CN112880605B - 铁路隧道基底脱空量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开铁路隧道基底脱空量确定方法，包括以下步骤：步骤s1：将特定实际轴重、特定速度的重载列车通过隧道所产生的的动力荷载作为标准荷载；步骤s2：布置监测点；步骤s3：推算脱空范围，计算脱空深度；步骤s4：通过不同围岩级别情况下的不同修正系数来修正脱空深度；步骤s5：计算脱空体积。本发明通过所涉及的方法对隧道基底进行监测，并通过对比健康隧道和基底脱空隧道的动力响应监测结果的差异确定隧道仰拱/底板部位的脱空范围，并计算脱空范围的体积，为维修处理确定注浆量提供参考。

Description

铁路隧道基底脱空量确定方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道病害检测技术领域，尤其涉及铁路隧道基底脱空量确定方法。

背景技术

重载铁路及高速铁路在运营过程中，由于大轴重和高速运行，其轨道、路基、基床等承受着比一般铁路更大的荷载，并且有着更为复杂的动力效应，这一点在围岩条件较差的隧道中表现的尤为明显。由于衬砌结构仰拱和基底围岩力学性质的差异，仰拱产生的是弹性变形，列车通过后能够完全恢复，而基底围岩产生的是塑性变形，列车通过后不能完全恢复，从而仰拱和基底围岩之间产生了一定的间隙。长期运营之后，由于重载列车和高速列车产生的动力荷载作用，间隙会逐渐累积，不断增大，贯通，最终在隧道基底形成一定范围的脱空，仰拱部位的受力状态也将发生较大的改变。

若不对脱空部位及时进行维修处理，仰拱结构将产生累积损伤，最后破损开裂，隧道底板将产生翻浆冒泥、路基沉降、轨枕变形过大等一系列病害问题，大大缩短了隧道的服役寿命，并且提高了维修成本，影响列车运行的安全。

在隧道仰拱发生破损之前，基底的脱空情况往往是难以观测的。如采用钻孔取芯等检测手段，必然会对仰拱结构造成不必要的损伤破坏；而采用地质雷达等手段，会受到地下水、围岩条件等诸多因素的干扰。因此，隧道检测时如何在不对仰拱结构造成破坏的情况下判明基底部位的脱空范围，及时采取措施处理对于保障隧道的服役性能和运营安全是非常有意义的。

中国发明专利CN106126837A公开了一种软基水闸闸基脱空区域识别方法，涉及脱空区域的识别；它包括根据实际水闸工程资料和数据，利用有限元软件建立水闸有限元模型；将脱空区域用脱空参数描述，作为修正参数，闸基脱空参数反演结果将用于指示结构实际脱空情况；建立闸基脱空参数与结构模态参数之间的响应面模型；基于结构模态参数进行水闸闸基脱空区域反演识别。其存在的问题是：该发明是根据水闸的现场情况建立相应的有限元模型计算来反演水闸的实际脱空情况，但建立有限元模型时或多或少要对现场条件进行简化，无法完全还原模型实际的状态，在判别脱空情况是会存在一定的误差；另外该发明是专用于水闸基底脱空区域的识别，其脱空的产生是由于水流冲刷的作用，与隧道基底由于重载列车或者高速列车的动力荷载长期作用造成的机理不同。

中国发明专利CN108226288A公开了本发明公开一种地铁隧道道床脱空量监测方法，在需要监测的隧道区域盾构管片及道床上布设测点安装压电加速度传感器，记录列车行驶中及行驶过两个阶段盾构管片及整体道床振动情况。通过分析列车行驶过程中道床及盾构管片振动情况差异来实时监测道床的脱空量。其存在的问题是：该发明监测的道床脱空量属于盾构隧道内部的脱空量，脱空影响因素较少，能够在发生脱空的衬砌和道床同时布置监测点，且衬砌和道床均为混凝土，力学特性相近，能够通过其振动差异简单换算得到脱空量；而隧道基底的脱空是仰拱与围岩间脱空，在隧道外部，受内部列车动载和外部环境的共同影响，无法在不损坏衬砌结构的情况下在外部围岩布置监测点，而且衬砌与围岩这种岩土体的力学特性相差较大，通过振动差异来推算脱空量不合理。

发明内容

本发明旨在提供一种重载铁路隧道基底脱空范围无损识别的方法，在不对仰拱结构造成损伤的情况下判明基底部位的脱空范围。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

铁路隧道基底脱空量确定方法，包括以下步骤：

步骤s1：将特定实际轴重、特定速度的重载列车通过隧道所产生的的动力荷载作为标准荷载；

步骤s2：布置监测点；

步骤s3：推算脱空范围，计算脱空深度；

步骤s4：通过不同围岩级别情况下的不同修正系数来修正脱空深度；

步骤s5：计算脱空体积。

优选的，在步骤s1中，所述特定实际轴重为实际轴重25吨，所述特定速度为100km/h。

优选的，在步骤s2中，监测点的布置包括以下步骤：

步骤s201：在隧道横截面上的监测点布置：对于单线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧对称位置各布置一个监测点，共3个监测点；对于双线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧路基底下以及边沟处各布置一个监测点，共5个监测点；

步骤s202：沿隧道纵向的监测点布置：以列车的一个转向架作为参照布置两排监测点，间距为列车固定轴距L_z，作为一个监测点组，然后以此监测点组为基础沿隧道纵向每隔D-L_z距离布置一个监测点组，所有监测点均布置在仰拱部位，并且紧贴仰拱二次衬砌内侧，其中D由以下公式确定：

且D需满足：

D-L_z≥1.5m；

式中：L_d为列车车辆定距，L_z为列车固定轴距，[]为取整函数。

进一步的，在步骤s3中，对于单线铁路隧道，其脱空深度下式确定：

对于双线铁路隧道，其脱空深度由下式确定：

式中：h为监测点处脱空深度，A为标准荷载下基底存在脱空时监测点处五个监测仪器加速度时程线幅值加权平均值，A₀为标准荷载下基底无脱空时对应位置监测点加速度时程线幅值，L为隧道仰拱宽度的一半，x为监测点位置距隧道中线的距离。

优选的，在步骤s4中，将不同围岩级别情况下的修正系数与步骤s3中的计算结果相乘，以此得到修正后的脱空深度。

进一步的，所述修正系数取值如下：对于IV级围岩，修正系数为1.0；V级围岩，修正系数为1.1；VI级围岩，修正系数为1.3。

进一步的，在步骤s5中，计算脱空体积包括以下步骤：

步骤s501：以隧道纵向作为y轴，横断面轨面标高作为x轴，高程方向作为z轴建立三维空间直角坐标系；

步骤s502：根据监测点布置的位置，按修正后的脱空深度加上仰拱厚度以及仰拱到轨面的距离换算出各监测点脱空深度的三维坐标；

步骤s503：将步骤s502中所得到的三维坐标导入犀牛软件并拟合出脱空范围的曲面，所述曲面与仰拱外轮廓以及隧道纵向监测范围垂直于y轴的切面形成封闭实体,所述封闭实体的体积即为脱空范围的体积；

步骤s504：通过分析菜单质量属性功能计算脱空范围的体积。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明根据现场监测的结果推算隧道基底的脱空范围，不仅对特定的隧道具有针对性，并且克服了数值模拟对于还原真实现场环境存在的不足；

2、本发明能在隧道仰拱发生破损之前，在不损伤仰拱结构的情况下，对隧道基底的脱空范围做出较为准确的判别；

3、本发明对于单线隧道和双线隧道的基底脱空范围有特定的推算方法，并且对不同的围岩条件进行了修正，因此对不同围岩级别的单双线铁路隧道均适用；

4、本发明结合犀牛软件建模，可以直观的看出隧道基底的脱空情况，还能通过计算脱空范围的体积大致确定修补的工程量；

5、本发明还可以通过分析隧道运营期两个不同时刻的基底监测数据计算两个时刻的脱空量，判别一段时间隧道基底脱空的发展情况。

附图说明

图1是单线铁路隧道横断面及平面监测点布置图；

图2是双线铁路隧道横断面及平面监测点布置图；

图3是铁路隧道纵向监测点布置图；

图4是某测点加速度时程图；

图5是通过监测结果还原隧道基底脱空范围示意图；

图6时脱空量确定流程图。

图中：1-监测点、2-脱空范围、3-脱空深度、4-监测点组、5-仰拱、6-单线隧道、7-双线隧道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

铁路隧道基底脱空量确定方法，包括以下步骤：

步骤s1：将特定实际轴重、特定速度的重载列车通过隧道所产生的的动力荷载作为标准荷载。

在步骤s1中，所述特定实际轴重为实际轴重25吨，所述特定速度为100km/h。

步骤s2：布置监测点。

在步骤s2中，监测点的布置包括以下步骤：

步骤s201：在隧道横截面上的监测点布置：对于单线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧对称位置各布置一个监测点，共3个监测点；对于双线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧路基底下以及边沟处各布置一个监测点，共5个监测点。

步骤s202：沿隧道纵向的监测点布置：以列车的一个转向架作为参照布置两排监测点，间距为列车固定轴距L_z，作为一个监测点组，然后以此监测点组为基础沿隧道纵向每隔D-L_z距离布置一个监测点组，所有监测点均布置在仰拱部位，并且紧贴仰拱二次衬砌内侧，其中D由以下公式确定：

且D需满足：

D-L_z≥1.5m；

式中：L_d为列车车辆定距，L_z为列车固定轴距，[]为取整函数。

步骤s3：推算脱空范围，计算脱空深度。

在步骤s3中，对于单线铁路隧道，其脱空深度下式确定：

对于双线铁路隧道，其脱空深度由下式确定：

式中：h为监测点处脱空深度，A为标准荷载下基底存在脱空时监测点处五个监测仪器加速度时程线幅值加权平均值，A₀为标准荷载下基底无脱空时对应位置监测点加速度时程线幅值，L为隧道仰拱宽度的一半，x为监测点位置距隧道中线的距离。

步骤s4：通过不同围岩级别情况下的不同修正系数来修正脱空深度。

在步骤s4中，将不同围岩级别情况下的修正系数与步骤s3中的计算结果相乘，以此得到修正后的脱空深度。

所述修正系数取值如下：对于IV级围岩，修正系数为1.0；V级围岩，修正系数为1.1；VI级围岩，修正系数为1.3。即如下表所示：

围岩级别	修正系数
		IV	1.0
V	1.1
		VI	1.3

步骤s5：计算脱空体积。

在步骤s5中，计算脱空体积包括以下步骤：

步骤s501：以隧道纵向作为y轴，横断面轨面标高作为x轴，高程方向作为z轴建立三维空间直角坐标系。

步骤s502：根据监测点布置的位置，按修正后的脱空深度加上仰拱厚度以及仰拱到轨面的距离换算出各监测点脱空深度的三维坐标。

步骤s503：将步骤s502中所得到的三维坐标导入犀牛软件并拟合出脱空范围的曲面，所述曲面与仰拱外轮廓以及隧道纵向监测范围垂直于y轴的切面形成封闭实体,所述封闭实体的体积即为脱空范围的体积。

犀牛软件是一个功能强大的高级建模软件，在工业设计中的应用十分广泛，其主要建模思路是以多个NURBS曲面包围起一个空间来生成能生成各种立体模型，所生成的曲面具有高度的直观性和可预测性。

步骤s504：通过分析菜单质量属性功能计算脱空范围的体积。以脱空体积为维修处理确定注浆量提供参考。其中,分析菜单质量属性功能是犀牛软件中的常规功能

下面通过一个具体实施例对本发明作出进一步的详细说明：

以V级围岩条件下的双线重载铁路基底脱空范围的识别为例。

标准荷载的确定以轴重25吨的C80重载列车100km/h的速度通过隧道产生的动力荷载作为标准荷载。

如图2，监测点的布置为在隧道横断面上分别在隧道中线、两侧路基底下以及边沟处各布置一个监测点，共5个监测点。所有监测点均布置在仰拱部位，并且紧贴仰拱二次衬砌内侧。

如图3，沿隧道纵向，以列车的一个转向架作为参照布置两排监测点，间距为1.8m，作为一个监测点组，然后以此监测点组为基础沿隧道纵向每隔2.3m距离布置一个监测点组，所有监测点均布置在仰拱部位，并且紧贴仰拱二次衬砌内侧。

如图4，为某监测点处重载列车以标准荷载模式通过隧道后该监测点1个监测仪器的响应结果。

对于双线铁路隧道，根据相应的公式，通过计算求得各监测位置处的脱空深度分别为：

测点编号	脱空深度(cm)	测点编号	脱空深度(cm)
				1	0	6	0
2	5.1	7	5.3
				3	5.7	8	6.3
4	4.9	9	4.9
				5	0	10	0

对处在不同围岩条件下的隧道，按相应的公式计算得到的脱空深度存在不同程度的误差，因此进一步地，给出在不同围岩级别情况下脱空深度的修正系数，乘以步骤s3的计算结果对脱空深度进行修正，具体取值见下表：

围岩级别	修正系数
		IV	1.0
V	1.1
		VI	1.3

对于V级围岩所在的隧道，其修正系数为1.1，经过从修正后，各监测点的脱空深度为：

脱空体积的计算以隧道纵向作为y轴，横断面轨面标高作为x轴，高程方向作为z轴建立三维空间直角坐标系，根据监测点布置的位置，计算得到的脱空深度加上仰拱厚度以及仰拱到轨面的距离换算出各监测点脱空深度的三维坐标，分别为：

如图5，把所有监测点的坐标导入犀牛软件拟合出脱空范围曲面，与仰拱外轮廓以及隧道纵向监测范围垂直于y轴的切面形成封闭实体，并通过分析菜单质量属性功能计算脱空范围的体积为2.072m³，可初步确定注浆量为2.072m³。

如图6，利用上述方法确定重载铁路隧道基底脱空范围，通过本发明可以得到在不同围岩条件、不同线路形式情况下隧道基底的脱空范围。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s1：将特定实际轴重、特定速度的重载列车通过隧道所产生的的动力荷载作为标准荷载；

步骤s2：布置监测点；具体包括以下步骤：

步骤s201：在隧道横截面上的监测点布置：对于单线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧对称位置各布置一个监测点，共3个监测点；对于双线铁路隧道，在横断面上分别在隧道中线、两侧路基底下以及边沟处各布置一个监测点，共5个监测点；

步骤s202：沿隧道纵向的监测点布置：以列车的一个转向架作为参照布置两排监测点，间距为列车固定轴距L_z，作为一个监测点组，然后以此监测点组为基础沿隧道纵向每隔D-L_z距离布置一个监测点组，所有监测点均布置在仰拱部位，并且紧贴仰拱二次衬砌内侧，其中D由以下公式确定：

且D需满足：

D-L_z≥1.5m；

式中：L_d为列车车辆定距，L_z为列车固定轴距，[]为取整函数；

步骤s3：推算脱空范围，计算脱空深度；

步骤s4：通过不同围岩级别情况下的不同修正系数来修正脱空深度；

步骤s5：计算脱空体积。

2.根据权利要求1所述的铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于：在步骤s1中，所述特定实际轴重为实际轴重25吨，所述特定速度为100km/h。

3.根据权利要求1所述的铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于：在步骤s3中，对于单线铁路隧道，其脱空深度下式确定：

对于双线铁路隧道，其脱空深度由下式确定：

式中：h为监测点处脱空深度，A为标准荷载下基底存在脱空时监测点处监测仪器加速度时程线幅值加权平均值，A₀为标准荷载下基底无脱空时对应位置监测点加速度时程线幅值，L为隧道仰拱宽度的一半，x为监测点位置距隧道中线的距离。

4.根据权利要求1所述的铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于：在步骤s4中，将不同围岩级别情况下的修正系数与步骤s3中的计算结果相乘，以此得到修正后的脱空深度。

5.根据权利要求4所述的铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于：所述修正系数取值如下：对于IV级围岩，修正系数为1.0；V级围岩，修正系数为1.1；VI级围岩，修正系数为1.3。

6.根据权利要求5所述的铁路隧道基底脱空量确定方法，其特征在于：在步骤s5中，计算脱空体积包括以下步骤：

步骤s501：以隧道纵向作为y轴，横断面轨面标高作为x轴，高程方向作为z轴建立三维空间直角坐标系；

步骤s502：根据监测点布置的位置，按修正后的脱空深度加上仰拱厚度以及仰拱到轨面的距离换算出各监测点脱空深度的三维坐标；

步骤s503：将步骤s502中所得到的三维坐标导入犀牛软件并拟合出脱空范围的曲面，所述曲面与仰拱外轮廓以及隧道纵向监测范围垂直于y轴的切面形成封闭实体,所述封闭实体的体积即为脱空范围的体积；

步骤s504：通过分析菜单质量属性功能计算脱空范围的体积。

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