高速铁路桩板路基下电缆隧道动力响应评估与分析

摘要：采用有限元软件，建立了土体—桩板路基—电缆隧道结构一体化模型。对结构在时速300km/h列车振动荷载作用下进行三维动力响应分析，研究电缆隧道结构的振动位移、振动速度与振动加速度的响应情况，并对此动力响应进行了评估与分析。计算结果表明，在桩板结构防护下，列车通过时不会对电缆隧道结构产生明显的破坏影响。研究成果对评价隧道结构的动力稳定性具有一定的指导意义。
关键词：列车动荷载；桩板路基；隧道；动力响应
中图分类号：U211.3 文献标识码：A
1 研究背景
列车振动荷载对隧道结构的影响是隧道工程研究的基本问题之一。目前，由于受建筑物的限制和地下空间综合开发的影响，一些铁路线路难以避免要跨越市政工程的管线隧道，因此列车动力荷载可能会对隧道产生一定的影响。例如某城际轨道交通工程地段下，设有电力公司的一条2.0m 2.0m电力方沟，该城际铁路采用了桩板路基结构的形式对该电缆隧道进行了保护。本文以该段工程为例，采用有限元软件，对时速为300km的列车振动荷载作用下结构中的动力响应进行了评估与分析。
2 工程概况及有限元模型
2.1 工程概况
在DK2+950~DK3+015范围，采用桩板结构对电缆隧道进行防护。桩顶为80cm厚、15m宽C30钢筋混凝土板，桩基采用直径80cm钻孔灌注桩，桩长为22m。桩基根据电力管沟的走向布置，最大桩间距4.2m。既有电缆隧道围护结构为钢筋混凝土框架，管道内尺寸2×2m，顶、底板厚度0.4m，边墙0.3m。桩板结构及电缆隧道结构横断面如下图所示。

2.2 列车荷载模拟
运用耦合动力学思想，通过FORTRAN动力学仿真计算程序建立了车辆—轨道耦合系统振动分析模型，为研究列车荷载对下部结构的影响提供动力荷载谱。
通过上述FORTRAN动力学仿真计算程序，计算了列车以速度300km/h通过电缆隧道区域时车辆和轨道结构的动力响应，提取轨道板下动应力作为研究列车荷载对轨道下部结构影响的动力荷载谱。

2.3 有限元模型的建立
桩、板和土体均采用三维实体单元建模。选择电缆隧道结构作为研究对象。根据圣维南原理，取土体宽度为26m,纵向长度26m,深度24m。受计算条件所限，在建立有限元计算模型时，将隧道周围土体视为连续、均质、各向同性介质。具体的断面形状及桩板结构的相对位置如图3和图4所示。

2.4 边界条件
结构周围的土体是半无限介质，对静荷载下土与结构相互作用进行分析时，可在离结构较远处引入虚拟边界，但在土与结构动力相互作用的分析中，由于虚拟边界会把由结构辐射出来的波反射回已被截取出的土体中，使波无法透过虚拟边界而辐射至无穷远处，即无法满足辐射条件。因而不能简单地截取有限土体进行分析，通常可在虚拟边界上设置人工边界条件如人工透射边界条件或人工阻尼边界条件等，保证外行波穿过边界辐射到无穷远处，或使能量消耗在边界上而不反射到已截取的有限土体中。
本文所建土体—桩板路基—电缆隧道结构一体化模型的横、纵向均采用黏弹性边界处理。
3 评估标准与依据
结构在动态荷载的作用下产生的响应在宏观上主要以动态位移、速度、加速度等指标来衡量，当它们超过了材料或构件的某项极限值后，结构将出现不同程度的破坏现象。国内外针对各种振源对临近建筑物的振动影响制定了相关标准。目前衡量建筑结构所受到的影响常用的物理量为振动速度。因为振动速度能直接反映建筑物破坏的烈度以及振动响应的能量大小，所以国内外规范大多规定建筑物的振动速度。
在我国，《机械工业环境保护设计规定》（JBJ16-2000）对特殊建筑物的振动容许值进行了规定。表1中的速度容许值是各方向振动合速度。

建筑物的类型振源频率 / Hz 速度容许值 / (mm/s)
有保护价值或对振动
特别敏感的建筑 10~30 3
30~60 3~5
古建筑
（严重开裂及风蚀者） 10~30 1.8
30~60 1.8~3
综上所述，本次评估确定以电缆隧道结构质点振动速度峰值速度作为主要评价指标，同时对动态位移及加速度也进行考察。由于低频振动对建筑物开裂的影响比高频振动大,为了安全起见,这里选择10~30Hz频率所对应的振动速度容许值。对于桩板路基下电缆隧道，可视为对振动特别敏感的建筑,振动速度容许限值为3.0mm/s。
4 计算结果
4.1 动位移计算结果
当车辆通过时，列车荷载作用下的隧道变形结果如图5至图7所示。

4.2 振动速度计算结果
当车辆通过时，列车荷载作用下的隧道振动速度结果如图8至图10所示。

4.3 加速度计算结果
当车辆通过时，列车荷载作用下的隧道振动加速度结果如图11至图13所示。

本文结合某城际铁路下穿电力公司的一条2.0m×2.0m电缆隧道的工程实例，采用有限元软件，对土体-桩板路基-电缆隧道结构在300km/h列车荷载作用下进行了三维动力响应分析，得到列车动荷载通过时桩板下电缆隧道体系的动力响应，并根据国内外的相关标准得出以下结论：
（1）列车动荷载作用下，桩板结构下的隧道最大变形为0.37mm，隧道变形很小。因此，在列车荷载的动力作用下产生的变形不会对电缆隧道产生不利的影响。
（2）列车动荷载作用下，桩板结构下的隧道最大振动合速度为1.669mm/s，隧道振动速度小于《机械工业环境保护设计规定》（JBJ16-2000）对特殊建筑物的振动容许值3.0mm/s。
（3）列车动荷载作用下，桩板结构下的隧道最大加速度为0.764m/s2，隧道加速度较小，对电缆隧道的不利影响也较为有限。
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