重載鐵路隧道線路設計方法研究

馬樂

摘 要：運用ANSYS軟件、以簡化荷載結構模型為計算模型，對重載鐵路隧道結構進行了單線和雙線隧道結構計算，并與實測值進行了對比。結果表明，無論是單線隧道還是雙線隧道，采用簡化荷載結構模型對重載鐵路隧道線路的動力特征進行模擬，計算結果值與實測結果可以實現包絡，且計算值與實測值在不同區域的分布規律基本一致;采用簡化荷載結構模型對重載鐵路隧道線路的動力特征進行模擬，計算結果與實測結果基本吻合，可以有效對重載鐵路隧道線路進行結構計算與優化。

關鍵詞：重載鐵路;隧道;單線;雙線;計算值與實測值

Abstract：Using ANSYS software and simplified load structure model as calculation model， the single line and double line tunnel structure of heavy load railway tunnel is calculated and compared with the measured value. The results show that the simplified load structure model can be used to simulate the dynamic characteristics of the heavy haul railway tunnel line. The simplified load structure model is used to simulate the dynamic characteristics of the heavy-duty railway tunnel line. The calculated results are basically consistent with the measured results， which can effectively calculate and optimize the structure of the heavy-duty railway tunnel line.

Key words：heavy haul railway;tunnel;single track;double track;calculated value and measured value

0 引言

重載鐵路是指行駛列車總重大、行駛大軸重貨車或行車密度和運量特大的鐵路，主要用于輸送大型原材料貨物[1]。隨著中國鐵路運輸事業的快速發展，通過重載鐵路進行貨物運輸已經成為現代化生活的重要手段之一[2-4]，然而，基于中國復雜的地形環境，重載鐵路線路施工過程中不可避免地需要進行隧道施工，如我國的大秦鐵路、塑黃鐵路、瓦日鐵路、張唐鐵路和蒙華鐵路的隧線比分別達到11%、11.4%、26.5%、43.7%和25.0%[5-7]，可見重載鐵路中隧道仍是重要的結構，且具有軸重大和行車密度高等特點[8-11]。雖然目前鐵道科學研究院、北京交通大學等單位對重載鐵路軌道、路基和橋梁做出了大量了研究工作，但是對重載鐵路隧道線路的研究與報道非常少[12-14]，重載鐵路隧道結構的動力特征與設計依據的參考資料較少。因此，本文擬采用簡化荷載結構模型對重載鐵路隧道結構進行計算模擬，并與實測值進行對比分析，以期為重載鐵路隧道結構的設計與優化提供參考。

1 計算模型與方法

采用ANSYS軟件對重載鐵路隧道結構進行模擬，所采用的模型為簡化荷載結構模型，軟件中beam單元所用到的重載鐵路隧道地層結構的物理力學參數表，如表1所示。

表中列出了二次襯砌、道床、仰拱填充、仰拱和軌枕結構的使用材料、單元節點、彈性模型、泊松比和重度[15]。

計算模型中圍巖約束的COMBIN14彈簧單元模擬則根據重載鐵路隧道的圍巖物理力學參數表進行[16]，如表2所示。

表中列出了圍巖等級分別為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級時的單元節點、彈性模量、泊松比、重度、粘聚力和摩擦角，這些物理力學參數的選取都參照TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》進行[17]。

重載鐵路隧道設計的計算模型如圖1，其中模型縱向長度選擇為1 m，分別列出了單線隧道結構模型和荷載示意圖，以及雙線隧道結構模型和荷載如圖1所示[18]。

在對重載鐵路隧道設計中的圍巖荷載進行設計的過程中，按照深埋隧道圍巖荷載進行計算，具體埋深與圍巖荷載之間的對應關系，如表3所示。

在進行模型數據輸入和計算結果輸出過程中，需要將無重載列車荷載工況下的計算結果作為初始條件，然后分別代入上述物理力學參數對單線隧道和雙線隧道的荷載情況進行計算[19]。

2 結果與分析

重載鐵路單線隧道仰拱彎矩軸力計算結果與實測值，如表4所示。采用簡化荷載結構模型對單線隧道荷載結構的彎矩和軸力進行計算，并與實測值進行對比分析。從彎矩對比結果來看，雖然左側溝底部、線路左軌、線路中心、線路右軌和右側溝底部的彎矩計算結果與實測值有一定偏差，但是變化趨勢基本相同，且彎矩計算結果都相對實測值偏大;從軸力對比結果來看，雖然左側溝底部、線路左軌、線路中心、線路右軌和右側溝底部的彎矩計算結果與實測值都有一定偏差，但是都表現為軸力計算結果相對實測值偏大。無論是彎矩還是軸力計算結果，都體現出由線路中心向兩側不斷衰減的特征。

不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道彎矩計算結果與實測值對比結果，如表5所示。

其中，軸重設計為28 T。可見，對重載鐵路施加28 T載荷后，不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道彎矩計算結果與實測值都有不同變化。當圍巖條件為Ⅲ級時，左線路中心、拱底和右線路右軌的彎矩實測值都低于計算結果，而左線路右軌的彎矩實測值略高于計算結果;當圍巖條件為Ⅳ級時，左線路中心和左線路右軌的彎矩實測值都低于計算結果，而拱底和右線路右軌的彎矩實測值高于計算結果;當圍巖條件為Ⅴ級時，左線路中心、左線路右軌、拱底和右線路右軌的彎矩實測值都低于計算結果。

不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道軸力計算結果與實測值對比結果，如表6所示。

其中，軸重設計為28 T。可見，對重載鐵路施加28 T載荷后，不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道軸力計算結果與實測值都有不同變化。當圍巖條件為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級時，左線路中心、左線路右軌、拱底和右線路右軌的軸力實測值都低于計算結果。

根據表5的不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道彎矩計算結果與實測值對比結果，以及表6的不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道軸力計算結果與實測值對比結果可知，雙線隧道不同圍巖條件下的彎矩和軸力計算結果與實測值基本可以實現包絡，且計算值與實測值在不同區域的分布規律基本一致，可以認為采用本文的簡化荷載結構模型可以對重載鐵路隧道線路進行結構計算與優化。

3 總結

采用簡化荷載結構模型對重載鐵路隧道線路的動力特征進行模擬，計算結果與實測結果基本吻合;該模型的優點主要包括：（1）模型建立簡單、計算快捷;（2）計算模型與結構直接的受力特征較為明確;（3）接觸壓力可通過已知參數直接求出;在重載鐵路隧道線路設計過程中，可以采用簡化荷載結構模型對隧道進行有效設計。

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（收稿日期：2019.09.24）