下穿隧道施工至不同位置时 列车振动荷载作用下地层动力响应分析
高玄涛
（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）
摘要：文章以某隧道下穿高速铁路项目为背景，隧道下穿高速铁路施工为特级风险源，对地层沉
降要求极为严格。对隧道下穿施工期间，在列车振动荷载作用下产生的地层动力响应进行了三维数值模拟分析。数值模拟计算结果表明，下穿隧道与高铁路基交叉点处为该工程薄弱环节，在设计与施工过程中需对此处采取加强措施，以保证施工安全及不影响列车正常运行。
关键词：下穿隧道 振动荷载 数值模拟 动力响应
Analysis of Dynamic Properties of the Soil Induced by the Vibration Load of Trains
When the Undercrossing Tunnel Was Excavated to Different Locations
Gao Xuan tao
( China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi’an 710043,China)
Abstract: The article was based on the engineering of a tunnel beneath a high-speed railway, the construction of the tunnel was a premium source of hazard, so the settlement of the strata was limited strictly. In this paper, the dynamic response of strata under the dynamic train loads during the construction of the tunnel beneath existing railway was computed by means of digital simulation. The simulation results indicate that the crossing point of the tunnel and the high-speed railway’s roadbed was the weakness, some measurements should be taken to ensure the safety of the construction and the normal operation of the existing high-speed railways. Key words: undercrossing tunnel vibration load digital simulation dynamic response
近年来，我国轨道交通得到大力发展。随着我国0.5m，桩长10.5m，桩底标高约13.275m，桩端一般轨道交通的大规模建设，近接工程数量越来越多，施进入强风化层不少于0.5m，桩间距1.80m，按正方形工难度也越来越大。特别是隧道下穿高速铁路施工时，布置，桩顶设1.0m扩大桩头，桩顶设0.6m厚垫层不可避免地对周围土体产生扰动，引起周围地层损失（0.2m厚中粗砂+0.4m厚碎石）,垫层内铺设二层双向及路基沉降，造成高速铁路轨道的纵、横向不平顺，经编高强土工格栅；土工格栅极限抗拉强度不小于
100kN/m。地基表层挖除换填0.5m厚C组填料后再打从而影响列车的运营安全[1]。本文以某隧道下穿高速
铁路项目为研究背景，主要采用数值模拟的方法对下桩。 穿隧道施工至不同位置时列车动载作用下地层动力响客运专线B地基采用CFG桩加固, 桩径0.5m，桩应进行研究分析，为下穿隧道施工提供理论指导。 长9.5~6.5m，CFG桩桩端进入硬层不少于1.0m；桩间1 工程概况 距1.8m，按正方形布置，桩顶设直径为1.0m扩大桩
该隧道下穿高速铁路A（即将投入运营）、客运头；桩顶设0.6m厚垫层（0.2m厚中粗砂+0.4m厚碎专线B（已运营）、客运专线C（在建）段，需与在建石）,垫层内铺设二层双向经编高强土工格栅；土工格的工程同步完成施工。隧道全长300m，隧道内为单栅极限抗拉强度不小于100kN/m。地基表层挖除换填面坡，隧道开挖拱顶到上部铁路轨顶面最大埋深约0.5m厚C组填料后再打桩。 27.3m。隧道下穿段与地表高速铁路A、客运专线B客运专线C本段地基采用CFG桩加固, 桩径及客运专线C在平面位置上呈斜交，斜交角度约30°。 0.5m，桩间距1.6m，桩长3.0～9.0m（桩长嵌入全风
高速铁路A本段地基采用CFG桩加固, 桩径化层内不小于1.0m），按正三角形布置。CFG桩桩顶
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采用1mx1m扩大桩头，桩顶设0.5m厚碎石垫层，垫层内铺设1层双向经编土工格栅，土工格栅抗拉强度不小于250kN/m。
下穿隧道与地表线路路基相对位置及纵断面图分别见图1、图2。 2 地质概况
隧道处地貌为秦淮河及其阶地、岗地、坳谷以及剥蚀丘陵，隧道洞身位于第四系地层中。根据地质资料揭露，上部为人工填土，2~5m，下部为第四系上更
新统粉质黏土层，硬塑，厚度0~5m，具有弱膨胀性，下伏基岩为白垩系砂岩或侏罗系凝灰岩、砂岩，节理裂隙发育，全风化~弱风化，地下水主要赋存于土层与风化层、强风化与弱风化层间及岩层裂隙内，水量较丰富。隧道拱顶以上0~3m范围为弱风化岩，隧道所处地质根据围岩情况判定为Ⅲ~Ⅳ级，根据隧道穿越地段地表建筑物的重要性及地下水情况，将隧道按为V级型式加强支护。如图3所示。
图1 工程平面位置（单位：m）
图2 工程纵断面（单位：m） 图3 地质柱状图（单位：m）
3动力分析本构模型
土的动力本构关系是极其复杂的，它在不同的荷载条件、土性条件下会表现出极不相同的动力本构特性。目前具体建立的动力本构模型已达数十种，大致可以分为线弹性模型、黏弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模型等[2]。
根据弹塑性理论，土体变形可以分为弹性变形和塑性变形两部分，其中弹性变形可以应用广义胡克定计算，塑性变形可以应用塑性增量理论计算。塑性增量理论包含3个基本要素：屈服准则、流动法则和硬化定律，分别规定了塑性应变增量的产生条件、方向和大小。目前基于不同的基本要素已经提出了多种弹塑性本构模型，如Drucker-Prager模型、多重屈服面模型（Nested Surfaces Model）、边界面模型（Bounding Surfaces Model）等[2]。
事实上，目前还没有一种本构模型能够模拟各种情况下土的动力非线性特征，并具有实际应用中必要的简单性。因此针对具体的问题应该选择合理而简单
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的本构模型[2]。
ABAQUS是国际上最先进的大型非线性有限元计算分析软件之一，具有强健的非线性计算功能。其提供的非线性模型有Mohr-Coulomb模型、扩展的Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager帽盖模型、（修正）剑桥模型。其中Mohr-Coulomb模型在岩土工程中应用最广泛，模拟结果与实际也较为吻合。因此计算中采用Mohr-Coulomb模型[3]。 4 有限元计算模型的建立
采用三维有限元模型进行计算。根据工程实际及圣维南原理进行建模，隧道顶部以上覆土为23.5m，隧道底部以下为29.7m，左右边界分别离隧道中线50m，纵向延伸50m。通过ABAQUS程序建立的计算分析模型如错误！未找到引用源。所示。
403530支点压力/kN2520151050-50.00.51.01.52.0时间/s 2.5
图4 下穿隧道计算分析模型
图5 列车轮轨激振力时程曲线
4.1 本构模型
土体的非线性本构模型：采用了弹塑性物理模型。衬砌单元采用强度等级为C35的钢筋混凝土，计算时采用Mohr-Coulomb本构模型并将混凝土与钢筋合为一体考虑。为了建模及划分网格方便，将计算区域不同地层简化为同一地层，土体参数进行相应转换。根据下穿隧道段地质勘察资料，计算过程中土体的材料参数取值如表所示。
表1材料物理力学参数
地层 地层 高铁路基 轨道板 弹性模量/MPa 80 270 3.5E+4 [4][5]本文主要计算了隧道开挖到不同位置时列车以时速350km通过，研究地层动力响应。计算过程中分别在地层表面、地层不同深度处及隧道拱顶设置监测点，监测该处位移变化情况。 5.1地层表面监测点位移分析
隧道分别开挖至15m、25m和35m时，施加列车振动荷载，地层表面各监测点在列车动载作用下的竖向位移时程曲线如图6所示。
泊松比/u 0.35 0.3 0.167 密度/kg·m 2050 2250 2850 -3黏结力/Pa 0.4E+5 1.2E+5 — 内摩擦角/ (°) 25 38 — (1) 隧道开挖至15m处施加动载地表监测点位移时程曲线
4.2 边界条件
本工程通过对固定边界、黏性边界条件及无限元边界条件进行计算比较分析，计算结果相差不大，一方面是由于列车振动荷载不是很大，另一方面模型选取的比较大，列车振动荷载传至边界处时已衰减较多。而从计算所需时间上看，固定边界所需时间要少，故选用固定边界进行计算。
固定边界条件：土层底部完全固定；左右两侧面限制水平方向的位移，竖向自由；前后两面限制轴线方向的位移，竖向自由；地面完全自由。 5 动力计算及结果分析
本文针对无砟轨道的结构特点，采用弹性地基梁板模型分析了CRTSⅠ型板式无砟轨道结构动力响应，给出了CRTSⅠ型板式无砟轨道结构在CRH2列车以时速350km经过时轨下压力时程曲线，确定了列车振过 程中的激励荷载。如图5所示。
(2) 隧道开挖至25m处施加动载地表监测点位移时程曲线
(3) 隧道开挖至35m处施加动载地表监测点位移时程曲线 图6 隧道开挖至不同位置时施加动载地表监测点位移时程曲
线
隧道开挖至不同位置施加动载地表监测点最大竖向位移如表2所示。
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