[发明专利]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

说明书

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。

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：