弹性支承块式无砟轨道道床施工技术在重载隧道中的应用

弹性支承块式无砟轨道起源于英国,山西中南部铁路通道首次采用重载弹性支承块式无砟轨道结构,针对重载弹性支承块式无砟轨道道床施工,以东安隧道为例,从现场施工管理的角度出发,从前期准备工作,到轨排组装、粗调、精调,再到竣工数据采集等的施工工艺及控制措施作以阐述。

新建隧道下穿既有重载隧道施工控制技术研究

为解决新建隧道下穿既有重载隧道工程,新建隧道的安全施工及既有隧道的安全运营问题,展开对下穿段主要施工技术及监控量测的研究。通过交叉隧道现场实测数据的反馈,合理优化隧道交叉段的支护参数;加强超前小导管及超前大管棚对前方围岩的预加固,对于交叉段Ⅳ级围岩采用Ⅴ级加强的初期支护形式;同时对交叉段DK173+954.4~DK174+970.9严格控爆,控制最大单响药量,设置大孔径空孔尽可能减小爆破施工对既有线路的振动损害。对既有隧道及新建隧道结构变形及爆破振动实时监测,实时改进隧道施工方案及支护措施。

重载铁路隧道衬砌病害套衬整治关键技术及应用

为解决重载铁路隧道衬砌空洞、剥落掉块等问题,提出适用于重载铁路衬砌病害整治的套衬技术,即波纹板套衬和钢拱架套衬。依托大秦铁路和尚坪隧道衬砌病害整治项目,从套衬结构设计、防腐处理、施工工艺等方面进行论述,建立数值模型对套衬加固效果进行分析,并论述了波纹板套衬和钢拱架套衬结构性能及适用性。结果表明:两种套衬方案均可增加隧道衬砌的承载能力,适用于大秦铁路隧道衬砌病害整治;波纹板套衬抗弯刚度较钢拱架套衬大;钢拱架套衬施工效率和经济效益大于波纹板套衬。

重载铁路隧道基底结构动应力分析

以某重载隧道工程为背景,利用有限差分软件进行数值模拟,以人工激振函数模拟列车振动荷载,研究25t、27t、30t轴重列车荷载作用下隧道基底结构的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,基底各部位的动压应力呈非线性增长,且增加幅度逐渐扩大;动压应力自道床层依次向下随深度的增加而不断减小,30t轴重作用下线路中心处动压力从道床上表面传至道床下表面衰减50.7%,传至仰拱上表面衰减54.1%,传至仰拱下表面衰减10.3%,在道床层和填充层内动应力衰减幅度较大,在仰拱结构内衰减幅度较小。

隧底富水围岩脱空条件下重载铁路隧道动力响应

为研究隧底围岩脱空对水-力耦合作用下重载铁路隧道动力响应特性的影响,采用现场试验与数值模拟相结合的方法,分别以竖向位移、孔隙水压力和竖向动应力作为评价指标,分析了不同脱空形状(椭圆、余弦和矩形)下富水隧底结构的动力响应规律,提出了一种符合实际的脱空形状,确定了富水隧底围岩的脱空阙值。研究结果表明:随着脱空宽度的增加,隧道底部结构动力响应不断增大,且脱空宽度超过一定值后动力响应变化加剧,这种现象在脱空区域尤为明显;3种脱空形状下,以矩形脱空动力响应最大,椭圆形脱空次之,余弦形脱空最小;其中,椭圆形脱空最符合实际,该脱空下基底动力响应是无脱空情况下的4.2倍,隧道底部围岩脱空阙值为0.6 m。研究结果可为富水重载铁路隧道行车安全及脱空病害整治提供依据。

基于数值模拟的重载铁路隧道结构疲劳损伤研究

为研究受重载铁路隧道结构的疲劳损伤,基于数值模拟方法进行模拟研究,分别对单线和双线铁路隧道进行研究,研究结果表明:载重的增加及围岩等级的降低,都会增加隧道结构的疲劳损伤,在填充结构中,损伤集中在轨道下方;在衬砌结构中,损伤集中在线路中心区域。

基底空洞条件下重载铁路硬岩隧道铺底结构动力响应

为量化轴重与基底脱空对重载铁路硬岩隧道动力响应的影响,基于Hertz非线性轮轨接触理论,运用有限元软件建立列车-轨道-隧道-围岩一体化数值仿真模型,以此分析脱空状态下重载铁路硬岩隧道铺底结构动力响应特性及潜在不利部位。研究结果表明:在围岩压力和轴重30 t列车共同作用下,基底脱空时轨下铺底结构第1主应变最大动幅值为82.28×10^(-6),比无空洞时增大87.26%。轨下和侧沟处铺底结构是硬岩隧道的2个主要易损部位,由列车动载引起底部结构产生的动力响应最大幅值位于轨道正下方处,而由围岩压力引起底部结构的静态应变最大值位于侧沟下方,硬岩隧道轨下处动力响应更大且结构更薄弱,轨道正下方处铺底结构发生基底病害的可能性比软岩隧道更高,而软岩隧道中基底病害则更易在侧沟处产生。轴重每增大1 t,有空洞、无空洞条件下铺底结构第1主应变动幅值分别增加约2.56×10^(-6)和1.41×10^(-6)。基底空洞对隧道结构十分不利,不仅大幅提高了硬岩隧道底部结构动力响应幅值,还增大了围岩静载作用下底部结构静态应变值。空洞宽度每增大10 cm,轨下处铺底结构第1主应变动幅值约增大12.18×10^(-6),静态应变值约增大3.71×10^(-6)。但当空洞宽度超过50 cm时,其增长速度会下降。研究成果可为重载铁路轴重提升、降低隧道基底病害概率提供参考依据。

既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

采用地质雷达对一既有重载隧道基底混凝土厚度进行了探测,测试断面基底混凝土厚度小于设计值。利用ANSYS建立荷载—结构平面动力分析模型,依据现场取样试验结果并结合实车动态试验结果,分析了30 t轴重重载列车通过时隧道基底混凝土厚度对基底结构受力的影响。分析结果表明,基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0,有一定的安全储备。考虑到隧道结构尺寸要求,示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m,Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。因此,对于隧底出现的混凝土厚度不足情况,应酌情进行加固处理,从而保证列车安全运营。

隧底围岩损伤条件下隧道结构动力响应及疲劳寿命研究

为研究隧底围岩软化、脱空下隧道结构的动力响应特性,结合现场测试和数值模拟,使用有限差分软件建立了数值模型,分析了隧底结构竖向位移、竖向加速度和主应力响应特征,预测了不同工况下隧底结构服役寿命。结果表明:随着隧底围岩软化系数的减小和脱空宽度的增加,结构的动力响应均呈现不同程度的增大;隧底结构服役寿命主要受抗拉强度的影响,最不利位置为轨下仰拱处。为便于工程实践中的安全管理与维护决策,将隧底结构疲劳寿命分为安全、警示、危险、严重危险四个等级,软化系数为0.6时或者脱空宽度为2.0 m时,隧底结构处于危险区,需立即采取措施进行整治。相关研究为保障重载铁路隧道的运行安全提供了坚实的理论支撑和实用指导。

重载铁路隧道基底结构长期动力特性试验研究

针对重载铁路隧道基底结构受列车荷载作用更大的特点,根据付营子隧道现场大型激振试验实现了27 t轴重的重载列车动力加载和长期荷载作用,与远程实测动力数据进行比对验证了试验的客观准确性。讨论了双线重载铁路隧道基底结构在大轴重、高密度的运输环境下由上至下的道床、仰拱填充、仰拱结构和围岩表面的接触压力动力响应和长期变化。研究表明,激振试验能够很好的模拟27 t轴重作用下双线重载铁路隧道基底结构的动力特性,具体表现为各结构表面重载线路轨道下方相应位置的动力响应和长期效应最为明显,且由上至下随竖向深度逐渐减弱。各位置的动压力长期效应受该位置的列车动荷载附加值影响,动力响应越大,长期效应越明显。试验结果可为双线重载铁路隧道基底结构的稳定性评价和设计参数提供理论基础。

重载铁路隧道底部结构疲劳性能及累积损伤试验研究

根据重载铁路隧道底部疲劳关键部位的力学特性,开展双侧限高静载低动载波动疲劳试验,得到重载铁路隧道底部结构试件的最大拉应变及电导的演化规律,通过分析试验数据研究结构的疲劳性能和累积损伤。结果表明:当最大应力水平不高于0.60时,试件最大拉应变呈2阶段发展,未产生疲劳破坏,其最大拉应变幅值、增速始终保持恒定;当最大应力水平超过0.70时,试件最大拉应变呈“倒S”型3阶段发展,产生疲劳破坏,试件的最大拉应变及其增量、幅值、增速在第Ⅰ和第Ⅲ阶段增长较快,在第Ⅱ阶段呈缓慢线性增长;试件的疲劳寿命随静载、动载的增大而缩短,采用多元线性函数对试验数据进行拟合,得到双参数疲劳寿命(S—N)计算公式;同时,基于试件最大拉应变及电导的时变特性,得到隧道底部结构的非线性累积损伤演化曲线及计算公式。

30 t轴重下重载铁路隧道隧底结构疲劳损伤研究

鉴于重载铁路隧底结构疲劳损伤现象较普通客货共线铁路更加明显,根据现场调查对重载铁路隧底结构病害进行分类,并确定了影响其疲劳损伤的主要因素为重载列车长时间大轴重碾压。依托张唐铁路双线重载铁路隧道大型现场原位激振试验,得到了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下道床结构表面的轴重列车附加动荷载分布规律,利用Ansys Workbench仿真软件对重载铁路隧底结构损伤分布及疲劳损伤进行模拟,并结合试验所得道床和仰拱结构的动应力验证其计算结果的准确性,结果表明:将实测所得动压力时程曲线作为Workbench动力初始条件进行疲劳损伤计算具有客观性,计算得出:随着围岩条件降低,隧底结构损伤范围及损伤程度逐渐增加;在相同围岩级别30 t轴重条件下隧底结构损伤出现的时间由上至下依次递增,且损伤程度逐渐降低。研究成果可为重载铁路隧道运营期长期服役性能研究及疲劳寿命预测提供借鉴和参考。

轴重30t重载列车作用下新黄土区隧道适应性及强化措施研究

以在建的蒙华铁路典型隧道结构型式为基础,针对新黄土区重载铁路隧道结构动力响应、疲劳寿命以及合理强化措施等问题,采用数值模拟的方法进行研究。结果表明:随着轴重和运量的增加,既有铁路隧道无法满足30 t轴重列车长期安全运营的要求,应采取强化措施。而单一的系统锚杆注浆加固强化能力有限,须采用系统锚杆与隧底地基加固(加固深度4 m及其以上)的联合强化措施方能满足其疲劳寿命要求。通过研究,指出30 t轴重列车荷载作用下隧底结构疲劳易损位置,即二次衬砌仰拱中心、初期支护仰拱与边墙连接处,并得到满足100 a设计使用年限,新黄土区隧道二次衬砌、初期支护混凝土结构在轴重30 t列车荷载作用下的疲劳上限强度,分别为1.30和1.62 MPa,可为设计参考。

基底脱空条件下重载铁路隧道铺底结构疲劳性能试验研究

结合重载铁路隧道基底脱空病害特征,设计基底脱空条件下隧道铺底结构疲劳试验装置,并考虑隧道基底无水、富水环境等因素,开展隧道铺底脱空病害下的结构疲劳试验。基于试验结果的分析,探讨脱空条件下隧道铺底结构的疲劳演化特性,拟合得到300 mm脱空条件下隧道铺底结构试件疲劳寿命演化曲线。研究结果表明:基底脱空条件下,隧道铺底结构疲劳性能呈“倒S型”演化趋势,结构疲劳寿命随着应力水平增大而显著缩短;受地下水的影响,富水环境隧道底部结构疲劳寿命显著短于无水环境,且随着应力水平的升高,缩短的比例也越大;建立的基底脱空条件下隧道铺底结构疲劳寿命演化曲线,可用于隧道底部结构损伤状态的评价。

不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究

以重载铁路张唐线付营子隧道为工程依托,针对Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道在25、27、30 t三种轴重下的基底结构不同结构层表面的动压力分布及竖向传递规律,开展了现场大型激振试验和实时远程监测。根据激振试验所得土压力传感器典型时程曲线,得到了各结构面动压力的横向分布及竖向传递规律,最后根据远程监测数据对27 t轴重下基底结构的动压力分布规律进行对比验证。结果表明:Ⅳ级围岩条件下,双线重载铁路隧道重载线路在重载列车荷载直接作用下,该侧的动压力均大于普通铁路,各结构面不同测点的动压力数值随着与激振点水平距离的增加而降低,列车轴重提升使线路下方作用荷载的增大,双线铁路隧道基底结构易出现失稳。动压力竖向传递规律显示,各结构面表面接触压力对列车轴重的响应由上至下逐渐减弱。远程实测数据分析结果与激振试验结果比较接近,表明试验结果可用于双线重载铁路隧道基底结构设计参考。

重载铁路隧道结构疲劳检算及安全性评估

以30 t轴重重载铁路为背景,根据结构振动特性对重载铁路隧道基底结构进行疲劳强度的检算,得出新建30 t轴重重载列车作用下隧道基底结构的破损机理,同时验证了结构的安全性。

基于疲劳寿命的40t轴重重载单线隧道隧底参数优化

基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建40t轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析。考虑不同围岩等级、轴重、结构参数以及行车速度等的多种工况,采用动力有限元方法得到列车动载作用下隧底结构疲劳危险部位的应力时程曲线即应力水平,而后根据疲劳累积损伤理论,创新性地考虑应力疲劳与材料碳化的耦合,得到了不同工况隧底混凝土结构的使用寿命。最后给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数,探讨了轴重和行车速度对结构疲劳寿命的影响规律。

重载铁路隧道清扫系统的研究与应用

大秦铁路是一条以运煤为主的铁路,其特点是车流密度大、载重量大、线路弯道多、桥隧相连、地形复杂。因车流密度太大,隧道内作业时间十分有限,导致洞内煤尘大量堆积,轨道扣件被埋没,无法进行正常维修养护。为了确保隧道设备的状态良好及铁路运输的安全,对隧道内煤尘清理设施进行了探讨,研究了隧道清扫系统在高密度重载铁路隧道内的使用,解决了多年养护管理部门中的技术难题,具有推广价值。

重载作用下铁路隧道底部结构动力响应特征及合理设计参数研究

文章基于动力有限元理论,采用激振函数模拟列车荷载,建立了重载铁路隧道结构与围岩的耦合数值计算模型,分别分析了不同矢跨比、填充层厚度和仰拱厚度对重载铁路隧道底部结构动力响应特性的影响。结果表明:重载作用下,隧道底部结构各部位的动力响应程度较常规铁路隧道更大,对结构的稳定性更为不利。同时通过研究得出了重载作用下,隧底结构不同力学指标的最大响应值及其出现的具体位置,进一步通过设置典型参数工况,探讨了重载双线铁路隧道底部结构的合理设计参数,对于重载双线铁路隧道底部结构,矢跨比、填充层厚度、仰拱厚度分别取为1/10~1/11、1.2~1.3 m和40~50 cm较为合理,能有效改善重载双线铁路隧道底部结构的动力响应及受力状态。

基于车-轨-隧一体化模型的重载铁路隧道动力响应特性分析

基于赫兹非线性理论,考虑轮轨接触关系,建立车辆-轨道-隧道一体化三维空间耦合模型,对重载列车作用下隧道结构的动力响应进行计算分析。通过与实测值的对比分析,验证该一体化计算模型的可靠性。进一步针对蒙华铁路黄土隧道工程,探讨30 t轴重列车荷载作用下隧道结构的动力响应特征。计算结果表明:30 t轴重列车荷载作用下,隧道底部结构的位移、应力和加速度显著增大,受列车振动荷载的影响明显;在轨下断面和隧道中心断面,压应力都沿深度方向衰减,衰减速度由快到缓;隧道中心断面拉应力沿深度方向增长,在初支底部出现最大拉应力;列车荷载对结构的整体受力产生不利影响。