高速铁路隧道斜切式洞门研究

高速列车通过隧道时会在隧道内引起瞬变压力、在隧道出口形成微气压波.微气压波会对隧道出口的周边环境和周围建筑物造成危害,采用帽檐斜切式洞门可大大消减微气压波的影响.本文对斜切式洞门的结构型式、结构设计及斜切式洞门对微气压波的消减效果等进行了研究,可供类似工程参考.     

高速磁悬浮列车编组长度对车/隧耦合气动效应的影响

采用重叠网格法,基于SST k-ω两方程的DDES湍流模型,研究编组长度对高速磁悬浮列车/隧道耦合气动特性的影响。采用动模型试验结果对数值仿真方法进行验证,将3车编组的动模型试验所得测点压力与相同编组的仿真试验所得测点压力进行对比。分析3车编组高速磁浮列车以速度500、550和600 km/h通过隧道时车体表面、隧道壁面压力变化基本规律,在此基础上研究3车编组、5车编组和8车编组形式对高速磁浮列车/隧道气动特性的影响,并绘制瞬变压力波系传播的马赫波图,揭示编组长度导致测点压力变化差异的原因,得到高速磁浮列车编组长度对隧道出口微气压波的影响规律。研究结果表明：高速磁浮列车表面、隧道壁面压力幅值与车速呈正相关关系;当编组长度增加时,车/隧表面的压力随时间的变化趋势基本一致,但正、负压幅值及压力峰峰值明显增大：当磁悬浮列车以速度550 km/h通过长度为500 m、截面积为140 m²的隧道时,5车编组与8车编组的车体表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加12.4%和8.5%,隧道表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加49.6%和38.9%,因此,在隧道长度一定时存在最不利...     

高速铁路帽檐斜切式隧道洞门施工技术

帽檐斜切式洞门是目前高速铁路比较常见的隧道洞门,其结构复杂,施工中衬砌斜切面及帽檐轮廓线定位困难,测量放样较为繁琐;为全面认识此类异形结构,减少测量内业计算量,提高轮廓线定位精度,以长昆客运专线新竹湾隧道帽檐斜切式洞门施工为例,介绍其空间构造,探讨利用Auto CAD建立洞门三维模型直接获取轮廓线放样坐标的方法,同时提出洞门施工线型控制的可操作性措施,供类似工程参考.     

高速列车通过带有套衬结构隧道气动效应分析

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的高速列车以300 km/h速度通过带有套衬结构隧道时车体表面及隧道壁面的瞬变压力进行分析。研究结果表明:数值计算结果与动模型实验结果较吻合,2种方法得到的压力曲线变化规律一致,幅值误差在5%以内;列车通过隧道时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部测点压力差异较小;沿列车车身方向,测点正压幅值逐渐减小,负压幅值逐渐增大;隧道壁面测点压力峰峰值在隧道进、出口附近较小,而在靠近隧道中部时较大;隧道内安装套衬对于高速铁路双线隧道气动效应影响很小,加装套衬前后,测点压力幅值差异在2%以内。因此,建议在对高速铁路隧道病害整治中,考虑使用套衬技术。     

横风下高速列车驶入隧道时瞬态气动性能研究

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、"上跳"、"蛇形"摆动以及"点头"等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.     

时间离散格式对微气压波幅值精度比较

隧道洞口微气压波随着列车通过速度的提高对洞口周围环境的影响恶劣。高速磁浮列车设计需要对隧道洞口的微气压波幅值进行估计。该文首先通过数值模拟和实验验证,比较了时间离散格式对车体表面压力波动和微气压波幅值仿真精度的影响,结果表明,采用二阶精度的离散格式能够较为准确地模拟洞口微气压波噪声现象。最后评估了高速磁浮列车550km/h单车通过隧道的微气压波幅值,为工程设计提供有效指导。     

加盖敞车隧道口交会的空气动力学特性数值仿真

敞车由于其拖车较多,容易在隧道口发生交会,而在隧道口处存在压缩波、膨胀波和交会压力波的混合影响,因此会产生安全隐患。采用三维、非定常、可压缩N-S方程以及两方程湍流模型对两辆速度为100km/h的加盖敞车在隧道口交会流场进行数值仿真。计算结果表明,比较单车运行至隧道口与隧道口交会两种工况,交会面压力相差较大,入隧道车相差1000Pa左右,出隧道车相差300Pa左右,单车隧道口运行工况下车体压力分布均匀,隧道口交会工况下压力分布较集中,高压集中在交会处,对于出隧道车车体压力影响大于入隧道车。在隧道空间内,入隧道车侧隧道内壁的压力大于出隧道车侧,且随着交会过程的进行压力向后传播。入隧道车阻力系数始终高于出隧道车,横力系数和升力系数两车相差较小。     

内置开孔隔墙高速铁路隧道列车车体压力波动特征

为研究内置开孔隔墙隧道内列车车体压力波动特征,基于有限体积方法的流体力学计算软件建立了非定常可压缩三维流动模型,对内置开孔隔墙高速铁路隧道内列车车体压力进行了计算分析。结果表明:隧道内置开孔隔墙后:①车体压力波形基本与无隔墙时一致,但波动程度加剧且出现有规律的周期振荡;②隔墙开孔间距和开孔面积对车体压力波的影响明显;③车体压力波幅值与车速成正相关关系,但其振荡周期与车速成反比;④相对于单车,列车对向运行时车体压力波明显增大,但两者的差值随着开孔间距的增大、开孔面积的减小和隧道长度的增加而减小。     

泄压井对高速铁路隧道出口微压波的影响研究

为了降低高速铁路隧道出口微压波对周围环境的影响,采用了三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier-Stokes方程作为控制方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,隧道壁和泄压井壁采用了壁面函数处理。针对高速列车突入带泄压井的隧道进行了数值模拟。计算结果表明,泄压井能有效降低高速铁路隧道出口微压波峰值,而且泄压井高度、隧道长度和列车速度对隧道出口的微压波峰值都有重要影响。     

基于特征线法的车隧压缩波演化数值分析

为研究压缩波沿隧道传播演化的影响规律,采用考虑压缩波惯性效应和壁面摩擦效应的一维特征线法,建立了压缩波沿隧道传播演化的数值模型,通过一维平面波方程与实车测试两种方法共同验证了该模型的准确性。针对波前形状、车身波等、压力幅值关键因素,研究了初始压缩波沿隧道传播时,最大压力梯度的变化规律。在此基础上,进一步探讨分析了摩擦与气室阵列共同作用对压缩波波前演化的影响以及壁面摩擦的作用机理。结果表明：初始压缩波波形相同时,压缩波最大压力梯度随波前幅值的增大而增大;不同波形的初始压缩波沿隧道的演化规律不完全相同,但列车车身进入隧道所产生的车身波并不会影响压缩波波前的最大压力梯度;考虑壁面摩擦后,气室阵列对压缩波最大压力梯度的缓解效果有了进一步提高,壁面摩擦越大,缓解效果越显著。     

盾构叠交穿越施工引起的既有隧道变形分析

针对上海新建11 号线盾构隧道夹穿地铁4 号线的工况, 采用数据监测的方法, 分析了先下后上穿越施工引起的既有隧道变形规律, 采用三次样条插值法对变形曲线进行了拟合, 并得出了穿越段全长纵向的变形曲率. 基于改进的隧道纵向等效化连续模型, 得出了隧道纵向变形曲率与环缝张开量的关系, 并结合行业规范, 对先下后上多层次穿越引起的既有隧道变形提出了建议控制指标. 研究结果表明: 新建隧道先下后上夹穿既有隧道时, 应控制开挖工程中的最大变形量; 内外圈的变形集中在上行线隧道中心线左右2.5 倍盾构外径范围内; 下穿施工时,外圈由于先期扰动, 沉降量较内圈更大, 先期扰动影响主要集中在外圈中心区域. 研究成果为地铁叠交穿越, 尤其是先下后上穿越既有隧道的保护提供了一定的理论基础.     

新建立交隧道施工对既有隧道影响的模型试验

为分析新建立交隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对立交隧道进行三维物理模型试验。对既有隧道2个剖面的围岩压力、围岩内部位移及支护内力进行全程监测,通过分析得出：既有隧道Ⅰ剖面围岩压力受到的影响较大,Ⅱ剖面围岩压力受到的影响较小,各监测点的围岩压力基本处于减小状态,拱底围岩的稳定性降低;拱顶和拱腰围岩内部位移表现为拉伸变形,且拱顶处的变化值远大于拱腰处的变化值;既有隧道支护轴力变化的最终值基本为增加,支护弯矩变化的最终值都为减小;0.25D立交间距下既有隧道的围岩压力、内部位移及支护内力受新建隧道的影响较大,建议将立交隧道的立交间距控制在0.5D以上。     

无中导洞连拱隧道掌子面纵向间距优化

作为一种大跨径地下结构形式连拱隧道结构复杂,无中导洞法能在提高施工速度的基础上降低中隔墙渗漏水。为研究连拱隧道无中导洞法施工活动对隧道先后行洞的影响程度,以陈家滩隧道为研究对象,通过数值模拟研究了不同间距下先后行洞的影响范围、先后行洞的影响程度以及中隔墙的倾覆趋势。结果表明：当先行洞开挖至控制截面5 m范围内时,对围岩的影响最大,其围岩位移释放系数增量达到了40%以上;超过控制截面10 m时其围岩释放系数达到了93%以上,影响程度较小;超过20 m时影响程度可以忽略。当先后行洞纵向间距大于35 m时,影响程度接近10%,纵向间距大于40 m时,影响程度小于10%。从中隔墙的倾覆程度来看,当先行洞开挖完成时,中隔墙的倾斜程度达到最大,倾斜度约为3.28×10^-4;而纵向间距大于30 m时倾斜度差值为0.351×10^-4,此时中隔墙倾斜程度较大极差较小,有利于中隔墙受力。故先后行洞开挖掌子面纵向间距建议控制在30～40 m。     

新建隧道对拟建平行隧道地层变形影响系数的确定

基于Mindlin及Loganathan解,给出正截面附加推力、盾壳摩擦力和土体损失这三个主要影响因素下新建隧道对拟建平行隧道地层变形影响系数的计算公式,并以北京典型地层为例进行分析.结果表明:正截面附加推力影响系数及盾壳摩擦力影响系数随着隧道间距和隧道埋深的增大而减小,两者最大值点随隧道埋深每增加10 m,其位置距开挖面增加1倍洞径,即6 m;土体损失影响系数随着隧道间距的增大而减小.研究结果可为类似工程提供借鉴及参考.     

隧道施工爆破对地表滑坡稳定性的影响

基于爆炸地震波衰减过程将作用在滑体上的动荷载修正为随时间变化的波动应力,并将其引入传递系数法中,提出了考虑施工爆破荷载影响的滑坡传递系数法.利用该方法分析了宝鸡-天水高速渭河2号大桥17号桥台码头隧道洞口滑坡稳定性在隧道爆破施工中的变化特性.结果表明:隧道爆破施工产生的振动荷载使地表滑坡的稳定系数围绕天然条件下的稳定系数呈现衰减型波动变化;隧道爆破施工荷载作用下地表滑坡稳定系数衰减到天然工况量值所需时间及稳定系数变化值与所使用的爆破药量有关,药量越大,衰减时间越长,滑坡稳定系数变化值越大;码头滑坡在隧道施工爆破药量超过1000 kg后,滑坡稳定系数最小值降低到1.15以下,滑坡体在隧道爆破施工期间易于失稳,据此提出了隧道单炮施工药量取750kg的优化方案,实践证明该药量对该滑坡的稳定性未造成劣化影响.研究成果为有效评估隧道施工爆破对地表地质环境尤其是滑坡安全性具有积极意义.     

水下并行隧道施工后行洞对先行洞的影响分析

以实际水下隧道为工程背景,建立数值模型,分析水下并行隧道后行洞施工对先行洞的影响.结果表明：后行洞施工主要影响距离该断面位置前后1.5倍洞径;后行洞施工后,围岩沉降分布形态发生变化,在左右拱顶较大,在两洞之间及两侧较小,即出现了“驼峰”;对于最大主应力,后行洞施工对靠近侧的右边墙影响较大;随着后行洞的施工,渗流影响范围逐渐向后行洞侧扩展,隧道周边渗流量的大小呈现拱顶和仰拱处的大于边墙的,而后行洞和先行洞之间的边墙渗流量大于外侧边墙的渗流量.