地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

地铁隧道下卧土体动力特性模型试验研究

研究目的:地铁车辆动荷载的长期作用会使隧道产生不同程度的沉降,对其运营稳定性产生不利的影响,对于饱和软土地层条件,隧道的沉降更为明显。开展动荷载作用下地铁隧道下卧土体的动力稳定性研究,有助于正确认识地铁运营荷载对周围土体的影响,并为隧道周围土体的加固提供依据。研究结论:通过分析盾构隧道的运营受力特征,设计了物理模拟试验系统,对地铁盾构隧道下卧粉质黏土的动力特性进行了研究,分析了不同荷载幅值、不同频率条件下隧道下卧粉质黏土的动力响应特性,并对动荷载作用下隧道的沉降特征进行了分析。试验结果表明,盾构隧道下卧粉质黏土在动荷载的作用下,土体的动力响应随距离的增加而衰减,且距离隧道越近衰减趋势越明显。动荷载峰值越大,隧道沉降越大;荷载峰值相同、振动次数一定时,荷载振动频率越低,隧道的竖向沉降越大。     

不同车速振动下管片位移对比分析

采用弹性地基梁板模型,得到两种列车时速下的轨下激振力。建立土体和盾构隧道三维数值模型,对比计算和分析了不同速度列车振动作用下盾构隧道管片位移规律。结果表明:在列车振动荷载作用下,管片节点位移呈现类似正弦分布的规律,左线管片发生逆时针旋转,右线管片发生顺时针旋转;当列车交会通过双线隧道时,左右线管片节点位移近似呈对称分布;车速越大,管片的最大位移越大。     

地铁列车振动荷载作用下近接隧道动力响应分析

地铁列车振动引起的动力响应是地铁营运期间的重点问题。为研究地铁列车振动荷载作用下近接隧道的动力响应,依托工程实例,以激振力函数法模拟列车振动荷载,利用FLAC3D软件建立隧道及周围土体三维数值模型,对近接隧道结构不同位置的振动加速度、应力、位移响应进行模拟分析。结果表明：(1)隧道底板的加速度响应大于顶板,左侧壁、中板和右侧壁,中部位置的测点加速度峰值最大;(2)隧道左侧壁和右侧壁上测点距底板距离越大,应力响应越小,而中板上测点的应力响应基本不随距离变化;(3)隧道底板上各测点竖向动位移均随时间不断增大,并且大致可分为3个阶段,随着底板上测点与地铁隧道的距离增加,其竖向动位移量呈线性减小。     

盾构隧道长期渗水对地表沉降及管片内力的影响

以上海地铁盾构隧道为例,建立盾构隧道渗流模型,设置不同渗流程度及水位边界条件,分析长期渗流条件下隧道周围土体的孔压分布规律、地表沉降规律和管片内力变化规律.分析结果表明:渗流越严重,孔压降低越明显,地表沉降越大;孔压、地表沉降和管片内力的变化规律一致,且在保持地下水位不变的条件下,三者达到稳定状态的时间几乎相同;渗流使管片内力发生明显改变,管片内力的改变量与渗流的严重程度和地下水位变化情况密切相关;在渗流严重且没有外部水源补给情况下,长期渗流使地下水位不断下降,导致隧道拱腰处的管片内力增加量最显著,对地铁盾构隧道的安全运营造成严重威胁.     

列车荷载作用下深厚饱和软土盾构隧道沉降分析

软土地层盾构隧道运营期沉降一直是工程界关注的重点问题。结合工程实例,采用不排水循环累积变形理论、循环三轴试验参数和简化动力有限元及分层总和法,分析深厚软土地层盾构隧道在运营期列车荷载作用下沉降响应。分析成果表明,隧道埋深越浅、隧底软土地层越厚,则运营期沉降越大;就沉降速率来看,隧道在运营期最大沉降速率将在隧道运营后的初期出现,且地层越差,沉降量越大,沉降速率越小,沉降稳定时间越长;采取一定沉降控制措施后,深厚软土地层盾构隧道在运营期列车循环荷载作用下的沉降是可控的。针对本项目的特点,结合分析成果,合理确定深厚软土地层盾构隧道沉降控制措施。     

列车脱轨撞击下盾构隧道管片衬砌开裂与接头螺栓动力响应特性研究

建立盾构隧道非线性开裂三维有限元模型,研究时速200km列车脱轨撞击荷载作用下,盾构隧道管片衬砌裂缝的分布、大小、扩展过程以及接头螺栓的最大主应力、振动速度、振动加速度等动力响应特性。研究表明:在列车撞击下,管片衬砌开裂的位置主要集中在管片衬砌受撞击的中心区域及其附近纵向接缝部位;不同部位的裂缝扩展形态有差别,撞击中心区域的裂缝为贯穿性不规则曲线裂缝,纵向接缝部位的裂缝通常呈现直线裂缝或多段折线裂缝;撞击中心区域主裂缝的张开度与距撞击中心的距离有关,除撞击中心处以外,距撞击中心越近位置的裂缝其张开度越大;螺栓的最大主应力峰值、振动速度峰值均出现在荷载震荡作用阶段,而振动加速度峰值则出现在荷载峰值阶段,同一水平位置上位于撞击区域后侧的管片接头螺栓所受到的最大主应力、振动速度和振动加速度等动力响应总是大于前侧螺栓。     

列车振动荷载作用下高速铁路近距地铁平行隧道的动力响应特性分析

为研究高铁列车和地铁列车同向以不同速度行驶时的振动对高铁隧道衬砌结构的影响,采用模拟的列车振动荷载,在铁轨上施加对轮轴的模拟振动荷载并考虑列车速度来研究同向列车振动荷载下高铁隧道衬砌的动力响应特性。结果表明:在同向行驶的列车振动荷载作用下,对于隧道特定监测点而言,存在一个列车行驶振动响应的影响区,列车行驶至该监测点时,其振动响应最大;高铁隧道中部横断面衬砌振动响应从上到下逐渐增大,拱脚、拱底竖向应力幅值分别为拱腰的1.63、2.26倍,加速度最大幅值分别为拱腰的1.21、1.29倍。     

高速铁路水下盾构隧道管片内力分布规律研究

以在建的广深港高速铁路狮子洋隧道为背景,采用自行开发的"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置,对大断面宽幅管片衬砌结构在通缝及错缝拼装方式下环向内力的分布规律进行原型试验实测与分析,并对正弯区和负弯区目标管片表面应力的分布进行测试,同时采用数值计算进行对比分析。研究结果表明:通缝拼装管片结构内力沿幅宽的变化很小,而错缝拼装管片结构在不同荷载条件下,内力沿幅宽的分布有所差异,水压越大其差异越小;管片手孔密集区往往会出现应力集中,同等条件下正弯区表面应力状态比负弯区更为不利;管片厚度方向表面应力分布呈显著的非线性变化,高水压使其非线性变化加剧。     

城区高速铁路盾构隧道轨下预制装配式箱涵结构受力分析

以北京—张家口高速铁路清华园隧道为依托,介绍了隧道轨下预制装配式结构,并从抗滑移、列车动力响应和地震响应3个方面对结构稳定性和安全性进行了数值模拟分析。结果表明:在不考虑预制箱涵结构顶部现浇回填层且忽略箱涵与管片间螺栓连接条件下,列车通过时在峰值压力作用下箱涵结构的最大竖向位移为0.035 mm,最大竖向应力为0.42 MPa;时速300 km列车通过时,预制装配式箱涵结构竖向位移、竖向动应力及竖向加速度的最大值分别为0.036 mm,64.2 kPa,0.84 m/s2;地震荷载(汶川地震波)作用下最大水平、竖向位移分别为4.71,4.67 mm,最大水平、竖向应力分别为9.828 MPa,19.555 MPa。     

武汉地铁7号线行车荷载下越江公铁两用隧道结构动力响应分析

以武汉地铁7号线越江公铁两用隧道为研究对象，建立了考虑地铁行车荷载的越江隧道(含钢轨、轨枕、管片及周边岩土体等)离散元模型。在该隧道某截面上选取14个测点，分析了地铁行车荷载下该截面各层混凝土板的局部动力响应及管片动力响应。结果表明：管片结构及各混凝土板对称点处的颗粒振动加速度呈对称分布；随着地铁行车荷载的施加，排烟道两侧与管片连接处、公路路面板中心区域的剪应力逐渐增大，易出现裂隙破坏；地铁行车荷载引起的振动波在管片内的传递以横向振动波和竖向振动波为主；地铁列车开始通过隧道截面时对隧道管片的影响最大。     

地铁运行列车引起建筑物低频振动的数值分析

采用施加在轨道上的一系列移动轴荷载模拟列车作用,利用轨道结构连续弹性双层梁模型,计算出某城市地铁列车运行产生的轨枕与隧道之间的作用力。在此基础上,建立隧道-土层-建筑物有限元模型分析了不同车速下不同距离建筑物中不同楼层的振动规律。分析结果表明:移动列车轴荷载引起建筑物低频振动;车速越高,建筑物的竖向振动水平越高;随着到轨道中心线距离的增加,建筑物竖向振动水平逐渐减小;不同楼层竖向振动水平基本接近。     

高速列车振动引发地层位移响应分析

通过FLAC3D软件对列车荷载引发的盾构隧道动力响应进行了数值模拟,分析了列车高速通过隧道时盾构管片以及地层的位移变化规律。结果表明,单列列车经过左侧隧道时,竖向位移分布呈不对称状态,两列列车交会经过时,位移等值线基本呈对称分布,地表位移峰值出现在两隧道轴线附近;地下水对振动的影响较为明显。     

隧道仰拱对列车振动衰减影响的研究

根据一隧道现场列车振动测试结果，模拟了列车竖向振动荷载，，分析了隧道仰拱与边墙不同的联结方式，仰拱不同刚度情况下，隧道仰拱对列车振动衰减的影响。     

下穿高速铁路浅埋盾构隧道管片动力响应特征分析

以广州地铁9号线下穿武广高速铁路为工程案例,采用ABAQUS建立隧道-地层-路基三维耦合有限元分析模型,通过施加简化后的高速铁路列车振动荷载,研究了不同埋深条件下盾构管片和螺栓的动力响应。结果表明:随着埋深的增加管片最大主应力先减小后增大,埋深7 m时管片最大主应力最小,约为1.21 MPa;列车振动荷载作用下隧道拱底为受力最不利位置,且环向螺栓的最大主应力峰值远小于纵向螺栓;随着埋深增加拱底纵向连接螺栓的最大主应力峰值由30.35 MPa减小至13.86 MPa,远小于螺栓的屈服强度。     

列车荷载作用下高铁隧道下有小净距地铁隧道穿越时的结构动力响应特性模拟分析

基于某地铁线路以极小净距下穿京张高铁盾构隧道工程,采用人工激振函数模拟列车振动荷载,分析不同工况下的隧道动力响应特性,探讨了高铁隧道结构的振动加速度、振动速度及竖向位移规律。模拟研究结果表明:隧道监测点振动幅值变化不仅与振动强度有关,还与激振源荷载作用位置有关,高铁隧道中心截面前后±15 m范围内的位移响应最大;隧道交叉位置呈现显著的振动放大现象,造成列车动荷载影响下衬砌结构薄弱区;振动响应总体趋势为自仰拱向拱顶逐渐衰减,即仰拱为隧道振动响应的最不利位置;考虑不同工况,高铁隧道结构的最大振动加速度、振动速度和竖向位移分别为110.204 mm/s~2、3.006 mm/s、0.043 4 mm,低于结构安全振动控制标准的限值,满足安全要求。     

速度300 km/h列车振动荷载下隧道衬砌加速度响应规律分析

通过现场试验和有限元数值模型计算的方式,对衬砌在速度300 km/h列车荷载作用下的加速度响应规律进行了研究,经过高速铁路隧道现场衬砌振动测试和数值模型计算结果对比,验证了衬砌动力计算模型的正确性和可靠性;振动荷载在衬砌拱圈中的竖向振动加速度由墙角向拱顶呈下降趋势,拱圈横向振动加速度则呈现由墙角到拱顶先下降后增大的趋势,横向和竖向加速度的绝对值在接近列车侧均明显大于远离列车侧;证实了动车组列车轮对二阶固有频率对隧道衬砌拱圈振动加速度响应频率有较大影响;拟合得到了速度300 km/h列车作用下隧道衬砌拱圈横向和竖向振动响应加速度传递经验的三角函数公式。研究结果可为后续隧道衬砌在列车荷载作用下振动响应机制的研究提供参考。     

地铁盾构双隧道施工诱发的地层变形规律分析

以大连地铁202标段双隧道盾构施工工程为背景,考虑土体的分层以及隧道施工过程中盾构推进、注浆和衬砌拼装等工序,运用FLAC3D软件对盾构双隧道同向先后施工过程进行三维精细数值模拟,并与现场测量数据进行对比分析.结果表明:先施工的右线隧道掘进完成后,隧道上方各层土体越靠近地表,盾构施工引起的地层竖向变形越小,而地层的沉降槽宽度越大,地表沉降槽宽度系数为0.56;近距离双隧道同向先后开挖时,土体相互扰动,地层距离隧道轴线的高度越小,地层竖向变形非对称“双峰”特征越明显,岩层的成层性使得双峰特征消失时岩层距离隧道轴线的高度有差别;两隧道中心线和轴线附近地表有不同方向水平变形,此区域的桩基、剪力墙在隧道掘进时将受到附加剪切作用,易出现裂缝,故在施工中应做好切实的防护措施;监测结果验证了数值模拟方法的正确性,在盾构掌子面距离监测点12 m范围内,地表沉降发展得较快.     

不同类型列车撞击盾构隧道动力响应研究

研究目的:盾构隧道为装配式管片衬砌结构,其整体稳定性相对较差,防撞能力较弱,一旦列车撞击事故发生在隧道内,列车的撞击荷载极有可能导致隧道破坏和失稳。本文基于H. H. T时间积分法,通过构建列车-刚性墙动力耦合模型,获取不同类型列车在相应速度区间内的撞击荷载时程曲线,研究不同类型列车撞击的荷载特性,并将所得撞击荷载施加在盾构隧道上,以揭示在不同类型列车撞击作用下盾构隧道管片衬砌破坏特性及其差异性。研究结论:(1)列车运行速度对于撞击荷载时程曲线变化趋势影响不大,但对于撞击荷载大小和撞击持续时间影响显著;(2)各类型列车的撞击荷载均经过撞击瞬间迅速增大、撞击中期持续震荡、末期逐渐减弱三个阶段,但不同类型列车的撞击荷载在撞击中期持续震荡时间不完全一致;(3)列车撞击作用下管片损伤区域分布范围呈现纵向大于环向的特点,不同类型列车撞击所致管片损伤的差异性主要体现在压缩损伤面积上;(4)在不同类型列车撞击荷载作用下管片结构将产生不同程度的张开和错动,并且管片接缝部位最大张开量和最大错动量均已超过工程容许限值;(5)本研究成果可为盾构隧道防撞优化设计和撞后隧道结构安全性评估提供参考。     

岩层与隧道的走向夹角对围岩变形特征的影响

研究目的:顺层隧道是岩层走向与隧道轴线平行或小角度相交的隧道,但目前理论研究中多以平行状态为主,具体岩层走向与隧道的夹角θ小于多少时可采用顺层偏压的非对称变形理论,目前还没有明确的定论。本文以渝昆铁路顺层隧道调查成果为基础,采用ABAQUS有限元数值模拟方法分析探讨软硬互层结构隧道在不同岩层倾角条件下θ对隧道围岩变形特征的影响。研究结论:(1)θ的变化不会改变隧道围岩的变形破坏模式;(2)θ越小,越有利于围岩变形及非对称变形的发展,且岩层倾角越小,θ对非对称变形的影响越大,在相同影响度中θ的变化范围越小;(3)θ越大,隧道围岩变形量越小,围岩变形越集中于拱顶和仰拱区,对称变形越明显;(4)任何岩层倾角和θ组合下,非对称变形特征的发展以拱肩最为突出,其次为拱脚、拱墙;(5)可将θ≤30°作为隧道产生顺层非对称变形破坏的主要夹角区间,θ=30°可定义为顺层隧道的夹角界限值;(6)本研究成果可指导单斜构造中铁路、公路隧道的选线优化和支护措施布设。