隧道管棚支护对上部铁路路基列车振动传播规律影响研究

　　摘要：隧道下穿既有路基时采用管棚支护是常用的一种手段，当列车通过隧道正上方时，其所受影响相比一般情况而言更大。因此，对该情况下不同管棚间距时的列车振动传播规律进行研究，从而得到合理管棚间距。采用室内模型试验的方法对地层振动加速度进行监测，结合数值模拟对地层加速度与动位移进行分析。研究结论如下：(1)改变管棚间距，只会改变地层加速度与位移峰值，并不会改变其自上而下的衰减规律;(2)管棚间距会对加速度与位移峰值产生影响，管棚间距越小，加速度与位移峰值越小，当间距减小到40cm后，继续减小对加速度与动位移影响很小;(3)分析数值模拟中加速度与动位移传播规律，认为合理管棚间距为40cm。

　　关键词：隧道下穿;管棚;振动;模型试验;数值模拟;管棚间距

　　近年来，我国对地下空间的开发规模日益扩大。随着大规模地下工程的开工建设，由于受到既有路基限制，出现了大量新建隧道下穿既有铁路的复杂工程。当列车运行通过隧道正上方时，隧道结构和地层在上部列车振动荷载作用下可能会产生振动变形等危险，继而影响列车运行安全。

　　为减少此类危险，保证隧道施工与运营期间安全，工程中常采用管棚支护措施对隧道进行支护，而超前支护的存在，可有效减小上部振动荷载产生的围岩变形。但通常由于此类工程较为复杂，工程中常会遇到各种难题，因此，研究管棚支护上部地层振动传播规律具有重要的现实意义。目前，国内外诸多学者对类似工程进行了大量分析研究[1-5]。

　　隧道论文范例： 邻近地铁隧道的钻孔灌注桩施工技术研究

　　一部分学者对地下穿越结构受列车振动荷载影响下结构与围岩变形进行了研究[6-10]，认为上部既有路基的振动荷载会对下部穿越隧道的安全性产生影响[11-12]。此外，还有部分学者对采用管棚支护的类似穿越工程进行了分析[13-15]，但此类研究多为静载作用下开挖施工引起的一系列问题[16-18]，而特别针对列车振动荷载对类似工程影响的研究很少。由于此类工程施工安全要求高，进行现场实测难度较大，且构建力学解析模型也相对复杂。

　　鉴于此，针对列车运行通过上部路基交叉点这一特殊情况，采用室内模型试验与数值模拟相结合的方法，对不同管棚间距下列车振动传播规律进行研究，分析管棚间距对地层振动加速度与动位移的影响，得到合理管棚间距，以期为类似工程提供借鉴1列车振动荷载模拟列车荷载的确定是一个非常复杂的问题，常用的列车荷载确定方法有实测加速度法和经验公式法，由于荷载现场实测难度较大，受限于试验条件，本次采用经验公式法对其进行确定[19]。

　　2室内模型试验

　　2.1试验介绍

　　通过对模型箱内的路基模型相应位置施加列车荷载，以模拟隧道下穿路基段管棚支护的实际工作状态，进而得到一些规律性的认识。本试验针对列车运行通过隧道正上方，即通过交叉点时，不同管棚间距下的列车振动传播规律进行研究，分析不同管棚布置方案下列车振动荷载对管棚结构上部地层的影响。

　　2.2试验步骤

　　(1)在模型箱底部固定模拟管棚，管棚下方放入水袋并充满水，保证填料过程没有材料掉下。(2)模型箱四周布置高密度泡沫板，减小试验中振动波的反射，保证试验的正确性。(3)分层填筑，每5cm填筑一次，试验中采用的填料为含水量10%的粉细砂，填筑过程中在设计位置布设加速度传感器。

　　(4)在相应位置布置铁轨模型，保证车道模型与激振器上的传力杆紧密接触，传力杆采用φ18mm光圆钢筋，与铁轨接触的一段焊接一块φ3cm圆形铁片，底部固定等大小的橡胶垫，防止传力杆与车道直接接触。(5)填筑完成之后，打开下方水袋，将水放出，此步骤模拟开挖卸荷过程。(6)加载，并采集数据，加载时间保持1min的稳定时间，停止加载，停止采集。(7)重复上述步骤，进行多工况试验，共设置6种工况，管棚间距分别为6，9，12，15，18，21cm。

　　3数值模拟

　　受限于试验条件，模型试验部分选取了相邻2根管棚为研究对象。鉴于此，为更好地模拟实际情况，本节采用数值仿真手段对完整的隧道下穿路基段管棚支护进行模拟，以研究管棚间距对地层振动传播规律的影响。

　　3.1模型的建立

　　采用三维有限差分软件建立动力分析模型，模拟隧道下穿路基段管棚支护的动态承载特性。指定上部铁路路基方向为X轴正向，下部隧道方向为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向。

　　结合某实际工程，下部隧道设计洞跨为13m，高9m(高度为仰拱底至拱顶的高差)，隧道与上部高速铁路路基交叉角度为90°，隧道顶板至路基底部距离8m。为减小边界效应的影响，经过大量计算，确定了模型尺寸为65m(长)×30m(宽)×44m(高)。在数值模拟研究中，可将管棚支护的加固效果视为在隧道开挖轮廓线以外形成了环形加固圈，采用改善围岩参数的方法进行模拟[22]。

　　3.2计算工况

　　目前，工程中常用的管棚为φ108mm，而工程中管棚环向间距的布置通常为30~60cm，鉴于此，选取30，35，40，45，50，55，60cm作为计算工况。对各工况加固区等效弹性模量进行计算[23]。

　　3.3监测点布置

　　为研究管棚间距对地层振动传播规律的影响，数值模拟中在交叉段地层自路基底部至加固区由上而下布置了8个监测点。由于试验中监测位移较为困难，模拟中对各监测点的加速度与动位移进行了监测。

　　4结论

　　通过分析隧道管棚支护对上部铁路路基列车振动传播规律的影响，针对列车运行通过交叉点时进行了模型试验与数值模拟研究，分析管棚间距对地层振动传播规律的影响。对地层的加速度响应进行了监测，模型试验与数值模拟部分振动加速度规律一致，此外还在数值模拟中对地层的动位移进行了监测，并根据模型试验与数值模拟结果得到了合理管棚间距。主要研究结论如下。

　　(1)列车振动荷载作用下，地层加速度峰值随距路基距离的增加而逐渐减小。即距离上部路基越远，加速度峰值衰减速度越慢。改变管棚间距，只会改变各测点的加速度峰值，不会改变地层的加速度衰减规律，各管棚间距下地层的加速度衰减规律相同。(2)数值模拟部分与模型试验部分得到了相同的结论。管棚间距会对地层加速度响应产生影响，管棚间距越小，各测点的加速度峰值越小，当管棚间距缩小到一定范围时，各测点的加速度峰值不再明显减小。

　　(3)管棚间距改变会影响地层的动位移，随着管棚间距减小，各测点的动位移随之减小，但当管棚间距缩小到40cm之后，继续缩小管棚间距对测点位移峰值影响很小。 (4)数值模拟中振动加速度与动位移在管棚间距由60cm减小到40cm的过程中变化较大，而在由40cm减小到30cm的过程中变化很小。因此认为本文条件下管棚间距为40cm较为合理。

　　参考文献：

　　[1]戴志仁，任建，李小强，等.富水砂卵石地层盾构隧道穿越铁路咽喉区道岔群技术研究[J].隧道建设(中英文)，2019，39(6)：1005-1013.

　　[2]王志强，孙明磊，刘志春，等.暗挖隧道近距下穿既有区间隧道施工方案对比研究[J].国防交通工程与技术，2021，19(2)：58-61.

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　　[4]王明年，王岩，胡云鹏，等.冰碛层围岩稳定性及亚分级研究[J].中国铁道科学，2020，41(4)：64-73.

　　作者：董捷1,2，杨博1,2，王小敬3，刘建友4