重载铁路隧道线路设计方法研究

马乐

摘 要：运用ANSYS软件、以简化荷载结构模型为计算模型，对重载铁路隧道结构进行了单线和双线隧道结构计算，并与实测值进行了对比。结果表明，无论是单线隧道还是双线隧道，采用简化荷载结构模型对重载铁路隧道线路的动力特征进行模拟，计算结果值与实测结果可以实现包络，且计算值与实测值在不同区域的分布规律基本一致;采用简化荷载结构模型对重载铁路隧道线路的动力特征进行模拟，计算结果与实测结果基本吻合，可以有效对重载铁路隧道线路进行结构计算与优化。

关键词：重载铁路;隧道;单线;双线;计算值与实测值

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

重載铁路是指行驶列车总重大、行驶大轴重货车或行车密度和运量特大的铁路，主要用于输送大型原材料货物[1]。随着中国铁路运输事业的快速发展，通过重载铁路进行货物运输已经成为现代化生活的重要手段之一[2-4]，然而，基于中国复杂的地形环境，重载铁路线路施工过程中不可避免地需要进行隧道施工，如我国的大秦铁路、塑黄铁路、瓦日铁路、张唐铁路和蒙华铁路的隧线比分别达到11%、11.4%、26.5%、43.7%和25.0%[5-7]，可见重载铁路中隧道仍是重要的结构，且具有轴重大和行车密度高等特点[8-11]。虽然目前铁道科学研究院、北京交通大学等单位对重载铁路轨道、路基和桥梁做出了大量了研究工作，但是对重载铁路隧道线路的研究与报道非常少[12-14]，重载铁路隧道结构的动力特征与设计依据的参考资料较少。因此，本文拟采用简化荷载结构模型对重载铁路隧道结构进行计算模拟，并与实测值进行对比分析，以期为重载铁路隧道结构的设计与优化提供参考。

1 计算模型与方法

采用ANSYS软件对重载铁路隧道结构进行模拟，所采用的模型为简化荷载结构模型，软件中beam单元所用到的重载铁路隧道地层结构的物理力学参数表，如表1所示。

表中列出了二次衬砌、道床、仰拱填充、仰拱和轨枕结构的使用材料、单元节点、弹性模型、泊松比和重度[15]。

计算模型中围岩约束的COMBIN14弹簧单元模拟则根据重载铁路隧道的围岩物理力学参数表进行[16]，如表2所示。

表中列出了围岩等级分别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级时的单元节点、弹性模量、泊松比、重度、粘聚力和摩擦角，这些物理力学参数的选取都参照TB10003-2016《铁路隧道设计规范》进行[17]。

重载铁路隧道设计的计算模型如图1，其中模型纵向长度选择为1 m，分别列出了单线隧道结构模型和荷载示意图，以及双线隧道结构模型和荷载如图1所示[18]。

在对重载铁路隧道设计中的围岩荷载进行设计的过程中，按照深埋隧道围岩荷载进行计算，具体埋深与围岩荷载之间的对应关系，如表3所示。

在进行模型数据输入和计算结果输出过程中，需要将无重载列车荷载工况下的计算结果作为初始条件，然后分别代入上述物理力学参数对单线隧道和双线隧道的荷载情况进行计算[19]。

2 结果与分析

重载铁路单线隧道仰拱弯矩轴力计算结果与实测值，如表4所示。采用简化荷载结构模型对单线隧道荷载结构的弯矩和轴力进行计算，并与实测值进行对比分析。从弯矩对比结果来看，虽然左侧沟底部、线路左轨、线路中心、线路右轨和右侧沟底部的弯矩计算结果与实测值有一定偏差，但是变化趋势基本相同，且弯矩计算结果都相对实测值偏大;从轴力对比结果来看，虽然左侧沟底部、线路左轨、线路中心、线路右轨和右侧沟底部的弯矩计算结果与实测值都有一定偏差，但是都表现为轴力计算结果相对实测值偏大。无论是弯矩还是轴力计算结果，都体现出由线路中心向两侧不断衰减的特征。

不同围岩条件下重载铁路双线隧道弯矩计算结果与实测值对比结果，如表5所示。

其中，轴重设计为28 T。可见，对重载铁路施加28 T载荷后，不同围岩条件下重载铁路双线隧道弯矩计算结果与实测值都有不同变化。当围岩条件为Ⅲ级时，左线路中心、拱底和右线路右轨的弯矩实测值都低于计算结果，而左线路右轨的弯矩实测值略高于计算结果;当围岩条件为Ⅳ级时，左线路中心和左线路右轨的弯矩实测值都低于计算结果，而拱底和右线路右轨的弯矩实测值高于计算结果;当围岩条件为Ⅴ级时，左线路中心、左线路右轨、拱底和右线路右轨的弯矩实测值都低于计算结果。

不同围岩条件下重载铁路双线隧道轴力计算结果与实测值对比结果，如表6所示。

其中，轴重设计为28 T。可见，对重载铁路施加28 T载荷后，不同围岩条件下重载铁路双线隧道轴力计算结果与实测值都有不同变化。当围岩条件为Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级时，左线路中心、左线路右轨、拱底和右线路右轨的轴力实测值都低于计算结果。

根据表5的不同围岩条件下重载铁路双线隧道弯矩计算结果与实测值对比结果，以及表6的不同围岩条件下重载铁路双线隧道轴力计算结果与实测值对比结果可知，双线隧道不同围岩条件下的弯矩和轴力计算结果与实测值基本可以实现包络，且计算值与实测值在不同区域的分布规律基本一致，可以认为采用本文的简化荷载结构模型可以对重载铁路隧道线路进行结构计算与优化。

3 总结

采用简化荷载结构模型对重载铁路隧道线路的动力特征进行模拟，计算结果与实测结果基本吻合;该模型的优点主要包括：（1）模型建立简单、计算快捷;（2）计算模型与结构直接的受力特征较为明确;（3）接触压力可通过已知参数直接求出;在重载铁路隧道线路设计过程中，可以采用简化荷载结构模型对隧道进行有效设计。

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（收稿日期：2019.09.24）