CN106812031A - 一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，该方法首先根据相关规范及工程经验确定隧道底部结构设计参数的初始值，而后采用车‑轨‑隧一体化数值模型计算该设计参数条件下隧道底部结构的应力分布及应变比值，并采用基于损伤模型的数值计算方法得到单次列车作用引起的隧道底部结构的动力损伤，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值，将计算得到的累积损伤值和隧道底部结构的临界损伤进行比较，当计算结果达到临界损伤指标时，即为隧道底部结构的设计参数，当差别较大时，调整设计参数，按以上步骤重新进行计算，直到得到最终的设计参数。

Description

一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种隧道底部结构的设计方法，具体涉及重载铁路隧道底部结构的设计方法。

背景技术

长期以来，隧道结构的设计，特别是隧道底部结构的设计还是处于一种半理论半经验的状态，设计中主要考虑的还是围岩压力对隧道结构的施工及运营安全产生的影响，对列车荷载的影响在设计中一般不考虑或者仅仅作为一个拟静力考虑，在计算方法上没有提出具体要求，对隧道底部结构的受力状态也缺乏足够认识，多数认为底部结构是一种受压结构，由此确定的隧道底部结构设计参数往往不能满足隧道结构的长期运营要求，造成了我国既有的铁路隧道，在经过一段时间的运营之后(特别是在地下水发育的情况下)隧道底部结构便开始出现开裂，破损，下陷，向两侧外挤，并出现翻浆、冒泥等现象，严重影响了隧道的行车安全和运营效率。

国外针对重载铁路隧道底部结构不仅局限于底部病害的整治，更着重强化隧道底部结构的设计，制定了较高标准的技术规范，但在具体的设计方法上对重载列车长期作用下隧道底部结构的累积损伤没有涉及。

总体来说，目前国内外重载铁路隧道底部结构参数的确定方法对重载列车长期作用的影响没有涉及，造成运营过程中铁路隧道底部结构病害严重，无法满足我国重载交通运输快速发展的需要。

因此，研发一种新的考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计参数的确定方法已为急需。

发明内容

本发明所要解决的总体技术问题是克服现有隧道底部结构设计参数的确定完全只考虑围岩条件或围岩条件和列车静载，不考虑列车长期运营荷载对隧道底部结构累积损伤产生影响的现状，提供一种既能保证重载铁路隧道施工安全，又能保证隧道底部结构长期运营安全的可操作的隧道底部结构设计方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，包括以下步骤：

首先确定隧道底部结构设计参数的初始值，再计算该设计参数条件下隧道底部结构的应力分布及应变比值，并采用基于弹塑性损伤模型的数值计算方法得到单次列车作用引起的隧道底部结构的动力损伤，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值，将计算得到的累积损伤值和隧道底部结构的临界损伤进行比较，当计算结果小于临界损伤指标时，即为隧道底部结构的设计参数，当计算结果大于等于临界损伤指标时，增大仰拱的厚度或仰拱的矢跨比，按以上步骤重新进行计算，直到得到最终的设计参数。

所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，计算隧道底部结构应力分布及应变比值的具体步骤为：将列车、轨道、隧道底部轨下结构、隧道支护结构体系及周边围岩离散化为有限个单元组成的等价体系，根据列车、轨道、隧道结构、不同支护措施及围岩不同的受力特点，选取不同类型的单元进行模拟，并根据各不同结构物相互之间的接触关系，建立各单元节点力位移与节点力关系即单元刚度方程，进而根据静力平衡原则，建立结构体系的总刚度方程，通过解方程得到各单元的应力和位移，最终求得隧道底部结构体系的应力分布及应变比值。

所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，采用基于弹塑性损伤模型的数值计算得到隧道底部结构在单次列车作用引起的动力损伤的数值，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值D的计算过程为：

式中ε₀、ε₁分别为隧道底部结构的初始应变及单次列车作用下的应变，f_max为列车运行过程中隧道底部结构承受的最大动应力，N为设计年限内通过重载列车的总次数，N_f为组成隧道底部结构材料的疲劳寿命，f_c为组成隧道底部结构材料的极限抗压强度，k为隧道底部围岩的抗力系数。

所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，隧道底部结构控制部位的临界损伤指标为0.85。

所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，隧道底部结构设计参数为仰拱厚度和矢跨比，是根据围岩条件和工程规范得到参考范围，并从参考范围中直接选择具体的设计参数。

所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，当累积损伤值的计算结果大于等于临界损伤指标时，则增大仰拱的厚度或仰拱的矢跨比，并重新计算累积损伤值。

本发明考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，较现有的隧道底部结构设计方法的优点在于：传统的基于规范和经验的隧道底部结构设计方法，其设计中完全不考虑列车的长期影响，造成既有铁路隧道底部病害严重，影响隧道的运营安全和运营效率；而本发明通过非线性累积损伤模型考虑了重载列车长期作用对隧道底部结构产生的影响，隧道底部结构在使用年限内的累积损伤小于临界损伤，从而使得采用本发明方法确定的隧道底部结构设计参数能够满足重载列车的长期运营安全，并可降低隧道底部病害的发生率，提高重载铁路隧道的运营效率。

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

附图说明

图1为本发明考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法的计算流程图；

图2为本发明车辆-轨道-隧道一体化数值计算模型图；

图3为本发明考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法动力损伤的计算流程图；

图中：1—轨道，2—列车，3—隧道底部轨下结构，4—轨道板，5—隧道支护结构体系。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

为了建立考虑列车长期运营荷载作用的重载铁路隧道底部结构设计设计方法，需要解决以下四个方面的技术问题。

其一是列车长期荷载作用下重载铁路隧道底部结构的损伤如何累积问题。本发明在对重载铁路隧道底部结构所处受力状态进行深入分析的基础上，摒弃传统的认为隧道底部结构是一种纯受压构件的传统设计理念，隧道底部结构实际上承受围岩压力、地下水压力、结构自重和列车循环荷载，隧底结构处于一种复杂的三维力学环境中，受到竖向、纵向及横向不同应力的作用；由此确定重载铁路隧道底部结构的累积损伤和疲劳破坏主要源于弯拉和受剪损伤。进一步在理论研究和反复试验的基础上，本发明确定列车荷载作用下隧道底部结构的累积损伤按如下模式进行累积；据此即可进行多次列车荷载作用下隧道底部结构累积损伤的计算。

式中ε₀、ε₁分别为隧道底部结构的初始应变及单次列车作用下的应变；N为重载列车循环作用次数，根据设计原始资料确定，N_f为组成隧道底部结构材料的疲劳寿命；f_max为列车运行过程中隧道底部结构承受的最大动应力；f_c为组成隧道底部结构材料的极限抗压强度，由一般的混凝土材料试验即可确定，k为隧道底部围岩的抗力系数，隧道设计规范直接给定了围岩等级和抗力系数的对应关系，直接选用即可。

其二是累积损伤模型中隧道底部结构应力和应变状态f_max、ε₀、ε₁如何确定问题。本发明采用车辆-轨道-隧道一体化数值模型计算重载铁路隧道底部结构的应力和应变状态，得到应力水平及应变比值；车辆-轨道-隧道一体化数值模型的主要计算过程为：将列车2、轨道1、隧道底部轨下结构(包括隧底填充层3和轨道板4)、隧道支护结构体系5及周边围岩离散化为有限个单元组成的等价体系，根据列车、轨道、隧道结构、不同支护措施及围岩不同的受力特点，选取不同类型的单元进行模拟，并考虑个不同结构物相互之间的接触关系，建立各单元节点力位移与节点力关系(即单元刚度方程)，进而根据静力平衡原则，建立结构体系的总刚度方程，通过解方程得到各单元的应力和位移，最终求得隧道底部结构体系的应力和应变分布状况。

其三是累积损伤模型中组成隧道底部结构材料的疲劳寿命N_f如何确定问题。本发明采用基于损伤模型的数值计算方法计算单次列车作用下隧道底部结构的动力损伤，而后根据公式(1)即可反算得到组成隧道底部结构材料的疲劳寿命N_f。基于弹塑性损伤模型的数值计算过程为：在前述车辆-轨道-隧道一体化数值模型的基础上，将弹塑性损伤模型和结构刚度退化模型程序化，并通过子程序调用的方法进行运算，最终得到单次列车作用下隧道底部结构关键部位的动力损伤值，进而可以得到隧道底部结构材料的疲劳寿命值。

其四是重载铁路隧道底部结构的临界损伤如何确定问题。本发明通过隧道底部构件累积损伤的大量实验，当隧道底部结构的累积损伤达到0.85时，隧底结构出现较大的变形和较明显的裂纹，已无法保证隧道内列车的运营安全，由此确定隧道底部结构控制部位的临界损伤指标为0.85。

由此本发明建立了考虑列车长期作用的隧道底部结构设计方法。首先根据相关规范及工程经验确定隧道底部结构设计参数的初始值，而后采用车-轨-隧一体化数值模型计算该设计参数条件下隧道底部结构的应力分布及应变比值，并采用基于损伤模型的数值计算方法得到单次列车作用引起的隧道底部结构的动力损伤，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值，将计算得到的累积损伤值和隧道底部结构的临界损伤进行比较，当计算结果达到临界损伤指标时，即为隧道底部结构的设计参数，当差别较大时，调整设计参数，按以上步骤重新进行计算，直到得到最终的设计参数。

本方法的流程参见图1：

(1)根据重载铁路隧道所处的围岩条件，依据相关规范及工程经验确定隧道底部结构设计参数(仰拱厚度和矢跨比)的初始值。

(2)建立车辆-轨道-隧道一体化数值计算模型(见图2)，计算该设计参数条件下隧道底部结构的应力和应变分布情况，确定隧道底部结构的关键位置(受力最不利位置)及其应力、应变值。

(3)采用基于损伤模型的数值计算方法(其计算流程图见图3)得到单次列车作用引起的隧道底部结构的动力损伤分布，确定隧道底部结构关键位置的动力损伤值。

(4)将单次列车作用下隧道底部结构关键位置的动力损伤值及第(2)步一体化数值计算模型得到的相关应力应变计算结果代入下式，即可计算得到隧道底部结构材料的疲劳寿命N_f。

式中ε₀、ε₁分别为隧道底部结构的初始应变及单次列车作用下的应变；N为重载列车循环作用次数，N_f为组成隧道底部结构材料的疲劳寿命；f_max为列车运行过程中隧道底部结构承受的最大动应力；f_c为组成隧道底部结构材料的极限抗压强度，由一般的混凝土材料试验即可确定，K为隧道底部围岩的抗力系数，隧道设计规范直接给定了围岩等级和抗力系数的对应关系，直接选用即可。

(5)根据隧道结构的设计使用年限以及行车密度，即可确定隧道设计年限内列车的运行次数N，代入非线性累积损伤模型计算公式(1)，即可得到重载列车作用下隧道底部结构关键位置在设计年限内的累积损伤值D。

(6)将计算得到的累积损伤值D和隧道底部结构的临界损伤进行比较，当计算结果小于临界损伤指标时，即为隧道底部结构的设计参数；当计算得到的累积损伤计算值不满足隧道的长期运营要求或超出运营要求较多时，调整隧道底部结构的设计参数，即则增大仰拱的厚度或仰拱的矢跨比，按照以上步骤重新进行循环计算，直至得到满足设计年限要求的隧道底部结构设计参数。

Claims (6)

1.一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先确定隧道底部结构设计参数的初始值，再计算该设计参数条件下隧道底部结构的应力分布及应变比值，并采用基于弹塑性损伤模型的数值计算方法得到单次列车作用引起的隧道底部结构的动力损伤，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值，将计算得到的累积损伤值和隧道底部结构的临界损伤进行比较，当计算结果小于临界损伤指标时，即为隧道底部结构的设计参数，当计算结果大于等于临界损伤指标时，增大仰拱的厚度或仰拱的矢跨比，按以上步骤重新进行计算，直到得到最终的设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于：计算隧道底部结构应力分布及应变比值的具体步骤为：将列车、轨道、隧道底部轨下结构、隧道支护结构体系及周边围岩离散化为有限个单元组成的等价体系，根据列车、轨道、隧道结构、不同支护措施及围岩不同的受力特点，选取不同类型的单元进行模拟，并根据各不同结构物相互之间的接触关系，建立各单元节点力位移与节点力关系即单元刚度方程，进而根据静力平衡原则，建立结构体系的总刚度方程，通过解方程得到各单元的应力和位移，最终求得隧道底部结构体系的应力分布及应变比值。

3.根据权利要求2所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于：采用基于弹塑性损伤模型的数值计算得到隧道底部结构在单次列车作用引起的动力损伤的数值，进而采用非线性累积损伤模型计算隧道底部结构关键位置的累积损伤值D的计算过程为：

$D=\ln \[115.7\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_0}-90.44\frac{f_{\max }}{f_c}\]-{\[1-\frac{N}{N_f}\]}^{\frac{1}{\ln \[4.15\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_0}+1.39\frac{f_{\max }}{f_c}\]+\ln \[4.54\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_0}+0.95k\]+1}}---\left(1\right)$

式中ε₀、ε₁分别为隧道底部结构的初始应变及单次列车作用下的应变，f_max为列车运行过程中隧道底部结构承受的最大动应力，N为设计年限内通过重载列车的总次数，N_f为组成隧道底部结构材料的疲劳寿命，f_c为组成隧道底部结构材料的极限抗压强度，k为隧道底部围岩的抗力系数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于：隧道底部结构控制部位的临界损伤指标为0.85。

5.根据权利要求1所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于，隧道底部结构设计参数为仰拱厚度和矢跨比，是根据围岩条件和工程规范得到参考范围，并从参考范围中直接选择具体的设计参数。

6.根据权利要求5所述的一种考虑列车长期作用的重载铁路隧道底部结构设计方法，其特征在于：当累积损伤值的计算结果大于等于临界损伤指标时，则增大仰拱的厚度或仰拱的矢跨比，并重新计算累积损伤值。