地铁隧道列车振动特性试验研究

为获取隧道内列车荷载的振动特性,对某地铁区间隧道进行了试车试验.分析了扣件类型、列车运行速度等因素对荷载特性的影响;基于隧道断面的实测结果分析了其振动传播规律.结果表明:当地铁列车以60km/h通过时,实测振动源强均值为70.41dB;沿隧道断面的振动幅值逐渐减小,且荷载的高频分量逐渐衰减,钢轨竖向加速度最大,且以100Hz以上的高频分量为主;道床顶面和隧道基底的振动量值接近,且远大于隧道侧壁;随着车速增加,各测点的竖向分频振级逐渐增大,且低频段的振级增加更为显著,但车速的增加并未改变荷载的主频段,且随着车速增加,道床与隧道侧壁之间的振动传递损失增大;扣件类型对荷载的分频振级有较大影响.     

穿越地裂缝带地铁隧道结构应力预测方法研究

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地,地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂并影响地铁的施工及安全运营.采用特殊材料制作几何相似比常数为1∶20的地裂缝与地铁隧道结构相互作用的隧道模型,通过对隧道模型结构应力监测数据与应力预测值进行对比分析揭示了地裂缝位错作用下隧道的变形破坏规律,并建立了地铁隧道结构应力的预测模型.试验结果表明:随着地裂缝位错量的增加,位于隧道结构上部的地裂缝上盘压力增加、下盘压力减小,位于隧道结构下部的上盘压力迅速减小、下盘压力持续增加;位于地裂缝下盘的隧道结构上部整体受拉而下部整体受压,位于地裂缝上盘的隧道结构上部先受压后受拉;位于地裂缝下盘的隧道结构沿纵向发生向下的弯曲变形致使其环向应变表现为拱底受压而拱顶和左右两拱腰均受拉的受力特点;指数平滑法对初始观测值的要求低且受异常值影响小可作为隧道结构应力预测的首选方法,当应力值达到预警值时进行报警采取适当的加固措施可保证地铁隧道的正常施工与安全运营.     

近接开挖与列车振动对既有铁路隧道的沉降影响研究

选取不同近接距离基坑开挖来研究隧道的沉降变化规律,利用激振荷载经验公式来模拟高速列车的轮-轨激振力,并运用有限差分动力分析方法分析不同距离基坑开挖作用下隧道衬砌结构的车振动力响应.结果表明:近接基坑开挖会造成隧道掌子面的非对称变形,离开挖中心越近非对称变形越明显;随着近接开挖距离的增加,这种非对称变形逐渐趋于缓和,其中隧道靠近开挖侧的隧道拱脚、拱腰和拱顶区域可作为施工期间既有隧道的重点监测部位;隧道左右两侧帮底部区域相对拱顶区域而言受到列车振动影响较大,列车靠近开挖侧行驶时隧道衬砌结构动力响应比远离开挖侧行驶时大.     

不同场地土条件下地铁引起的环境振动分析

目的 研究城市地铁轨道交通引发周边场地振动的影响规律,从而为邻近建筑物的振动舒适度评价、振害分析以及减隔振措施的有效应用提供环境振动信息。方法 基于ABAQUS建立“土层-隧道”有限元模型,计算考虑轨道不平顺因素的地铁列车动力荷载,采用VDLOAD子程序模拟列车的运行过程,进而对不同场地类别、不同列车速度及不同隧道轨道埋深等影响条件下,列车运行诱发的地面振动响应进行比较分析。结果 水平向加速度峰值响应在距离地铁轨道中心20 m处达到最大值,随后在横向距离为20～40 m的区间内迅速衰减;垂直向加速度峰值响应的最大值出现在距离地铁轨道中心0 m处,并在横向距离20 m内迅速衰减至其1/10左右。结论 场地效应的水平向加速度峰值响应呈现先增大后减小的“驼峰”趋势,而垂直向加速度峰值响应则呈现“单调递减”趋势;场地土类别对不同车速所引发的场地效应的差异性产生影响;场地振动效应总体上随隧道轨道埋深的增加而不断减小。     

铁路隧道基底状况对底部结构受力状态的影响

通过引入列车振动荷载函数和混凝土损伤模型,建立考虑隧道底部结构和基岩相互作用的振动响应计算模型,研究列车振动荷载作用下基底状况对铁路隧道底部结构受力状态的影响.研究结果表明:当隧道底部结构与基岩接触良好,没有空洞出现时,底部结构受力较小,列车振动不会引起结构新的损伤;随着隧道底部结构与基岩之间淘空距离的增加,底部结构的动力响应和损伤明显增大,淘空超过一定程度后变化加剧,直至振动破坏,不同淘空方式对应不同的极限条件和破坏形态;同时,基底围岩条件越差,隧道基底变形越大,引起底部结构的受力和损伤程度也越大.     

循环荷载作用下土质边坡动力响应分析

为研究土质边坡对循环荷载作用的动态响应规律,通过有限元对不同工况下土质边坡的振动响应进行模拟。结果表明,当循环荷载位置及加载频率一定时,边坡各测点竖向加速度、位移和速度响应峰值随循环荷载振幅增大而增大,且加速度和速度大致呈线性关系;各测点响应峰值随边坡高程变化而变化,测点离振源越近,动力响应越剧烈,响应增幅越大;当循环荷载位置及振幅一定时,边坡在1.5~2.5 Hz频段出现强响应,产生对其不利的共振现象;当循环荷载振幅及频率一定时,边坡的响应峰值随着荷载位置距坡肩距离(L)减小而增加,当L超过10 m后边坡振动响应变化幅度趋于不变。研究结果对认识循环荷载对土质边坡的影响及合理评价边坡工程环境振动具有重要的工程应用价值。     

列车作用下青藏铁路路基动力响应试验

目的分析研究多年冻土区青藏铁路在列车动荷载作用下路基的稳定性及振动衰减规律.方法选取青藏铁路北麓河段三个典型试验断面,在春季进行了列车荷载作用下的路基动力响应现场试验,采集路基、边坡、道床3处振动数据,统计计算了青藏铁路客车与货车行驶时路基振动的最大和平均加速度幅值,对实测数据进行了功率谱分析.结果路基上货运和客运列车的竖向最大加速度分别为2.213 2 m/s2和2.000 4 m/s2,对应的平均加速度分别为0.149 5 m/s2和0.114 3 m/s2,道床上的振动明显减小.在T28次客运列车的作用下,对于断面Ⅲ,C3测点在振动频率为25 Hz、38 Hz、46 Hz,55 Hz出现峰值,能量集中在18~53 Hz.边坡C4测点振动能量集中在20~65 Hz,C5测点的优势频段为20~80 Hz.结论路基上货运列车的振动比客运列车振动大,同一断面竖向衰减速度大于横向,素土路基各方向衰减小于块石路基,下一测点加速度峰值大致减小为相邻上一测点的1/10.     

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3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-0.076 6 MPa衰减到-0.008 4 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。     

地铁运行诱发的环境振动数值模拟与模型预测

通过建立列车、轨道、隧道和地基土三维振动仿真模型,分析了列车速度、地基土特性和隧道埋深3个因素对地面环境振动的影响规律,并与部分实测值进行了比较.基于回归分析,提出了多因素影响下的地面环境振动简化预测模型.研究表明:建立的数值模拟方法和预测模型能够较真实地反映地铁运行引起的地面环境振动的实际情况;随着列车速度增加,地面竖向振动加速度增大,且距离地铁线路越远,速度的影响越显著;距离地铁线路越远、地基土的卓越周期越大或隧道埋深越深,地面竖向振动加速度均越小,且地基土的卓越周期越大,振动在地基中的衰减越快.     

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。     

振动激励下地铁沿线建筑物振动测试与数值分析

对广州地铁三号线沿线临近建筑物的振动响应进行了实测,并结合数值计算研究了地铁振动在建筑结构内的传播规律.研究结果表明:在框架结构中,随着建筑物高度的增加,振动峰值逐渐减小;地铁振动在建筑物内引起的振动时程的频率集中在30~80 Hz频段内,以30~50Hz频段为主;结构内部构件柱的振动衰减要比周边构件更加显著,柱上的梁越多,能量的损耗就越大;地铁振动引起的加速度值有可能对建筑物中使用人群的舒适度造成影响.     

地铁车辆段试车线列车振动影响的试验研究

国内很多城市的地铁车辆段正在规划和实施上盖物业开发,为了分析和评价地铁车辆段列车运行造成的环境振动影响,对广州地铁3号线厦滘车辆段试车线临近地面及建筑物振动进行了现场实测,在时域和频域内分析了振动的传播特性,并将实测结果与我国环境振动标准进行对比和分析.研究结果表明:当车辆段试车线列车正常运行时,临近地面竖向振动明显大于水平振动,实测的最大竖向振动加速度级为66.4~91.2 d B,竖向振动的响应频带为10~120 Hz,竖向振动峰值出现在25~40 Hz之间;试车线列车运行引起临近建筑物的最大振动加速度级为48.9~76.2 d B,振动沿结构物向上传播时,振动频率成分主要是5~60 Hz,楼板振动分频最大加速度级出现在20~25 Hz之间;在距离轨道0~30 m范围之内,地面振动与建筑物振动均已经超过相关国家振动标准,地铁车辆段上盖物业开发时在试车线临近区域采取减振设计措施控制环境振动影响十分必要.     

基于DIC技术的地下软土内部激振影响区试验

针对列车运行产生的振动荷载对位于地下软土层中的隧道产生沉降影响问题,设计软土内部激振试验新装置,开发了基于数字图像相关(DIC)技术的软土内部振动响应瞬时光学测量系统,研究土体振幅与距振源距离、振动频率、围压之间的关系。试验结果表明:土体振幅随着距振源距离增大而减小,并以幂函数形式拟合振幅衰减曲线,效果良好;基于DIC技术的内部激振影响区能够直观、准确地表征出内部激振的影响区域和影响程度,振动频率的增加能够增大影响区域,围压的增加能够明显减小影响区域。     

隧道衬砌混凝土爆破振动能量传播规律试验

针对隧道衬砌混凝土频繁爆破振动危害累积效应,设计混凝土频繁爆破振动试验,对测得的爆破振动信号进行总能量和频带能量计算与分析。试验结果表明:①爆破振动信号能量分布范围较广;但绝大部分能量集中在0～205. 08 Hz;且多以9. 77～58. 59 Hz频带能量较大;②总能量随距离的增大而减小,在近区衰减迅速,中远区较近区衰减缓慢;而能量随着距离的增大向低频带集中,且距离越大越明显;③总能量随爆破次数增加呈降低趋势,其中近区测点的总能量在大值范围内下降;而中远区衰减较为平缓。能量集中频带随爆破次数增加总体向中低频段发展;且近区测点在低频段能量所占比例有所增加。     

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。     

地铁振动衰减特性研究

首先建立隧道-土体有限元模型,分析了1～80 Hz的振动在距隧道中心170 m范围内振动速度和加速度的衰减特性.将轮轨动力耦合分析获得的不同地铁轨道作用在道床上的动荷载作为有限元分析模型中的作用力,计算分析了不同轨道结构地段的地表振动传播特性,结果表明:在50 m范围内浮置板减振效果明显,在50 m以上轨道减振形式对地面振动影响不明显.     

桩基施工对邻近既有隧道扰动影响

为防范桩基施工过程产生的冲击载荷对邻近隧道衬砌结构产生振动变形、应力破坏等不利影响,首先,针对某码头工程在施工载荷作用下动力响应,结合实际工程地质条件构建"桩基-土层-隧道"三维动力有限元模型;然后,为验证模型的可靠性,模拟打桩对隧道衬砌结构的影响,并与实测数据对比分析验证地表速度振动峰值;最后,结合实际工程,基于验证后的模型,研究不同土层、土层与衬砌交界面处应力波的反射与散射作用,分析不同深度和不同距离工况条件下,桩基施工对隧道衬砌结构的动力响应.研究结果表明:隧道截面最不利的振动部位位于衬砌结构靠近桩位一侧的上1/4弧段,该区域所受冲击作用最明显;当桩底与隧道中心相对距离比较近时,衬砌结构所受到的冲击影响最大,而当桩底已超过隧道埋深,打桩产生的冲击对隧道衬砌作用影响逐渐减弱;打桩与隧道间隔距离越远,随着冲击载荷传播距离增大,其能量衰减越大,对隧道衬砌造成的影响越小.     

高速列车振动荷载下立体交叉隧道结构动力响应分析

文章运用有限元方法建立了高速铁路立体交叉隧道数值计算模型,分析了高速列车振动荷载下交叉隧道结构的动力响应特性,探讨了围岩级别、行车速度、列车通车方式、隧道交叉角度以及岩柱高度等参数对下穿隧道衬砌结构动力响应变化规律的影响。研究结果表明:围岩级别、行车速度及列车通车方式对下穿隧道动应力响应影响较大;下穿隧道衬砌结构的竖向位移、竖向加速度、第一主应力及第三主应力随着围岩级别提高、行车速度增加、行车方式改变而增大,随着岩柱高度增加而减小;随着交叉角度增加,衬砌结构变形、加速度及第三主应力峰值有所减小,但第一主应力峰值增加,这对于抗压强度大于抗拉强度的混凝土结构是不利的。     

轨道交通隧道基底刚度对共建结构的振动影响分析

为了探明建筑物与轨道交通隧道共建时隧道基底刚度对系统振动的影响,建立列车-轨道-隧道-土层-建筑物系统耦合振动模型,列车-轨道动力学模型和隧道-土层-建筑物有限元模型通过扣件力进行参数传递,对隧道基底土层加固为不同刚度时隧道结构以及建筑物结构振动位移、速度、加速度响应进行了时程分析、频谱分析和振级分析等.结果表明:隧道基底刚度越大,其下沉位移越小,隧道结构振动速度突变越大且振动速度的周期性越不明显,但振动位移的振幅变化与隧道基底刚度没有严格的相关性;隧道基底刚度对隧道振动加速度影响的主要频率为1~5Hz的低频部分;隧道基底刚度对于建筑物结构振动有较大影响,主要集中于低频范围,影响幅度可达10dB.     

地裂缝隧道衬砌结构与围岩相互作用机理

针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明：台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.