馬樂

摘 要：運(yùn)用ANSYS軟件、以簡化荷載結(jié)構(gòu)模型為計(jì)算模型，對重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單線和雙線隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算，并與實(shí)測值進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，無論是單線隧道還是雙線隧道，采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對重載鐵路隧道線路的動(dòng)力特征進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果值與實(shí)測結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)包絡(luò)，且計(jì)算值與實(shí)測值在不同區(qū)域的分布規(guī)律基本一致;采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對重載鐵路隧道線路的動(dòng)力特征進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，可以有效對重載鐵路隧道線路進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：重載鐵路;隧道;單線;雙線;計(jì)算值與實(shí)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(yùn)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(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，通過重載鐵路進(jìn)行貨物運(yùn)輸已經(jīng)成為現(xiàn)代化生活的重要手段之一[2-4]，然而，基于中國復(fù)雜的地形環(huán)境，重載鐵路線路施工過程中不可避免地需要進(jìn)行隧道施工，如我國的大秦鐵路、塑黃鐵路、瓦日鐵路、張?zhí)畦F路和蒙華鐵路的隧線比分別達(dá)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(jié)構(gòu)，且具有軸重大和行車密度高等特點(diǎn)[8-11]。雖然目前鐵道科學(xué)研究院、北京交通大學(xué)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(bào)道非常少[12-14]，重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征與設(shè)計(jì)依據(jù)的參考資料較少。因此，本文擬采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模擬，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析，以期為重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 計(jì)算模型與方法

采用ANSYS軟件對重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，所采用的模型為簡化荷載結(jié)構(gòu)模型，軟件中beam單元所用到的重載鐵路隧道地層結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)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(jié)構(gòu)的使用材料、單元節(jié)點(diǎn)、彈性模型、泊松比和重度[15]。

計(jì)算模型中圍巖約束的COMBIN14彈簧單元模擬則根據(jù)重載鐵路隧道的圍巖物理力學(xué)參數(shù)表進(jìn)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(shí)的單元節(jié)點(diǎn)、彈性模量、泊松比、重度、粘聚力和摩擦角，這些物理力學(xué)參數(shù)的選取都參照TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行[17]。

重載鐵路隧道設(shè)計(jì)的計(jì)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(jié)構(gòu)模型和荷載示意圖，以及雙線隧道結(jié)構(gòu)模型和荷載如圖1所示[18]。

在對重載鐵路隧道設(shè)計(jì)中的圍巖荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，按照深埋隧道圍巖荷載進(jìn)行計(jì)算，具體埋深與圍巖荷載之間的對應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

在進(jìn)行模型數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算結(jié)果輸出過程中，需要將無重載列車荷載工況下的計(jì)算結(jié)果作為初始條件，然后分別代入上述物理力學(xué)參數(shù)對單線隧道和雙線隧道的荷載情況進(jìn)行計(jì)算[19]。

2 結(jié)果與分析

重載鐵路單線隧道仰拱彎矩軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值，如表4所示。采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對單線隧道荷載結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析。從彎矩對比結(jié)果來看，雖然左側(cè)溝底部、線路左軌、線路中心、線路右軌和右側(cè)溝底部的彎矩計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值有一定偏差，但是變化趨勢基本相同，且彎矩計(jì)算結(jié)果都相對實(shí)測值偏大;從軸力對比結(jié)果來看，雖然左側(cè)溝底部、線路左軌、線路中心、線路右軌和右側(cè)溝底部的彎矩計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值都有一定偏差，但是都表現(xiàn)為軸力計(jì)算結(jié)果相對實(shí)測值偏大。無論是彎矩還是軸力計(jì)算結(jié)果，都體現(xiàn)出由線路中心向兩側(cè)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(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比結(jié)果，如表5所示。

其中，軸重設(shè)計(jì)為28 T?？梢?，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(jì)算結(jié)果與實(shí)測值都有不同變化。當(dāng)圍巖條件為Ⅲ級時(shí)，左線路中心、拱底和右線路右軌的彎矩實(shí)測值都低于計(jì)算結(jié)果，而左線路右軌的彎矩實(shí)測值略高于計(jì)算結(jié)果;當(dāng)圍巖條件為Ⅳ級時(shí)，左線路中心和左線路右軌的彎矩實(shí)測值都低于計(jì)算結(jié)果，而拱底和右線路右軌的彎矩實(shí)測值高于計(jì)算結(jié)果;當(dāng)圍巖條件為Ⅴ級時(shí)，左線路中心、左線路右軌、拱底和右線路右軌的彎矩實(shí)測值都低于計(jì)算結(jié)果。

不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比結(jié)果，如表6所示。

其中，軸重設(shè)計(jì)為28 T?？梢姡瑢χ剌d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(jì)算結(jié)果與實(shí)測值都有不同變化。當(dāng)圍巖條件為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級時(shí)，左線路中心、左線路右軌、拱底和右線路右軌的軸力實(shí)測值都低于計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)表5的不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道彎矩計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比結(jié)果，以及表6的不同圍巖條件下重載鐵路雙線隧道軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比結(jié)果可知，雙線隧道不同圍巖條件下的彎矩和軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值基本可以實(shí)現(xiàn)包絡(luò)，且計(jì)算值與實(shí)測值在不同區(qū)域的分布規(guī)律基本一致，可以認(rèn)為采用本文的簡化荷載結(jié)構(gòu)模型可以對重載鐵路隧道線路進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化。

3 總結(jié)

采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對重載鐵路隧道線路的動(dòng)力特征進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合;該模型的優(yōu)點(diǎn)主要包括：（1）模型建立簡單、計(jì)算快捷;（2）計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)直接的受力特征較為明確;（3）接觸壓力可通過已知參數(shù)直接求出;在重載鐵路隧道線路設(shè)計(jì)過程中，可以采用簡化荷載結(jié)構(gòu)模型對隧道進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉剛. 重載線路設(shè)計(jì)參數(shù)的研究[J]. 中國鐵路，2004（3）：22-24.

[2] 林越翔，彭立敏，施成華，等. 重載作用下鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征及合理設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2017， 54（5）：86-92.

[3] Madshus C， Kaynia A M. High-speed railway lines on soft ground：dynamic behavior at critical train speed[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231（3）：689-701.

[4] 李建強(qiáng). 大溫差地區(qū)重載鐵路無縫線路設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究[J].鐵道建筑，2012（5）：148-150.

[5] Ekevid T， Wiberg N E. Analysis of high-speed train related ground vibrations by a hybrid method[J]. IABSE Symposium Report， 2003， 87（6）：100-106.

[6] 龍?jiān)S友，時(shí)瑾，王英杰. 重載鐵路線路平縱斷面關(guān)鍵參數(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2016，33（1）：30-35.

[7] Ekevid T， Wiberg N E. Wave propagation related to high-speed train：A scaled boundary FE-approach for unbounded domains[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2002， 191（36）：3947-3964.

[8] Chen D， Birk C， Song C， et al. A high-order approach for modelling transient wave propagation problems using the scaled boundary finite element method[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2014， 97（13）：937-959.

[9] Chen X， Birk C， Song C. Transient analysis of wave propagation in layered soil by using the scaled boundary finite element method[J]. Computers and Geotechnics， 2015（63）：1-12.

[10] 鄧斌，喬春生，余東洋，等. 重載鐵路隧道鋪底結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].鐵道建筑，2019，59（10）：75-79.

[11] 李自強(qiáng)，王明年，于麗，等.雙線重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受力特性現(xiàn)場激振試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018， 40（11）：121-128.

[12] Lu S， Liu J， Lin G， et al. A new analysis of the complex two-dimensional multilayered anisotropic soil in time domain[J]. Acta Mechanica， 2016， 227（8）：2125-2155.

[13] 曾博文，張志強(qiáng)，殷召念. 重載鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].四川建筑，2018，38（4）：168-171.

[14] 董捷，仲帥，王志崗，等. 新建隧道下穿既有重載鐵路路堤動(dòng)力響應(yīng)研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2018， 36（2）：1-5.

[15] Chen D， Dai S. Dynamic fracture analysis of the soil-structure interaction system using the scaled boundary finite element method[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2017（77）：26-35.

[16] 楊文茂. 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道力學(xué)特性研究[J].價(jià)值工程，2018，37（18）：116-120.

[17] 李自強(qiáng)，徐湉源，吳秋軍，等.破碎圍巖重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2018， 39（3）：949-956.

[18] Birk C， Bochert J. Time-domain soil-structure interaction analysis using the scaled boundary finite element method and rational stiffness approximations[J]. PAMM， 2008， 8（1）：10265-10266.

[19] Mahmoudpour S， Attarnejad R， Behnia C. Dynamic Analysis of Partially Embedded Structures Considering Soil-Structure Interaction in Time Domain[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2011， 2011（1）：34-35.

（收稿日期：2019.09.24）