高速铁路无砟轨道密集型路隧过渡段间短路基最优长度研究

高速铁路无砟轨道密集型路隧过渡段间短路基最优长度研究

王国鹏

中国铁路南昌局集团有限公司江西南昌330002

摘要：高速铁路无砟轨道密集型路隧过渡段的合理设计关系着列车的安全性和平稳性指标，而过渡段间短路基是开展设计、施工的核心工作。本文选取了某一典型密集型路隧过渡段，通过数值仿真分析，计算得出了短路基的最优长度，具体结果如下：当短路基长度较小时，过渡段的整体结构刚度会增大，造成由于过渡段刚度增大引发的动力响应远远超出了由于过渡段密集带来的影响，且造成了过渡段动力响应沿纵向的分布曲线更加非线性，进而降低列车运行的舒适度，且65m为最不利过渡段间距，即为短路基的最优长度。

关键词：高速铁路；过渡段；动力响应；加速度

随着我国高速铁路的快速发展，高速铁路的“四横四纵”铁路网已经基本建成，预计2020年高速铁路的运营历程将会达到3万公里[1-3]。在高速铁路的组成部分中路隧过渡段由于其特殊性已经逐渐成为高速铁路运营安全的控制性因素之一。高速列车经过该路段时将会产生俯冲的轮轨作用力，加速该部位轨道结构的劣化，增加后期的运营维护费用[5-7]。路隧过渡段的设计主要包括两大部分，一部分是普通的单个路隧过渡段、一部分是具有相互影响的多个路隧道过渡段的耦合，前期目前的设计、施工技术已经基本成熟，后者则亟待开展针对性的研究，尤其是过渡段间短路基的最优设计长度[8-10]。基于此，本文将选取某一典型密集型路隧过渡段，通过数值仿真分析，计算得出了短路基的最优长度，可为密集型路隧过渡段的合理设计提供思路。

1过渡段仿真分析模型

过渡段的几何尺寸设置如下：基床表层厚0.7m，路堤填土厚6m，隧道底部长1.0m，轨道板采用标准规格，过渡段采用掺5%水泥的级配碎石，过渡段总长度为20m。路基斜边坡比为1：1.75，具体模型见图1。

图1过渡段整体数值计算模型

该动力学垂向分析模型充分考虑了路基系统不同结构层之间的相互作用、路基与隧道（桥台）之间的相互作用，轨道板之间的相互作用等方面的内容，较好的耦合了“车辆系统”、“轨道系统“以及“路基系统”三大系统。

2计算结果

本文选择路隧过渡段间距为50m、55m、60m、70m及80m的情况进行仿真分析，以获得相邻过渡段的最佳设计参数，具体计算结果见图2和图3。

图3过渡段间距VS垂向轮载力、轮重减载率的变化曲线

综合分析图2和图3可知，当短路基长度较小时，过渡段的整体结构刚度会增大，造成由于过渡段刚度增大引发的动力响应远远超出了由于过渡段密集带来的影响，且造成了过渡段动力响应沿纵向的分布曲线更为的非线性，进而降低列车运行的舒适度。但是，车体的垂向轮轨力、轮重减载率则会随着间距的增大而减小，峰值大致出现在55m的情况下，由此判断相邻路段最不利间距在55m-80m之间。

为了进一步确定短路基的最优长度，下面设置一个临界工况进行分析：列车速度为350km/h，过渡段长度为20m，过渡段轨面弯折为1‰，刚度比为1:6，分别取55m、65m和75m为过渡段间距，得出车辆行驶舒适性指标和车体加速度、轮轨作用力结果可作为评价依据，见表1。

表1极限状况下过渡段密集度对动力参数的影响

由表可见，重轮载率和轮轨作用力都是在评价指标范围之内的，而当过渡段间题为65m时，车重轮载率处于略微小于临界值为0.90，车体垂向加速度为0.96m/s2，也略微小于本报告建立评价标准的临界值，也就是说，当过渡段间距小于65m时，车重轮载率和车体垂向加速度都是满足要求的，而舒适性指标和稳定性指标则是随着过渡段间距的增大而减小，可以见得，当过渡段间距达到65m后，稳定性指标小于2.5，舒适性指标小于2，均满足评价标准。由此看来，65m为最不利过渡段间距。

3结论

根据密集型路隧过渡段数值仿真计算的结果，可以得出以下结论：当短路基长度较小时，过渡段的整体结构刚度会增大，造成由于过渡段刚度增大引发的动力响应远远超出了由于过渡段密集带来的影响，且造成了过渡段动力响应沿纵向的分布曲线更加非线性，进而降低列车运行的舒适度，且65m为最不利过渡段间距，即为短路基的最优长度。

4基金支持

[1]四川省科技支撑计划，高速铁路无砟轨道密集型路隧过渡段设计理论及关键技术研究，2016GZ0338；

[2]四川省科技计划项目苗子工程，高速铁路新型路桥（隧）过渡段设计理论及关键技术研究，18MZGC0247;

[3]南昌铁路局科研项目，活动断层错动条件下路基的抗震减灾加固技术。

参考文献：

[1]杨长卫,张建经,朱浩波,谢晓安.高速铁路路桥（涵）过渡段的新型设计方法研究[J],铁道科学与工程学报,2011,8(5):6-11.

[2]梁波等.京秦线提速路涵过渡段动力仿真与试验对比[J],铁道学报,2003年,第25卷第5期:92-96。

[3]梁波等.秦沈客运专线路基施工及行车条件下路基的静动态测试[D].兰州交通大学.2003年4月.

[4]梁波，韩自立，张艳美，京秦线提速路涵过渡段动力仿真与试验对比，铁道学报[J]，2003，25（3）：92~96.

[5]C.S.Cai,X.M.Shi,G.Z.VoyiadjisandZ.J.Zhang,“StructuralPerformanceofBridgeApproachSlabsunderGivenEmbankmentSettlement”,JOURNALOFBRIDGEENGINEERING,Vol.10,no.4,pp:482-489,2005.

[6]YaoShan,BettinaAlbersandStavrosA.Savidis,“Influenceofdifferenttransitionzonesonthedynamicresponseoftrack–subgradesystems”,ComputersandGeotechnics,Vol.48,no.2013,pp:21-28,2013.

[7]“TechnicalManualforConstructionofRailwaySubgradeofPassengerLine”,RailwayPublishingHouseofChina,TZ212-2005,2006.

[8]“ProvisionalStandardforConstructionQualityInspectionofBallastTrackRailwayProjectofPassengerLine”,RailwayPublishingHouseofChinaRailConstruction[2007]No.85,2007.

[9]D.Q.Li,M.ASCEandDavidDavis,“TransitionofRailroadBridgeApproaches”,JOURNALOFGEOTECHNICALANDGEOENVIRONMENTALENGINEERING,Vol.131,no.11,pp:1392-1398,2005.

[10]Nicks,J.,“TheBumpattheEndoftheRailwayBridge”.PhDThesis,TexasA&MUniversity,CollegeStation,TX,2009.