据图4、图5可知，在地震加速度最大时刻，曲墙形隧道结构在拱顶和仰拱处的第一主应力较大，最大值出现在仰拱轨道板处，为1066kPa，第三主应力沿隧道断面分布比较均匀，拱顶和仰拱数值较小，最大值出现在右侧拱腰，为12860kPa。
4 结语
本文基于强度折减法，在埋深及列车荷载等参数确定的情况下，通过提取隧道断面关键点分析了地震-列车荷载作用下曲墙式黄土隧道结构的位移、应力变化规律，得出的主要结论如下：
（1）地震-列车荷载作用下关键点的水平位移峰值位于拱顶。（2）地震-列车荷载作用下，黄土隧道结构的第一主应力主要分布在拱顶和仰拱，第三主应力分布均匀，主要分布在两侧拱腰。
参考文献
[1]郑颖人，邱陈瑜，张红，等.关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索[J].岩石力学与工程学报，2008，27（10）：1968-1980.
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[3]黄娟.基于损伤理论的高速铁路隧道结构振动响应分析及疲劳寿命研究[D].长沙：中南大学，2010.
[4]谷兆祺，彭守拙，李仲奎.地下洞室工程[M].北京：清华大学出版社，1994.
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