摘要：隧道下穿既有路基時采用管棚支護是常用的一種手段，當列車通過隧道正上方時，其所受影響相比一般情況而言更大。因此，對該情況下不同管棚間距時的列車振動傳播規律進行研究，從而得到合理管棚間距。采用室內模型試驗的方法對地層振動加速度進行監測，結合數值模擬對地層加速度與動位移進行分析。研究結論如下：(1)改變管棚間距，只會改變地層加速度與位移峰值，并不會改變其自上而下的衰減規律;(2)管棚間距會對加速度與位移峰值產生影響，管棚間距越小，加速度與位移峰值越小，當間距減小到40cm后，繼續減小對加速度與動位移影響很小;(3)分析數值模擬中加速度與動位移傳播規律，認為合理管棚間距為40cm。

　　關鍵詞：隧道下穿;管棚;振動;模型試驗;數值模擬;管棚間距

　　近年來，我國對地下空間的開發規模日益擴大。隨著大規模地下工程的開工建設，由于受到既有路基限制，出現了大量新建隧道下穿既有鐵路的復雜工程。當列車運行通過隧道正上方時，隧道結構和地層在上部列車振動荷載作用下可能會產生振動變形等危險，繼而影響列車運行安全。

　　為減少此類危險，保證隧道施工與運營期間安全，工程中常采用管棚支護措施對隧道進行支護，而超前支護的存在，可有效減小上部振動荷載產生的圍巖變形。但通常由于此類工程較為復雜，工程中常會遇到各種難題，因此，研究管棚支護上部地層振動傳播規律具有重要的現實意義。目前，國內外諸多學者對類似工程進行了大量分析研究[1-5]。

　　隧道論文范例： 鄰近地鐵隧道的鉆孔灌注樁施工技術研究

　　一部分學者對地下穿越結構受列車振動荷載影響下結構與圍巖變形進行了研究[6-10]，認為上部既有路基的振動荷載會對下部穿越隧道的安全性產生影響[11-12]。此外，還有部分學者對采用管棚支護的類似穿越工程進行了分析[13-15]，但此類研究多為靜載作用下開挖施工引起的一系列問題[16-18]，而特別針對列車振動荷載對類似工程影響的研究很少。由于此類工程施工安全要求高，進行現場實測難度較大，且構建力學解析模型也相對復雜。

　　鑒于此，針對列車運行通過上部路基交叉點這一特殊情況，采用室內模型試驗與數值模擬相結合的方法，對不同管棚間距下列車振動傳播規律進行研究，分析管棚間距對地層振動加速度與動位移的影響，得到合理管棚間距，以期為類似工程提供借鑒1列車振動荷載模擬列車荷載的確定是一個非常復雜的問題，常用的列車荷載確定方法有實測加速度法和經驗公式法，由于荷載現場實測難度較大，受限于試驗條件，本次采用經驗公式法對其進行確定[19]。

　　2室內模型試驗

　　2.1試驗介紹

　　通過對模型箱內的路基模型相應位置施加列車荷載，以模擬隧道下穿路基段管棚支護的實際工作狀態，進而得到一些規律性的認識。本試驗針對列車運行通過隧道正上方，即通過交叉點時，不同管棚間距下的列車振動傳播規律進行研究，分析不同管棚布置方案下列車振動荷載對管棚結構上部地層的影響。

　　2.2試驗步驟

　　(1)在模型箱底部固定模擬管棚，管棚下方放入水袋并充滿水，保證填料過程沒有材料掉下。(2)模型箱四周布置高密度泡沫板，減小試驗中振動波的反射，保證試驗的正確性。(3)分層填筑，每5cm填筑一次，試驗中采用的填料為含水量10%的粉細砂，填筑過程中在設計位置布設加速度傳感器。

　　(4)在相應位置布置鐵軌模型，保證車道模型與激振器上的傳力桿緊密接觸，傳力桿采用φ18mm光圓鋼筋，與鐵軌接觸的一段焊接一塊φ3cm圓形鐵片，底部固定等大小的橡膠墊，防止傳力桿與車道直接接觸。(5)填筑完成之后，打開下方水袋，將水放出，此步驟模擬開挖卸荷過程。(6)加載，并采集數據，加載時間保持1min的穩定時間，停止加載，停止采集。(7)重復上述步驟，進行多工況試驗，共設置6種工況，管棚間距分別為6，9，12，15，18，21cm。

　　3數值模擬

　　受限于試驗條件，模型試驗部分選取了相鄰2根管棚為研究對象。鑒于此，為更好地模擬實際情況，本節采用數值仿真手段對完整的隧道下穿路基段管棚支護進行模擬，以研究管棚間距對地層振動傳播規律的影響。

　　3.1模型的建立

　　采用三維有限差分軟件建立動力分析模型，模擬隧道下穿路基段管棚支護的動態承載特性。指定上部鐵路路基方向為X軸正向，下部隧道方向為Y軸正向，豎直向上為Z軸正向。

　　結合某實際工程，下部隧道設計洞跨為13m，高9m(高度為仰拱底至拱頂的高差)，隧道與上部高速鐵路路基交叉角度為90°，隧道頂板至路基底部距離8m。為減小邊界效應的影響，經過大量計算，確定了模型尺寸為65m(長)×30m(寬)×44m(高)。在數值模擬研究中，可將管棚支護的加固效果視為在隧道開挖輪廓線以外形成了環形加固圈，采用改善圍巖參數的方法進行模擬[22]。

　　3.2計算工況

　　目前，工程中常用的管棚為φ108mm，而工程中管棚環向間距的布置通常為30~60cm，鑒于此，選取30，35，40，45，50，55，60cm作為計算工況。對各工況加固區等效彈性模量進行計算[23]。

　　3.3監測點布置

　　為研究管棚間距對地層振動傳播規律的影響，數值模擬中在交叉段地層自路基底部至加固區由上而下布置了8個監測點。由于試驗中監測位移較為困難，模擬中對各監測點的加速度與動位移進行了監測。

　　4結論

　　通過分析隧道管棚支護對上部鐵路路基列車振動傳播規律的影響，針對列車運行通過交叉點時進行了模型試驗與數值模擬研究，分析管棚間距對地層振動傳播規律的影響。對地層的加速度響應進行了監測，模型試驗與數值模擬部分振動加速度規律一致，此外還在數值模擬中對地層的動位移進行了監測，并根據模型試驗與數值模擬結果得到了合理管棚間距。主要研究結論如下。

　　(1)列車振動荷載作用下，地層加速度峰值隨距路基距離的增加而逐漸減小。即距離上部路基越遠，加速度峰值衰減速度越慢。改變管棚間距，只會改變各測點的加速度峰值，不會改變地層的加速度衰減規律，各管棚間距下地層的加速度衰減規律相同。(2)數值模擬部分與模型試驗部分得到了相同的結論。管棚間距會對地層加速度響應產生影響，管棚間距越小，各測點的加速度峰值越小，當管棚間距縮小到一定范圍時，各測點的加速度峰值不再明顯減小。

　　(3)管棚間距改變會影響地層的動位移，隨著管棚間距減小，各測點的動位移隨之減小，但當管棚間距縮小到40cm之后，繼續縮小管棚間距對測點位移峰值影響很小。 (4)數值模擬中振動加速度與動位移在管棚間距由60cm減小到40cm的過程中變化較大，而在由40cm減小到30cm的過程中變化很小。因此認為本文條件下管棚間距為40cm較為合理。

　　參考文獻：

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　　[2]王志強，孫明磊，劉志春，等.暗挖隧道近距下穿既有區間隧道施工方案對比研究[J].國防交通工程與技術，2021，19(2)：58-61.

　　[3]SHINJH,CHOIYK,KWONOY,etal.Modeltestingforpipe-reinforcedtunnelheadinginagranularsoil[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnologyincorporatingTrenchlessTechnologyResearch,2008,23(3):241-250.

　　[4]王明年，王巖，胡云鵬，等.冰磧層圍巖穩定性及亞分級研究[J].中國鐵道科學，2020，41(4)：64-73.

　　作者：董捷1,2，楊博1,2，王小敬3，劉建友4