地铁列车荷载引起隧道基底长期沉降研究

地铁隧道在投入运营后,由于地铁列车荷载引起隧道基底的变形与稳定已成为亟待解决的问题.为研究运营期昆明地铁在列车荷载作用下隧道基底长期沉降变形,首先通过人工激振力函数法确定地铁列车荷载时程曲线.其次采用有限单元法,建立地铁隧道基底土体的动力响应的数值模型,揭示隧道基底土层的动力反应特性.最后采用Li和Selig提出修正指数模型预测昆明地铁在列车循环荷载作用下隧道基底的长期沉降变形.研究结果表明:地铁列车荷载产生动应力主要影响范围在隧道底部0~5m;昆明地铁三号线运营10年后的隧道基底的累计沉降值约为14.3mm,第一年的沉降值约占运营前10年累计沉降值的52%.     

地铁隧道列车循环荷载下粉砂地基长期沉降研究

文章基于郑州地铁1号线农业南路—东风南路站实际工程,开展粉砂土排水工况的动三轴试验,基于动三轴试验结果提出粉砂土塑性累积变形计算公式,并结合有限元模拟获得的地层动偏应力数据,预测小曲率半径为250～350 m、列车速度为40～200 km/h时隧道地基的长期累积变形。研究结果表明：相较于软黏土,粉砂土更易受到振动变形破坏,其初始阶段的变形量与变形速率更大;根据数值模拟计算结果,曲率半径为350 m、速度为80 km/h工况下运行30 a的累积沉降为20.23 mm;列车行驶速度越大,曲率半径越小,动偏应力越大,且相较于曲率半径的影响,曲线隧道地基长期沉降对列车速度的敏感性更大;曲线隧道设计、施工和运营时,要综合考虑曲率半径和列车速度的影响,当曲率半径为250～350 m时,理论上,列车速度宜控制在80 km/h以下,而当曲线隧道曲率半径大于350 m时,列车速度可适当调高。     

长期地铁振动荷载下南水北调干渠累积沉降特性研究

文章依托郑州地铁10号线下穿南水北调中线干渠工程,通过一系列动三轴试验探讨干渠附近软土层动力响应特性,基于动三轴试验及有限元分析确定Chai-Miura模型参数,研究长期地铁列车振动荷载周期作用下干渠的累积沉降规律。结果表明：郑州南水北调干渠附近软土层动应变发展趋势整体表现为“稳定型”;列车振动荷载作用初期,土体累积变形急剧增加,最大地表沉降发生在行车隧道正上方,而在长期列车振动荷载作用下,地表沉降基本趋于稳定;列车单、双线运行时的地表沉降分布规律类似,但沉降值存在差异,单线运行10⁷次(约为100 a),地表最大累积沉降量为3.95 mm,双线运行10⁷次后产生的累积变形量大约为5.07 mm。     

软土隧道地铁振动效应现场实测与数值分析

为揭示列车运行软土隧道瞬时响应和长期沉降的影响,以上海地铁9号线某区间隧道为例,采用现场实测和动力有限元方法分析了软土隧道的自由场响应特征,基于经验公式法评估了隧道长期振动沉降.实测结果表明,隧道近处的地层响应以竖向振动为主,振动加速度总体上服从竖向加速度最大、横向加速度次之、纵向加速度最小的规律.隧道周围30 m范围内竖向加速度为0.02 ～0.32 m/s2,横向加速度为0.02 ～0.26 m/s2.竖向加速度在横向上以弧线状向外衰减,隧道斜上方和斜下方地层存在横向加速度放大现象,地层振动主频为0 ～400 Hz.地铁振动引起的土体动偏应力比小于2％,最大超孔压约为1.1 kPa.地铁运行初期隧道振动沉降主要来自土体不排水累积塑性变形,长期振动沉降则主要来自超孔压消散引起的固结沉降.研究软土地层响应特征有利于揭示地铁振动的传播过程.     

上覆软弱路基加固对既有地铁隧道沉降的影响规律

为研究道路施工引起下方既有地铁隧道的沉降问题,在地铁隧道上方斜穿施工道路的基础上,进行了现场隧道沉降变形实测研究,分析了道路在路基注浆加固、路床和路面结构层施工阶段中地铁隧道的沉降曲线。建立地铁隧道-土体-道路模型对道路施工的注浆加固过程及路床和路面结构层施工进行模拟,通过比较地铁隧道沉降计算结果与现场实测值,验证了该精细化模型的准确性。基于此,分析了路床和路面结构层总施工厚度、道路土体性质、隧道下卧土层、隧道衬砌强度等关键参数对地铁隧道的沉降影响规律。结果表明：地铁隧道的沉降值与施工厚度呈正相关关系;道路的存在对隧道的沉降影响越小,其弹性模量和泊松比对地铁隧道沉降几乎没有影响;卧土层的弹性模量越大,土层越不易变形,且地铁隧道沉降越小;衬砌弹性模量增大对地铁隧道沉降影响反而越小。     

多运营模式下地铁的超静孔压分布特征与动力累积变形规律

以往地铁隧道沉陷研究主要局限于不排水条件下的洞周土体动强度和液化及累积塑性变形等方面,但对排水条件循环荷载下超静孔压和累积塑性变形研究不足。结合地铁的正常运营状况,针对南京地铁河西段粉砂土工程地质特点,开展排水条件下循环荷载三轴实验。在获得可靠的动参数和动变形基础上,运用GeoStudio有限元软件建立二维地基-隧道有限元模型,对地铁多运营模式下隧道地基土的排水条件循环荷载动力响应非线性分析,得到运行方式和运行速度等因素影响下隧道洞周位移和超静孔压的动力响应性状。结果表明:双向运行时隧道上方的竖向位移响应值小于单向运行时的竖向位移响应值。而洞周超静孔压与之相反;列车运行速度为35 km/h的超静孔压响应值大于60 km/h的响应值,竖向位移无明显差异。列车低速产生的振动频率相对较低,能量衰减越慢,所以产生较大的超静孔压,与实测在规律上相符合。     

地铁列车荷载计算方法对盾构隧道动力响应的影响

采用地铁列车移动轮载、激振力函数法和数定分析法计算得到上海地铁列车荷载时程,考虑管片-土体及管片间的接触特性和纵向螺栓的连接作用,建立道床-管片-土体系统的三维动力有限元模型,分析比较了3种计算方法所得隧道结构动力响应的差异.研究表明:3种方法所得道床和土体单元动应力以及道床点位移时程曲线基本一致;基于实测数据的数定分析法适用于地铁列车荷载引起的环境振动评价,移动轮载和激振力函数法均会导致加速度频谱分布产生误差.     

地铁运行引起的南京鼓楼振动响应分析

以南京地铁4号线鼓楼站为背景,研究鼓楼在地铁运行振动作用下城阙和碑楼的动力响应规律。基于英国铁路中心总结的列车荷载作用于岩石的振动荷载时程曲线,采用Midas GTS软件模拟地铁列车在不同速度下的荷载作用,对隧道-岩层-建筑体系进行了三维有限元分析,得到相应运行速度下鼓楼在二元结构中的振动响应规律。分析结果表明,地铁4号线单线运行时,模拟数值超标,鼓楼结构不安全,需进行减隔振措施。当列车行驶速度为40 km/h时,将有利于鼓楼文物保护。     

岩溶段连拱隧道列车振动响应及地基累积变形

采用动力有限差分数值计算方法,针对列车荷载作用下,宜万铁路白云山隧道穿越大型溶腔段连拱隧道结构动力响应问题进行计算分析,并进一步基于Dingqing Li塑性应变模型,探讨列车长期反复荷载作用下岩溶地基的累积沉降变形计算方法。研究结果表明:穿越大型溶腔的白云山隧道连拱结构段,各典型位置受列车荷载振动影响不明显,最大拉压应力峰值和位移变形均小于结构材料的设计值和正常使用允许值;隧底岩溶地基在列车长期荷载反复作用100 a后,累积塑性变形小于20 mm,能够满足列车高速运行对线路平顺性的要求,不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

局部渗漏水对盾构隧道长期沉降的影响规律

隧道变形的稳定可控是地铁安全运营的重要保障之一.以上海地铁二号线工程为研究背景,在考虑土体固结与渗流耦合,以及软土流变特性的基础上,通过三维数值模拟重点研究了不同渗漏位置和程度对隧道周围土体孔隙水压力分布、隧道及土层沉降的作用机理.研究发现,隧道局部区域发生渗漏时,随着渗漏程度的增大,隧道渗漏区域周围土体孔压降低的程度不断提高,受孔压降低影响的范围扩大,隧道及地面长期沉降也随之变大;渗漏总环数相同时,与仅隧道中部发生渗漏工况进行对比,隧道三处区域同时发生渗漏时产生的土层沉降槽范围和隧道沉降量较大.     

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软黏土地基动力响应及长期累积变形

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明:土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软粘土地基动力响应及长期累积变形研究

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,本文通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明：土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

地面列车动荷载对下穿隧道影响的动力学响应分析

以青岛地铁下穿胶济铁路为研究背景,应用隧道结构的动力有限元数值分析方法,对列车动荷载作用下隧道结构-地层体系的动力响应进行三维数值模拟。分析了单列列车动荷载、两列列车动荷载同向及相向三种工况下,隧道结构-地层体系的应力及位移曲线。研究表明,在列车动荷载作用下,隧道结构-地层体系的动力响应呈现近似简谐波变化;从地表到隧道拱顶的动力响应不断衰减,且衰减速度从地表到隧道拱顶不断减小;两列列车动荷载作用下,隧道结构-地层体系的动力响应值较单列列车动荷载作用下的动力响应值有明显增加,但并未达到单列列车动荷载的两倍。     

灰岩与砂土复合地层盾构隧道施工开挖面稳定性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对灰岩-砂土复合地层地铁隧道盾构施工的开挖面在渗流作用下的稳定性进行分析,探讨了2种复合地层模式下不同埋深和渗流系数对隧道开挖面变形的影响.研究结果表明:①当地层上层为灰岩,下层为砂土时,隧道开挖面变形主要集中于砂土层,埋深和支护力比越大,开挖面的水平位移越小;埋深10、20和30 ...     

列车移动荷载下饱和软黏土地基的长期沉降计算

借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转路径的室内模拟,建立列车移动荷载引发的主应力轴心形旋转路径下土体的塑性累积模型和孔压模型;在动力有限元中引入等效移动列车荷载,并结合分层总和法的思想,建立高速列车移动荷载作用下饱和软黏土地基的长期沉降计算方法,进一步研究交通荷载下地基软土的长期变形规律。研究结果表明:总沉降量随着振次的增加而增大,其增大速率迅速减小,并在振动约250万次时出现拐点,总沉降速率趋于稳定,此时沉降量占4 a总沉降量的90%以上;土体总沉降量随着深度的增加而不断减小,整体沉降主要发生在距地面5 m以上部分,该部分的沉降量占总沉降量的95%以上;随着列车运行速度的增大,地基土层的总沉降增大,当列车速度超过临界速度时,地基的总沉降量反而大幅度减小。     

岩溶区铁路列车荷载对新建下穿隧道动力响应规律

在岩溶地区，列车振动荷载已成为引起铁路周边地表岩溶塌陷的重要影响因素。为研究新建地铁隧道在岩溶地层中开挖时，列车荷载对隧道、地表及地层的动位移和动应力响应，以贵阳地铁3号线下穿川黔铁路为背景，通过有限元软件建模计算了在最不利围岩和列车动载条件下，隧道拱顶无溶洞、有溶洞和溶洞注浆三种工况的动力响应规律进行对比分析。结果表明：在列车动荷载作用下，溶洞存在及对其注浆加固对地表位移动力响应的影响范围大致为3.3倍洞径以内，有溶洞时地表最大瞬时沉降发生在路基中线与隧道中线交叉处，为2.74 mm，而对其注浆加固后此处的沉降为2.16 mm，减小了21.2%；对溶洞进行注浆加固后隧道支护结构产生了相对更大动力响应，最大瞬时位移和主应力均发生在隧道拱顶，分别为-1.41 mm和-0.36 MPa；地层竖向应力从地表到隧道拱顶衰减最明显的是有溶洞的情况，从-0.0766 MPa 衰减到-0.0084 MPa，衰减率为89.03%。可见，对铁路与隧道之间的地层溶洞注浆加固后，在保证新建隧道安全的情况下，明显改善降低了列车动载引起的地表瞬时沉降。     

曲线平行双隧道施工引起的地表沉降规律分析

曲线双隧道开挖不同于直线型隧道,近年来曲线线型多应用于地铁隧道。为研究地铁常见的曲线平行双隧道施工引起的地表沉降规律,基于吉隆坡MRT一期北段工程的施工实测数据,对4个位于不同曲线半径处的观测面沉降数据进行了分析。分析结果表明:单线曲线隧道引起的地表沉降槽有不对称现象,最大沉降值位置在隧道轴线下方;当覆土厚度等于隧道轴线距离时,曲线平行双隧道引起的地表沉降槽为对称的高斯分布,最大沉降位置在双线隧道中线位置处;随着曲线半径减小,地表沉降量将增大,当半径减小到300 m时沉降显著增加,减小千斤顶速度对减小沉降量影响不明显,应保持合理的土仓压力并适度提高注浆量。     

城际铁路双轨道列车盾构隧道振动响应分析

针对首例城际铁路双轨道大直径盾构隧道(外径12.4 m、管片衬砌厚0.55 m)下穿南水北调中线总干渠工程实例,建立有限元数值分析模型,分析了列车行驶振动荷载对隧道衬砌结构和渠底的振动响应规律.采用激振力函数综合考虑行车平稳性、动力附加轮毂和波形磨耗等因素模拟列车振动荷载,变换轨道不平顺值由0.40 mm增至1.00 mm,列车运行工况按单列车单向行驶和双列车对向行驶,列车设计时速200 km/h.研究表明:双列车对向行驶对隧道衬砌混凝土应力和渠底面位移的影响较大,轨道不平顺值对隧道衬砌混凝土应力影响较大,但对渠底面位移影响很小.研究成果为盾构隧道和南水北调中线总干渠安全运营和维护管理的决策提供了研究依据.     

地铁浮置板轨道过渡段参数对隧道和土体振动的影响

为研究地铁车辆通过浮置板轨道过渡段时隧道和土体的动力响应规律,提出了时域高效计算的隧道-饱和土体半解析环状层单元,结合车辆-轨道动力学,建立了车辆-浮置板轨道过渡段-隧道-土体系统耦合动力计算方法,研究了浮置板轨道过渡段长度、钢弹簧刚度等参数对隧道振动加速度、土体正应力和孔隙水压力的影响。结果表明,过渡段参数设计需重点关注2个刚度突变位置的动力响应,采用钢弹簧刚度渐变方案时,3个动力响应指标分别降低60%、15%和25%。