浅析重载铁路隧道线路设计方法

公丕强

摘要：在重载铁路的隧道工程建设中，必须对隧道线路的动力特征进行模拟分析，确保分析结果与实测结果能够达到较高的一致度，以此为基础对隧道线路的结构进行优化。本文以ANSYS软件为模型构建基础，对重载铁路单线隧道的仰拱弯矩轴力，不同围岩条件下重载铁路双线隧道的弯矩和轴力进行计算，从而验证模型的准确性，为相关设计提供参考。

关键词：重载铁路；隧道线路；设计

重载铁路运输形式主要是应用于大型原材料和工业产品的运输，其运行效率对工业生产和社会生活具有十分重要的影响。在我国铁路建设事业依然保持高速发展的时代背景下，重载铁路建设中所遇到的复杂地形越来越多，对于隧道施工质量控制具有重要影响。目前我国在重载铁路隧道方面的研究还较为欠缺，研究范围还较为有限，加强这方面的理论研究，对我国铁路事业发展具有重要作用。

1、概念解析

1.1 弯矩

弯矩通常是指在受力构件截面上内力矩的一种，其标准概念是指与横截面相垂直的分布内力系的合力偶矩，计算公式为M=θ·EI/L，其中θ代表转角，EI代表转动刚度，L则是代表杆件的有效计算长度^[1]。

1.2 轴力

轴力在物理学概念中是指与杆件轴线相重合的内力，通常用符号FN表示。在隧道工程建设中，合理分析围岩及隧道结构在开挖过程中的受力状态，采取对应的技术措施做好受力支护，是确保隧道施工和应用安全的重要前提。

2、计算模型与方法

2.1 模型构建

在进行模型构建时，选择ANSYS软件进行模拟处理，为确保模拟结果达到更高的准确度，同时又能够满足计算机系统运行的要求，需要对模型进行简化^[2]。在本研究中，软件中beam单元用的隧道地层结构的物理力学结构内容主要有二次衬砌、道床、仰拱填充、仰拱和轨枕等，所涉及的具体参数内容包括材料、单元、弹性模量、泊松比及重度等。对于围岩物理力学参数的设置，需要考虑不同围岩等级下的单元、弹性模量、泊松比、重度、粘聚力和摩擦角等，其选取标准主要是以《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）为准。根据参数设计和计算结果的不同，将围岩等级分为三级、四级和五级三个基本等级，作为后续分析划分标准。

2.2 方法说明

在对深埋隧道荷载进行计算时，需要根据公式将具体埋深与围岩荷载的对应关系进行计算处理。将无重载列车荷载工况的计算结果作为初始条件参考，将均带垂直压力和均布水平压力输入模型中，从而得到输出结果。在进行计算时，需要分为单线隧道和双线隧道两种模式进行计算。

3、结果与分析

3.1 单线隧道仰拱弯矩轴力计算

在对重载铁路单线隧道仰拱弯矩轴力进行计算时，需要计算的数据内容包括弯矩和轴力两个方面，计算方法都是选用荷载结构模型与实测值两种方法，得出两个对应结果。所选取的特征点位置主要分布在左侧沟底部、线路左轨、线路中心、线路右轨、右侧沟底部。通过简化模型对单线隧道荷载结构的弯矩和轴力进行计算，将结果与实测值进行比对，可以发现在如上特征点的测试结果中，弯矩的计算结果与实测值会有一定偏差，但是其变化趋势较为一致，相对来说弯矩计算结果较之实测值有所偏高。而在轴力计算结果中，同样呈现出这方面特征。但是在两个数值的计算中，都显示出计算结果由线路中心向两侧逐步衰减的特征。

3.2 不同围岩条件下重载铁路双线隧道弯矩计算

在不同围岩条件下重载铁路双线隧道的弯矩计算中，选取三个不同等级的围岩条件，计算方法同样选取实测值与荷载结构模型分析结果相对比的方式。依照工程建设的实际情况，所选取的特征点包括左线路中心、左线路右轨、拱底和右线路右轨四个位置。将重载铁路列车的轴重设置为28T，以此参数为基准分析弯矩计算结果与实测值。通过计算结果与实测值的对比，可以发现不同围岩条件对最终结果具有直接性的影响。在围岩条件为三级时，在左线路中心、拱底和右线路右轨等位置，模型计算结果较之实测值偏高，而左线路右侧的实测值则较之模型计算结果偏高。在围岩条件为四级的情形下，左线路中心和左线路右轨两处位置的模型计算结果偏高于实测值，拱底和右线路右轨的模型计算结果偏低于实测值。在围岩条件为五级时，所有特征点的模型计算结果都显示要低于实测值。

从这一分析结果可以看出，在重载铁路隧道的线路设计中，不同围岩条件会对双线隧道的弯矩造成影响，因此在对隧道线路进行设计时，需要先行考虑深埋围岩的物理力学参数特征，准确模拟和测定不同特征点的弯矩值，从而为线路设计提供参考。

3.3 不同围岩条件下重载铁路双线隧道轴力计算

在同样将重载铁路列车轴重设计为28T的载荷条件下，选取三个不同等级的围岩条件，计算方法选取实测值与载荷结构模型分析结果相对比的方式^[3]。选取特征点包括左线路中心、左线路右轨、拱底和右线路右轨等，以此为基准分析重载铁路双线隧道轴力计算结果与实测值相对比。通过结果对比发现，在三个围岩等级条件下，各个特征点的轴力实测值较计算结果都偏低。

通过对不同围岩条件下重载双线隧道弯矩计算结果与实测值相对比，可以发现在双线隧道设计和施工中，不同围岩条件对弯矩和轴力的计算会出现差异，但是计算值与实测值在对应区域的分布规律具有一致性，因此采用简化荷载结构模型，能够实现对重载铁路隧道线路进行计算和优化。但是在实际应用过程中，需要根据施工现场情况和设计要点等，选择对应的特征点位置，在对各个特征点的弯矩和轴力进行精准分析的基础上，尽量改善线路设计中参数选择的不足，从而为工程施工奠定良好的基础。

4、结束语

在重载铁路建设中，隧道建设都是以控制性工程为主，并且其在线路运行中具有轴重大和行车密度高等方面的特征，相关学者在重载铁路隧道线路方面的研究逐步增多，为工程建设提供了多方面的参考。就目前而言，整体研究水平与设计施工要求之间还存在一定的差距，无法满足工程施工质量控制的要求。通过本研究发现，基于ANSYS软件，在对荷载结构模型进行简化之后，能够实现对重载铁路隧道线路的动力特征较为精准的模拟，能够将计算结果与实测结果控制在基本吻合的水平。本模型的应用，在整体上具有构建简单，计算较为便捷的特征，能够直接性的显示出不同特征点的受力特定，并且能够借助现有参数实现接触压力的计算和对比，因此在相关工程施工中，可以采用简化荷载结构模型，实现对隧道结构弯矩和轴力的前期测算，从而为线路选择和施工方案的设计提供参考。

参考文献

[1]马乐.重载铁路隧道线路设计方法研究[J].微型电脑应用,2020,36(05):117-119.

[2] 董捷，仲帅，王志岗，等．新建隧道下穿既有重载铁路路堤动力响应研究［Ｊ］．河北建筑工程学院学报，2018,36（2）：1-5.

[3]陈迁. 重载铁路路基上有砟轨道与隧道内无砟轨道过渡段轨道动力特性研究[D].兰州交通大学,2018.