地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

高速铁路隧道衬砌掉块气动力学行为及演化机制

随着我国高速铁路建造技术高质量发展,高速列车运行速度不断提升。受列车运行速度、隧道服役时间等众多因素的影响,高速铁路隧道在服役期间,衬砌裂损掉块病害现象日益凸显,严重危害行车安全。为探究行车环境下,列车风及其流场结构对隧道衬砌掉块下落过程的影响规律,建立列车-隧道-衬砌掉块-空气三维气固耦合计算模型,模拟行车环境下衬砌掉块自隧道拱顶脱落到下降落地的全过程。研究结果表明：1)衬砌掉块的下落过程包括3个方向的平动与转动,平动以沿列车纵向运动为主,纵向运动位移约为横向运动位移的4倍,转动以横轴为主;2)列车风与衬砌掉块相互作用相互影响,列车风作用在掉块时,掉块周围的流场出现漩涡、绕流等现象继而改变掉块的运动姿态和方向。与此同时,掉块的运动又进一步使其周围流场结构发生改变,以此不断反复直至落地;3)沿列车纵向上是流场结构的主要流动方向,列车风作用在掉块上,推动其运动,故沿列车纵向为衬砌掉块的主要运动方向。衬砌掉块随时间变化与流场结构产生不同的夹角与不同强度的绕流,故衬砌掉块的转动以横轴为主。研究结果对防治隧道掉块病害及提高行车安全性具有一定的参考价值。     

高铁隧道裂缝成因分析

针对高铁隧道衬砌出现的裂缝病害,通过对隧道秋检资料的统计分析和隧道的现场调研,初步掌握了隧道裂缝的分布规律。裂缝作为隧道衬砌常见病害,从混凝土自身特性、基础不均匀沉降、施工因素、列车动荷载作用、空气动力学效应等方面进行分析,并考虑高铁隧道的特殊性,从空气动力学效应方面进行探讨。提出隧道衬砌裂缝的形成大多是多种因素的共同作用,建议隧道裂缝整治时,应先确定病害的主要成因再进行整治。     

广深港高速铁路狮子洋隧道减振无砟轨道对周边软土地层影响分析

为防止高速列车振动引起广深港高铁狮子洋大断面盾构水底隧道软土地层液化风险,轨道结构采用减振板式无砟轨道。为考察减振措施效果,分别建立列车-轨道模型、隧道-地层有限元模型,分析列车荷载作用下隧道结构及周围土层动力响应及分布规律,对比分析减振和非减振两种工况下地层动剪应力和加速度,结果表明,采取减振措施可有效降低软土地层液化风险,提高安全储备,达到了预期的目标。研究成果对隧道穿越软土地层设计具有指导意义。     

气动荷载作用下高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法

基于高速铁路隧道壁面气动荷载特征,考虑气动荷载之间相互作用以及列车通过隧道不同次数之间的影响,提出1种针对高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法;依托京沪高铁德州—枣庄段某隧道工程,研究高速列车单次通过隧道后气动荷载持续周期数以及列车车速对衬砌结构疲劳损伤的影响,分析列车通过隧道次数与衬砌结构疲劳累积损伤及残余寿命之间的关系,判断隧道设计年限内气动荷载长期循环作用下衬砌结构的安全性。结果表明:衬砌结构疲劳累积损伤随气动荷载持续周期数增加而增加,随车速提高先增加后减小;列车多次通过隧道后,衬砌结构疲劳累积损伤随列车通过隧道次数增加而增加,残余寿命则逐渐减小;高速列车单次通过案例隧道诱发的衬砌结构疲劳损伤为25.6×10~(-12),在日开行209对的相同工况下,疲劳累积损伤每天为10.7×10~(-9),每年为3.9×10~(-6),100年(隧道设计年限内)为3.9×10~(-4),气动荷载长期循环作用下,完整衬砌结构在案例隧道设计年限内不会发生损伤破坏。     

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％.     

隧道近接施工对上部既有重载铁路隧道安全稳定性影响研究

基于京张高速铁路草帽山隧道下穿唐呼铁路北草帽山隧道工程,探究不同施工方法、不同夹层厚度、不同列车轴重对既有隧道衬砌结构沉降变形、振动加速度和振动速度的影响规律,并结合现场实际监控量测数据进行对比分析。研究结果表明:重载列车激励荷载作用下,下穿隧道采用三台阶法开挖时引起既有隧道的沉降值和振动响应均较小;新建隧道下穿既有重载铁路隧道的最小安全距离约为1.0B,且随着掌子面的不断向前推进,既有隧道沉降值、振动响应幅值均逐渐增大;掌子面距交叉点约30 m范围内,既有隧道沉降值和振动响应受下穿隧道施工影响较大;既有隧道衬砌结构边墙处y方向振动速度最大,z方向次之,x方向振动速度最小;随着列车轴重的增加,振动加速度幅值明显增大。     

铁路隧道衬砌表观病害等级评定研究

运营期铁路隧道衬砌存在不同程度的裂缝、渗漏水、剥落（掉块）等表观病害。本文首先分析了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、TB/T 2820.2—1997《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》等规范和标准评定隧道衬砌表观病害等级时存在的差异，针对QC/R 405.2—2019《铁路桥隧建筑物劣化评定第2部分：隧道》中存在的对细长裂缝没有给出判定规则、未考虑环向位置对等级评定的影响、不能依据检测图像对剥落（掉落）病害进行等级评定等问题，对裂缝长宽等级进行了细分，对病害环向位置进行了划分。在此基础上，对Q/CR 405.2—2019中高速、普速铁路隧道衬砌裂缝、渗漏水的等级评定规则进行了细化，实现了对不同属性特征的隧道衬砌表观病害等级的比较全面的评定。最后给出了隧道衬砌表观病害关注程度分类规则和不同等级病害的应对措施。     

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。     

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。     

高速铁路隧道线路底部结构累积疲劳损伤特性分析

利用侧向双轴拉-压疲劳损伤力学模型,建立隧道线路底部结构疲劳寿命分析方法。基于MIDAS GTS NX三维有限元分析平台,以武广高速铁路某双线隧道线路结构为研究对象,建立围岩-隧道衬砌结构-线路底部结构动力相互作用分析模型,研究隧道线路底部结构轨道板、混凝土支承层以及仰拱填充层动力响应特征与疲劳损伤寿命。研究结果表明,高速列车振动荷载在隧道线路底部结构内产生的动应力属于侧向双轴拉-压应力状态;隧道线路普通段底部结构疲劳寿命主要取决于轨道板,其疲劳寿命满足设计使用年限要求,而隧道端部线路底部结构的疲劳寿命则同时取决于轨道板和仰拱填充层,其疲劳寿命均少于60 a,达不到线路设计使用年限要求;隧道端部线路底部结构是隧道使用寿命设计的关键性控制因素。     

交叉隧道耦合动荷载动力响应及安全分析

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等多元荷载耦合导致的振动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道只受高速列车荷载作用及同时受高速列车与地震等多元荷载耦合作用下隧道结构的动力响应规律进行定量分析,并确定多元荷载耦合作用下立体交叉隧道结构安全性,从而找出不同隧道存在形式在多元荷载耦合作用下隧道衬砌结构断面的不同危险部位。研究结论:(1)地震荷载的出现改变了原有荷载的传播模式,且隧道结构断面不同位置受其影响最大不一定在交叉断面;(2)多元荷载中的地震荷载是对立体交叉隧道上跨结构产生不利影响的主要因素;(3)进行立体交叉隧道抗震设计时,应该增加上跨隧道左拱腰和左拱脚以及下跨隧道拱顶和左拱腰等危险部位的配筋率及混凝土的厚度,同时研制抗拉性能更好的轨道板;(4)本研究成果可对立体交叉隧道多元荷载耦合作用下的抗震设计提供指导。     

基于车辆响应的高速铁路轨道几何状态评估方法

轨道几何状态科学评估对保障高速铁路列车平稳、安全运行具有重要意义。基于高速综合检测列车多次检测数据，利用卷积神经网络、注意力模块和长短时记忆网络，分别学习数据的波形特征、注意力权值、长距离空间依赖关系特征，建立CBAM-CNN-LSTM车辆动态响应预测模型。该模型通过输入轨道几何、运行速度和车型预测不同工况下的车辆动态响应，进而利用预测的车辆动态响应评价轨道几何状态。研究结果表明，建立的模型能够有效预测车体振动响应，根据我国某高速铁路两种车型综合检测列车检测数据的验证结果，车体横向、垂向加速度的均方根预测误差分别为0.004g、0.009g,相关系数分别为0.608、0.793;利用预测的车辆动态响应评估轨道状态，能够有效识别引起车体振动加剧的轨道几何不利状态或隐形病害。此外，模型内部的注意力权值有助于分析挖掘导致轨道状态不良的轨道几何参数类型和位置信息。     

隧底围岩软化对鹰鹞山隧道衬砌结构开裂影响的数值分析

裂缝是隧道衬砌结构的主要病害之一,其中隧底围岩软化也会导致衬砌开裂。本文应用数值模拟方法,模拟分析隧底围岩不同软化程度和软化厚度的条件下,隧底围岩软化对隧道衬砌结构开裂的影响规律。结果表明:隧底围岩软化越严重,隧道衬砌结构拉应力越大,最先破坏位置为边墙最大跨处,与现场观测基本吻合。     

地铁矿山法区间隧道病害 分级标准及补强对策

以国内外不同的隧道结构状态评价方法为 基础,从裂缝的宽度、长度,衬砌的剥落,材料的劣化 及渗漏水等方面进行讨论,并以北京地铁复八线为研 究对象,依据裂缝宽度、长度及衬砌掉块厚度、范围等 将裂缝病害分为 5 级,衬砌掉块病害分为 4 级,研究 地铁矿山法区间隧道衬砌病害分级标准及相应的补 强对策。     

城市轨道交通地下线路有砟轨道应用的可行性分析

围绕有砟轨道在城市轨道交通地下线路中应用的可行性进行研究,结合国内外实践研究现状,从经济评价、环境评价、结构动力特性、铺设条件及养护维修等方面进行分析探讨,建立"列车-轨道结构-隧道"耦合动力学模型并分析其动力特性,最后对国内外有砟轨道的先进养护维修方法进行总结。分析表明:城市轨道交通地下线路铺设有砟轨道,在病害防治、经济效益、减振降噪等方面相对于无砟轨道具有一定优势,而在动力响应及养护维修等方面满足列车运营要求,在城市轨道交通地下线路铺设有砟轨道具有可行性。     

基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析

建立FLAC3D有限差分计算模型,模拟隧道围岩、地下水、初期支护和二次衬砌,探讨在不同的渗漏水位置和地下水位条件下隧道衬砌结构的各种内力及参数响应。数值模拟计算结果显示:当水压力较小时,拱顶渗漏水对结构影响最大;当水压力逐渐增大时,拱腰渗漏水对结构的影响逐渐显现,而且结构出现不对称的内力及参数响应,分析结果可为渗漏水病害条件下隧道结构安全评估提供判断基础。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。     

季节冻土区隧道洞口衬砌开裂机理及防治

研究目的:近年来,在我国西北、东北等高纬度季节冻土区,短隧道或长隧道洞口段冬季衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道结构和列车运营安全。本文以东北地区某铁路线ZEST隧道为例,采用现场试验、数值模拟等手段研究案例隧道冬季洞口段衬砌开裂、春融期渗漏水的发生机理,比较不同整治措施后,提出适合该类隧道病害的整治措施。研究结论:(1)隧址区每年冰冻期约5个月,极端温度年较差60℃以上,年平均气温2℃,属典型季节冻土区;(2)衬砌开裂段主要穿过粉质黏土层,含水率大,衬砌开裂主要由围岩冻胀力荷载作用所致;(3)建议采用喷涂12~13 cm厚保温层+防火砂浆,水沟中铺设电伴热电缆,并对既有损伤衬砌结构进行锚杆补强和对衬砌裂缝进行环氧树脂嵌补处理的整治措施;(4)从隧道病害整治效果来看,本文提出的整治措施效果显著,衬砌开裂、春融期渗漏水等问题得以解决。     

列车振动作用下沉管地基砂土液化可能性研究

根据土动力学和轨道动力学的原理 ,利用列车 轨道系统动力分析模型和提出的隧道结构 地层动力分析模型 ,分析高速列车作用下沉管地基的动力响应 ,根据模型计算了京沪高速铁路南京上元门沉管隧道地基在高速列车作用下的动剪应力分布 ;通过对现场地质资料的回归分析得到了沉管隧道 3个典型断面的地基抗液化剪应力 ,据此分析了沉管地基在高速列车作用下的液化可能性 ,以便为沉管隧道的进一步设计施工提供参考