双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法
【专利摘要】本发明公开了一种双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法。本发明采用现场试验、数据采集分析和数学模型建立，获得了满足不同轴重条件下单洞双线重载铁路隧道底部结构不同深度的重载列车荷载，该方法也充分反映了重载列车对重载铁路隧道底部结构的动力影响。本发明提供了目前重载列车荷载在隧道底部结构竖向传递过程中不同深度的获得方法，而且对重载铁路隧道底部结构的设计提供了科学依据，最大可能地实现了经济、合理、高效。
【专利说明】
双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法
技术领域
[0001] 本发明属于铁路工程设计技术领域，尤其属于重载铁路隧道设计技术领域，特别 涉及重载铁路隧道底部结构建设设计技术。
【背景技术】
[0002] 世界范围内的货物列车重载运输技术发展十分迅速，重载铁路隧道中重载列车荷 载竖向的衰减规律成为重载铁路隧道底部结构设计的关键。因此重载铁路隧道底部结构的 荷载信息获得逐渐受到相关研究学者、设计人员及施工人员的高度重视。目前，我国重载铁 路隧道病害主要集中在底部结构，主要原因是由于重载列车长期大轴重的碾压，而获得底 部结构中重载列车荷载的传递规律、荷载信息成为重载铁路隧道底部结构设计的基础和关 键。
[0003] 根据国际重载运输协会（International Heavy Haul Association，IHHA)2005年 修订的重载铁路标准，满足以下三条标准中的至少两条才能称为重载铁路，即：1)重载列车 牵引重量至少达到8000t;2)轴重(或计划轴重)为27t及以上;3)在至少150km线路区段上年 运量超过4000万t。
[0004] 目前，国内外相关研究学者研究的重载列车荷载竖向传递规律主要集中在路基、 基床结构，对于重载列车荷载在底部结构包括道床、仰拱填充、仰拱结构中的传递规律即荷 载获得方法研究较少，且我国重载铁路设计规范尚未正式颁布实施，重载铁路隧道底部结 构通用图仍处于编制阶段。这对重载铁路隧道底部结构设计造成了较大的困难，对其施工 设计的合理性和安全可靠性将产生重大影响。
【发明内容】
[0005] 本发明根据现有技术的不足公开了一种双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得 方法。本发明要解决的问题是提供一种双线铁路隧道重载线路中心、重载线路轨道下方和 普通线路轨道下方的重载列车竖向荷载信息的获得方法，为重载铁路隧道底部结构设计提 供科学依据，以保证重载铁路隧道结构设计合理和安全。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007]双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于包括以下方法步骤：
[0008] 步骤一、获得双线重载铁路隧道设计参数、重载列车线路位置和列车参数，至少包 括通过列车的轴重数据；
[0009] 步骤二、获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据；
[0010] 步骤三、根据各分层竖向深度与相应的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得 到不同轴重下的列车荷载计算方式为:y = ax3+bx2+cx+d，其中：x为竖向深度，单位m;y为相 应深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa;
[0011] 步骤四、根据不同轴重下的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得到a、b、c、d 与轴重的关系并代入步骤三的计算式得到双线铁路隧道底部竖向荷载增量与竖向深度和 3 /、必 ' 轴重的计算式;P-f其中:An和Β?为拟合得到的系数，r为轴重，单位t。 ?γ*4 \：tv*4 ^
[0012] 所述获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据至少包括围岩 表面、仰拱表面、仰拱填充表面、道床表面在不同轴重下列车荷载增量数据。
[0013] 本发明获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据方法之一是 通过现场激振试验获得，包括：
[0014] (1)根据工程情况编制试验方案，拟定三种列车模拟轴重25t、27t和30t试验工况； [0015] (2)根据模拟轴重需求，选用合适的动力试验系统进行动力加载，通过不同偏心快 组合配合激振频率f输出高幅变化的激振力，以实现不同轴重的列车荷载模拟：
[0016] 轴重：30t，配重组合为:B-05，频率：14Hz;
[0017] 轴重:27t，配重组合为:B-03，频率:9Hz;
[0018] 轴重:25t，配重组合为:B-02，频率：11Hz;
[0019] (3)动力试验激振设备直接置于试验断面轨枕上对基底结构动力加载。
[0020] 上述配重组合B-05是275861^，配重组合8-03是254101^，配重组合8-02是 23422kg。
[0021]本发明获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据另一种方法 是通过在不同测点埋设光纤光栅土压力传感器获得，包括：
[0022]将不同测点的土压力传感器进行熔接组网，主光缆接入光纤光栅解调仪后利用软 件实时进行光纤光栅波长的采集;根据光线光栅土压力传感器的动态波长，采用波长与接 触压力的关系计算得到各测点的接触压力增量；
[0023] 或，选用振弦式传感器，将所有振弦式土压力传感器接入一台振弦式数据采集仪 进行数据的读取和记录。
[0024] 计算方法是利用下列计算式得到列车荷载的附加增量：
[0025] Ρ=(λ-λ〇)/Κ- ΔΤΧΚτ
[0026]其中：Ρ为接触压力，单位kPa;λ为测量波长，单位mm;λ〇为零点波长单位mm;Κ为压 力系数，单位nm/kPa; Δ T为温差，单位。C ; Κτ为温度修正系数，单位kPa/°C。
[0027]本发明双线铁路隧道底部竖向荷载信息可以是重载线路中心荷载信息、重载线路 轨道荷载信息、普通线路轨道荷载信息。
[0028]其中，重载线路中心荷载信息是：
[0029] y = (2.857x3-6.873x2+3.687x+0.56)r2+(-156.297x 3+373.413x2-204.807x-19.32)1+(2080.913-4907.91 2+2654.41+228.8);其中4为竖向深度，单位111#为轴重，单位 t;y为相应深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。
[0030] 重载线路轨道信息是：
[0031 ] y = (0 · 297χ3-1 · 057χ2+0 · 307χ+1 · 117)r2+(-22 · 377χ3+77 · 797χ2-38 · 847x-49 · 317) r+(316.0x3-1095.9x2+572.9x+638.5);其中，x为竖向深度，单位m;r为轴重，单位t;y为相应 深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。
[0032] 普通线路轨道信息是：
[0033] y = (0.363x3-1 .153x2+l. 147χ-〇. 35)r2+(-19.743χ3+62.573χ2-62.027χ+19.65)r+ (253.6x3-806.4x2+789.3x-244.1);其中，x为竖向深度，单位m; r为轴重，单位t; y为相应深 度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。
[0034]本发明根据双线重载铁路的设计参数，选择在双线重载铁路隧道重载线路中心， 重载线路轨道下方和普通线路轨道下方底部结构中由上至下在道床表面、仰拱填充表面、 仰拱表面、围岩表面相应位置进行了光纤光栅土压力传感器的埋设。
[0035]利用现场试验，模拟了 25t、27t、30t三种轴重的重载列车在道床结构上的作用。
[0036] 在试验过程中对底部结构不同位置的的光纤光栅土压力传感器动态波长进行采 集和记录。
[0037] 根据传感器相对应的计算公式，对采集得到的波长进行处理分析，包括重载线路 中心位置，重载线路轨道位置和普通线路轨道位置的各测点因列车荷载而发生的波长变 化。包括道床表面(深度〇m)，仰拱填充表面(深度0.3m)，仰拱表面(重载线路中心深度1.5m， 重载线路轨道深度1.8m，普通线路轨道深度1.4m)，围岩表面(重载线路中心深度1.8m，重载 线路轨道深度2.1m，普通线路轨道深度1.7m)最终得到相应测点的重载列车荷载附加增量。
[0038] 根据上述计算结果，确定三个特征竖向位置上，列车荷载附加增量与竖向深度的 数学关系为三次多项式y = ax3+bx2+cx+d。
[0039] 在得到上述三次多项式的基础上对各自的系数a、b、c、d与轴重进行拟合得到a~d 的轴重表达式，将a~d分别带入原有的三次多项式中即可得到不同竖向位置上，不同轴重 条件下重载列车荷载的获得方法。
[0040] 本发明的有益效果，本发明采用现场试验、数据采集分析和数学模型建立，获得了 满足不同轴重条件下单洞双线重载铁路隧道底部结构不同深度的重载列车荷载，该方法也 充分反映了重载列车对重载铁路隧道底部结构的动力影响。本发明提供了目前重载列车荷 载在隧道底部结构竖向传递过程中不同深度的获得方法，而且对重载铁路隧道底部结构的 设计提供了科学依据，最大可能地实现了经济、合理、高效。
【附图说明】
[0041] 图1是双线铁路隧道断面示意图；
[0042]图2是重载铁路隧道三个特征竖向位置；
[0043] 图中，1是重载线路线路中心，2是重载线路轨道位置，3是普通线路轨道位置
[0044] 图3是重载铁路隧道底部结构光纤光栅土压力传感器埋设位置；
[0045] 图中，21是道床表面测点位置;22是仰拱填充表面测点位置;23是仰拱表面测点位 置;24是围岩表面测点位置；
[0046] 图4是25t轴重下重载线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0047]图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0048] 图5是27t轴重下重载线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0049] 图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0050] 图6是30t轴重下重载线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0051 ]图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0052] 图7是25t轴重下重载线路轨道重载列车荷载变化曲线；
[0053] 图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0054] 图8是27t轴重下重载线路轨道重载列车荷载变化曲线；
[0055] 图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0056] 图9是30t轴重下重载线路轨道重载列车荷载变化曲线；
[0057] 图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0058] 图10是25t轴重下普通线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0059] 图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0060] 图11是27t轴重下普通线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0061 ]图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0062]图12是30t轴重下普通线路中心重载列车荷载变化曲线；
[0063]图中，横坐标X是竖向深度，单位:m;纵坐标y是列车荷载增量，单位:kPa;
[0064] 图13是重载线路中心系数a与轴重的关系曲线；
[0065] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是a的数值；
[0066] 图14是重载线路中心系数b与轴重的关系曲线；
[0067] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是b的数值；
[0068] 图15是重载线路中心系数c与轴重的关系曲线；
[0069] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是c的数值；
[0070] 图16是重载线路中心系数d与轴重的关系曲线；
[0071] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是d的数值；
[0072] 图17是重载线路轨道系数a与轴重的关系曲线；
[0073] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是a的数值；
[0074] 图18是重载线路轨道系数b与轴重的关系曲线；
[0075] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是b的数值；
[0076] 图19是重载线路轨道系数c与轴重的关系曲线；
[0077]图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是c的数值；
[0078]图20是重载线路轨道系数d与轴重的关系曲线；
[0079] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是d的数值；
[0080] 图21是普通线路轨道系数a与轴重的关系曲线；
[0081] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是a的数值；
[0082] 图22是普通线路轨道系数b与轴重的关系曲线；
[0083] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是b的数值；
[0084] 图23是普通线路轨道系数c与轴重的关系曲线；
[0085] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是c的数值；
[0086]图24是普通线路轨道系数d与轴重的关系曲线；
[0087] 图中，横坐标X表示列车轴重，单位:t;纵向标y是d的数值。
【具体实施方式】
[0088] 下面通过实施例对本发明进行具体的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步 的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本发明的内 容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。
[0089] 结合图1至图24。
[0090] 本发明通过以下方案实现重载铁路隧道在不同竖向深度上的荷载。
[0091] 包括以下方法步骤：
[0092] 步骤一、获得双线重载铁路隧道设计参数、重载列车线路位置和列车参数，至少包 括通过列车的轴重数据；
[0093] 步骤二、获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据；
[0094] 步骤三、根据各分层竖向深度与相应的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得 到不同轴重下的列车荷载计算方式为:y = ax3+bx2+cx+d，其中：x为竖向深度，单位m;y为相 应深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa;
[0095] 步骤四、根据不同轴重下的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得到a、b、c、d 与轴重的关系并代入步骤三的计算式得到双线铁路隧道底部竖向荷载增量与竖向深度和 5 / 4 % ^,···χ ? -.\····々文 轴重的计算式；其中:Α4ρΒ?为拟合得到的系数，r为轴重，单位t。
[0096] 以下具体例采用时速为120km/h的IV级围岩标准设计断面，采用不同轴重下底部 结构不同深度的重载列车荷载拟合方法获得。
[0097] 1)根据设计文件，确定双线铁路隧道的重载线路中心、重载线路轨道和普通线路 轨道的三条特征线位置，不同结构的表面上根据特征线确定测点的分布位置。
[0098] 2)根据1)现场实际需求，埋设合适的土压力传感器。
[0099]①基于现场情况，传感器除需要满足动态测试外，还要满足长期监测要求，因此可 选用稳定性较好的光纤光栅土压力传感器。
[0100]在重载线路中心、重载线路轨道和普通线路轨道的三条特征线位置由上至下各结 构面:道床表面、仰拱填充表面、仰拱表面、围岩表面相应测点进行传感器安装。
[0101]②还可以选择现场激振试验方式获得。本发明模拟25t、27t和30t轴重的重载列车 荷载施加在道床结构表面工况，通过激振试验读取不同轴重下各测点的动态波长，按照相 应的公式得到各测点因列车荷载引起的接触压力动力增量。
[0102] 根据工程情况编制试验方案，本例拟定三种列车模拟轴重25t、27t和30t试验工 况，选用合适的动力试验系统进行动力加载，通过不同偏心快组合配合激振频率f输出高幅 变化的激振力，以实现不同轴重的列车荷载模拟：
[0103] 轴重：30t，配重组合为:B-05，频率：14Hz;
[0104] 轴重:27t，配重组合为:B-03,频率:9Hz;
[0105] 轴重:25t，配重组合为:B-02,频率：11Hz;
[0106] 上述配重组合B-05是275861^，配重组合8-03是254101^，配重组合8-02是 23422kg。
[0107] 动力试验激振设备直接置于试验断面轨枕上对基底结构动力加载。
[0108] 获得上述数据后通过下式计算列车荷载的附加增量：
[0109] Ρ=(λ-λ〇)/Κ- ΔΤΧΚτ
[0110]其中：Ρ为接触压力，单位kPa;λ为测量波长，单位mm;λ〇为零点波长单位mm;Κ为压 力系数，单位nm/kPa; Δ T为温差，单位。C ; Κτ为温度修正系数，单位kPa/°C。
[0111]①重载线路中心位置接触压力动力增量下表1(单位:kPa)。
[0113]②重载线路轨道位置接触压力动力增量下表2(单位:kPa)。
'[0115] ③普通线路轨道位置接触压力动力增量下表：K单位:kPa)。' '
[0118] 4)对各测点的接触压力增量与竖向深度进行拟合，得到相应的计算式。
[0119] ①重载线路线路中心正下方的列车荷载计算方式如下表4所示。
[0121]~②重载线路轨道正下方的列车荷载计算方式如下表5所示。
[0123]③普通货运线路轨道正下方的列车荷载计算方式如下表6所示。
[0125] 其中：x为竖向深度，单位m;y为相应深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。
[0126] 5)对4)中三次多项式y = ax3+bx2+cx+d的系数与轴重进行拟合。
[0127] 〇)重载线路中心系数与轴重关系式
如下衷7所示。
[0129]②重载线路轨道系数与轴重关系式如下表8所示。
[0131]③普通线路轨道系数与轴重关系式如下表9所示。
[0133] 6)将4)和5)的计算式进行整合得到不同轴重下不同竖向位置不同深度上的重载 列车荷载。
[0134] 重载线路中心：
[0135] y = (0.6213x3-1.6203x2+l .253x-0.3133)r2+(-39.33x3+103.53x2-81,346x+ 22·793)r+(540·69x 3-1384·3x2+1020·3x-255)
[0136] 重载线路轨道：
[0137] y=(0.1583x3-0.4853x2+0.463x-0.284)r2+(-12.044x 3+39.347x2-39.721x+ 22·078)r+(124·53x3-398·24x 2+389 · 85x-235·06)
[0138] 普通线路轨道：
[0139] y = (-0.33x3+0.0701x2+1.0226x-〇.5392 )r2+( 16.494x3+0.6165x2-59.815x+ 31·344)r+(-210·39x 3-50·298x2+847·84x-434·54)
[0140] 其中：X为竖向深度，单位为列车轴重，单位t;y为相应深度结构表面的列车荷 载增量，单位kPa。
【主权项】
1. 双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于包括以下方法步骤： 步骤一、获得双线重载铁路隧道设计参数、重载列车线路位置和列车参数，至少包括通 过列车的轴重数据； 步骤二、获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据； 步骤三、根据各分层竖向深度与相应的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得到不 同轴重下的列车荷载计算方式为:y = ax3+bx2+cx+d，其中：X为竖向深度，单位m; y为相应深 度结构表面的列车荷载增量，单位kPa; 步骤四、根据不同轴重下的列车荷载增量数据根据最小二乘法拟合得到a、b、c、d与轴 重的关系并代入步骤三的计算式得到双线铁路隧道底部竖向荷载增量与竖向深度和轴重 '5. 的计算式;其中丄和仏为拟合得到的系数，r为轴重，单位t。 ，2. 根据权利要求1所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于:所 述获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据至少包括围岩表面、仰拱表 面、仰拱填充表面、道床表面在不同轴重下列车荷载增量数据。3. 根据权利要求2所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于:所 述获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据是通过现场激振试验获得， 包括： (1) 根据工程情况编制试验方案，拟定三种列车模拟轴重25t、27t和30t试验工况； (2) 根据模拟轴重需求，选用合适的动力试验系统进行动力加载，通过不同偏心快组合 配合激振频率f输出高幅变化的激振力，以实现不同轴重的列车荷载模拟： 轴重:30t，配重组合为:B-05，频率：14Hz; 轴重:27t，配重组合为:B-03，频率:9Hz; 轴重:25t，配重组合为:B-02，频率：11Hz; (3) 动力试验激振设备直接置于试验断面轨枕上对基底结构动力加载。4. 根据权利要求2所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于:所 述获取隧道底部结构中各分层在不同轴重下列车荷载增量数据是通过在不同测点埋设光 纤光栅土压力传感器获得，包括： 将不同测点的土压力传感器进行熔接组网，主光缆接入光纤光栅解调仪后利用软件实 时进行光纤光栅波长的采集;根据光线光栅土压力传感器的动态波长，采用波长与接触压 力的关系计算得到各测点的接触压力增量； 或，选用振弦式传感器，将所有振弦式土压力传感器接入一台振弦式数据采集仪进行 数据的读取和记录。5. 根据权利要求1至4任一项所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特 征在于:所述双线铁路隧道底部竖向荷载信息包括重载线路中心荷载信息、重载线路轨道 荷载信息和普通线路轨道荷载信息。6. 根据权利要求5所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于所 述获得的重载线路中心荷载?目息是： y=(2.857x3-6.873x2+3.687x+0.56)r2+(-156.297x 3+373.413x2-204.807x-19.32)r+ (2080.9x3-4907.9x2+2654.4x+228.8);其中，x为竖向深度，单位m; r为轴重，单位t; y为相应 深度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。7. 根据权利要求5所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于所 述获得的重载线路轨道信息是： y=(0.297x3-1.057x2+0.307x+l.117)r2+(-22.377x 3+77.797x2-38.847x-49.317)r+ (316.(^3-1095.912+572.91+638.5);其中^为竖向深度，单位111#为轴重，单位扒7为相应深 度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。8. 根据权利要求5所述的双线铁路隧道底部竖向荷载信息的获得方法，其特征在于所 述获得的普通线路轨道信息是： y=(0.363x3-1.153x2+l. 147χ-〇.35)r2+(-19.743χ3+62.573χ2-62.027χ+19.65)r+ (253.6χ3-806.4χ2+789.3χ-244.1);其中，χ为竖向深度，单位m; r为轴重，单位t; y为相应深 度结构表面的列车荷载增量，单位kPa。
【文档编号】E02D33/00GK106065636SQ201610494818
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月29日 公开号201610494818.2, CN 106065636 A, CN 106065636A, CN 201610494818, CN-A-106065636, CN106065636 A, CN106065636A, CN201610494818, CN201610494818.2
【发明人】王明年, 于丽, 李自强, 赵勇, 倪光斌, 华阳, 林传年, 唐国荣
【申请人】西南交通大学, 中国铁路经济规划研究院, 中国铁路总公司