隧道沉降引起的轨道结构变形与脱空

从微元体的平衡出发推导轨道结构变形的非线性控制微分方程。假设盾构隧道沉降遵从正态曲线,并引入阶梯函数描述轨道与基底的脱开状态,导出求解轨道变形的级数解。对支承块式道床轨道结构进行实例计算和对比分析。结果表明:级数解计算的道床沉降与实测数据一致;隧道沉降不大时,轨道结构的轴力对计算结果的影响可以忽略;隧道沉降槽宽度一定时,轨道结构的沉降、脱空范围及内力均随隧道沉降量的增加而增大;在沉降槽宽度小、沉降值较大时,钢轨与道床间以及道床与隧道底板间将产生沉降差及脱空。对隧道底板沉降槽半宽为3m的实例计算结果表明:在扣件失效条件下,隧道底板沉降值达到4mm时钢轨与道床间产生沉降差和脱空;在扣件正常连接条件下,隧道底板沉降值达到12mm时道床与隧道底板间产生沉降差和脱空;道床沉降值达到30mm时钢轨与道床间产生明显的沉降差;道床沉降值达到50mm时支承块与道床间产生脱空。     

钢弹簧浮置板轨道与隧道底板相互作用数值模拟

针对城市轨道交通穿越施工引起的轨道结构与隧道底板脱空的现象,采用ANSYS建立钢轨-钢弹簧浮置板道床-隧道底板的相互作用模型。考虑隧道底板变形方式、隧道底板最大变形值、Peck曲线沉降槽宽度、浮置板变形缝等影响因素,通过数值模拟计算轨道结构变形和内力、浮置板与隧道底板的脱空量和脱空范围,得出轨道结构与隧道结构相互作用的一般规律。计算结果表明:浮置板与隧道底板之间连接力弱,隧道底板发生不均匀变形时可能产生脱空;浮置板自身较大的刚度是其与隧道底板产生差异变形的主要原因,钢轨并不能对浮置板产生有效的约束;轨道与隧道结构的差异变形随隧道底板变形值的增大而增大,随沉降槽宽度的增大而减小;模型能够较全面地分析轨道与隧道结构相互作用问题,为计算穿越施工引起的既有轨道结构的变形、内力及其与隧道底板的脱空提供有效方法。     

隧道结构隆起引起的轨道结构变形与脱空

研究目的:新建地铁隧道上穿施工将引起既有隧道内的轨道结构发生变形甚至脱空,影响既有地铁的安全运营。为此,将轨道结构视为弹性地基梁,在控制微分方程中引入阶梯函数,推导考虑轨道与基底脱空的轨道变形傅里叶级数解法,并将理论方法与数值模拟方法及实测数据进行对比,验证方法的正确性,进而基于傅里叶级数法进行参数分析。研究结论:(1)轨道变形、内力和脱空范围均随隧道隆起量的增大而增大,轨道结构内力和脱空范围随隧道上浮槽宽度的增大而减小;(2)当双洞隧道中距大于8倍的上浮槽宽度时,可按单洞隧道确定基底变形;(3)当双洞隧道中距小于4倍的上浮槽宽度时,道床板的最大隆起将超过隧道底板;(4)本研究成果可为隧道上穿施工中既有轨道结构的安全评价提供理论依据。     

隧道变形引起的钢弹簧浮置板轨道变形与脱空分析

穿越施工引起既有隧道及其上的轨道结构产生变形,给列车运营安全带来不利影响。将钢弹簧浮置板轨道视为弹性地基梁,建立钢弹簧浮置板轨道变形的控制微分方程。采用傅里叶级数法求解微分方程,得到关于未知级数系数的线性方程组,进而给出求解线性方程组的迭代方法。基于本文方法分析钢弹簧浮置板轨道与隧道底板相互作用规律。研究结果表明:浮置板自身的抗弯刚度使其与隧道底板存在变形差异,进而与隧道底板产生脱空;随着隧道底板变形的增大,轨道结构变形及脱空范围均增大;随着沉降槽宽度的增大,轨道变形与隧道底板逐渐趋近,脱空范围呈先增大后减小的趋势;钢弹簧刚度越大,间距越小,轨道与隧道底板越容易产生脱空,脱空范围越大。研究成果可为穿越施工中既有线轨道结构的安全评价提供理论依据。     

城际铁路弹性支承块式无砟轨道结构优化及检算

为合理控制城际铁路轨道工程投资,针对城际列车轴重轻、编组小的特点,对弹性支承块式无砟轨道进行结构优化设计与检算分析。基于数值分析理论及有限元分析方法,研究隧道内弹性支承块式无砟轨道在设计轮载及现浇混凝土收缩荷载组合下裂缝开展情况,并进行道床板配筋设计及裂缝宽度检算;基于定额测算对比城际铁路与客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道的经济性。结果表明:城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板纵向只需配构造钢筋,按照配筋设计检算得出的道床板横向最大裂缝宽度为0.205 mm,小于裂缝容许值;相比于客货共线铁路,城际铁路弹性支承块可降低投资约10%。     

新建隧道下穿施工引起既有铁路轨道变形的理论计算模型

新建隧道下穿施工将引起上覆既有铁路轨道产生不平顺，导致列车振动加剧，进而降低旅客乘车舒适性。为此，提出新建隧道下穿施工引起铁路钢轨变形的理论计算模型。首先，采用高斯分布公式预测新建隧道施工引起铁路路基顶面沉降；然后，将轨道视为无拉力弹性地基上的梁，推导路基沉降引起轨道挠曲变形计算式。通过与室内模型试验结果和现场监测数据比较，对提出的理论模型进行验证。探讨铁路线路与新建隧道间的水平夹角、钢轨抗弯刚度、路基顶面沉降槽宽度系数对钢轨挠曲变形的影响规律。该计算条件下，当路基沉降槽宽度系数小于2 m,新建隧道垂直下穿施工将导致上方有砟铁路轨枕产生局部空吊现象；增大钢轨抗弯刚度，可以减小钢轨挠曲变形幅值；增大铁路线路与隧道之间水平夹角，可以减小钢轨挠曲变形波长；增大路基沉降槽宽度系数，轨道挠曲变形幅值逐渐减小，并且波长逐渐增大。     

梁轨相互作用对过渡段道床板翘曲的影响

研究目的:为了明确梁轨纵向相互力学行为对无砟轨道路桥过渡段道床板翘曲的影响,建立路桥过渡段处双块式无砟轨道桥上无缝线路及道床板力学计算模型,研究桥梁及轨道结构约束作用、钢轨伸缩力、道床板温度梯度等对道床板翘曲变形的影响。研究结论:(1)考虑桥梁及轨道结构的约束作用时,道床板上拱量相对增大约28%,达到2.5 mm;考虑桥上无缝线路纵向附加力时,桥台附近的钢轨伸缩变形会降低道床板的上拱量约44%,降为1.4 mm,且随着钢轨伸缩力的增大,降低值越大;(2)正温度梯度作用下,道床板上拱量有所增加,增大约43%,达到2.1 mm,而负温度梯度作用下道床板上拱量有所减小,减小约14%;(3)桥梁升温幅度越大,道床板上拱量越小,且随着温度幅度的增加,降低趋势变缓;(4)对于大跨度桥梁梁缝处铺设伸缩调节器时,道床板上拱量较主桥铺设小阻力扣件工况增大约1.2倍,增大到7.8 mm;(5)该研究结论对无砟轨道路桥过渡段设计优化理论和工程实践具有一定指导意义。     

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好,有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击,是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨,其保持轨道几何状态,尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算,结合室内相关试验结果,研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时,增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度,轨距扩大不断减小,但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角,对支承块的几何状态影响不大,而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大,对钢轨转角的影响较小。     

路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究

研究不同荷载作用下,高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性。钢轨及道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,钢轨与道床板、道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了可考虑混凝土开裂的路基上双块式无砟轨道三维有限元力学模型,分析了自重荷载、列车垂向荷载、不沉匀沉降荷载、温度梯度荷载作用下道床板的空间力学特性。结果表明:温度梯度荷载对混凝土纵、横向拉应力的影响最为显著;在列车荷载、不均匀沉降及温度梯度荷载作用下,钢筋纵向拉应力均超过了20 MPa;不同荷载作用下,支承层厚度、支承层弹性模量、道床板厚度等参数变化对混凝土和钢筋力学特性的影响不同;混凝土和钢筋纵向拉应力随着道床板裂缝间距的增加而增大。     

弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。     

市政道路下穿对机场快轨U形槽变形的影响分析

市政道路下穿机场快轨U形槽的施工过程中,对机场U形槽的沉降变形控制要求严,工程实施难度及风险大。基于北京次干一路下穿新机场快轨U形槽的工程背景,采用有限元软件对道路下穿机场快轨U形槽过程进行数值模拟,研究既有新机场U形槽结构的变形。提出市政道路下穿机场快轨U形槽的沉降变形控制标准,即U形槽位移+4^-4 mm、变形速率≤1 mm/d。得出U形槽结构的变形规律及安全性:在基坑及隧道开挖过程中,由于基坑的卸载作用对隧道沉降槽的影响,土层的位移产生类似板的翘曲效应,而U形槽及路基刚好位于中心位置,受到的影响较小,且承载力和裂缝宽度值均满足控制要求。     

武广铁路客运专线沉降观测与预测技术

武广铁路客运专线全线铺设无砟轨道。为了确保高速列车舒适、平稳运行,线路工程变形控制是关键技术问题之一。在研究客运专线路基、桥涵和隧道的沉降观测的技术方案等关键控制技术的基础上,使用扩展双曲线法对路基沉降结果进行了预测。预测结果表明,一般路基地段沉降量最大断面的预测工后沉降值为5.8 mm,桥梁墩台、涵洞和隧道的沉降量均较小。这些沉降控制技术和结论对于进行沉降观测控制与预测工作有一定的参考价值。     

城市轨道交通路基沉降与无砟轨道轨面不平顺映射关系

路基沉降会影响轨面不平顺,为了分析路基沉降与无砟轨道轨面不平顺间的映射关系,基于温克尔弹性地基耦合梁理论和有限元方法,建立考虑层间接触非线性整体道床轨道梁-体空间有限元模型,对轨道自重荷载和设计列车动荷载作用下轨面不平顺与路基沉降间映射关系展开研究,并在此基础上,提出城市轨道交通无砟轨道线路路基不均匀沉降的安全限值。分析结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在自重荷载和列车动荷载作用下发生跟随性沉降变形,且各层沉降幅值从上到下依次增大;路基沉降幅值越大轨面不平顺越明显,20 m沉降波长条件下,沉降幅值超过25 mm时轨道结构与路基间易形成脱空;轨面不平顺对路基沉降波长也极为敏感,20 mm沉降幅值条件下,当沉降波长超过25 m时路基与轨道结构间脱空现象明显缓解,此时轨面不平顺基本可与路基变形保持一致。     

地铁常用减振轨道振动特性及减振效果对比研究

对中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道、普通整体道床轨道进行环境振动现场实测,对比分析地铁列车通过时不同轨道的钢轨、道床、隧道壁振动加速度(垂向、横向)及钢轨动态变形(垂向、横向).结果表明:4种类型轨道的钢轨振动加速度相差不大;中等减振扣件轨道的道床振动加速度小于普通整体道床轨道,另外2种减振轨道明显大于普通整体道床轨道;钢弹簧浮置板轨道的隧道壁振动加速度明显小于其他轨道;钢弹簧浮置板轨道减振效果最好;中等减振扣件轨道的钢轨动态变形明显大于其他轨道.     

新八达岭隧道下穿青龙桥车站变形控制技术

依托京张高铁新八达岭隧道下穿既有京张铁路青龙桥车站工程,为控制下穿过程中青龙桥车站的沉降变形,采用Midas GTS NX数值模拟软件,模拟隧道下穿车站的施工全过程,得到既有车站路基变形的沉降曲线。研究发现路基最大沉降发生在新建隧道拱顶上方,路基累计最大沉降16.017 mm,建议在隧道施工过程中通过控制循环进尺和施工速度来控制路基的沉降量,并及时补充道砟,恢复轨道沉降变形,从而控制轨道的沉降。提出洞内■159 mm超前大管棚注浆加固、洞外地表垂直袖阀管注浆加固和3-5-3扣轨加固的变形控制技术,为下穿工程控制沉降变形提供经验借鉴。     

新型钢枕轨道结构受力特性影响因素分析

针对轨道过渡段基础沉降引起的轨道不平顺问题,提出一种能够自动补偿基础沉降的新型钢枕。为研究新型钢枕轨道结构参数对轨道结构受力特性的影响,基于有限元法,建立新型钢枕轨道-路基空间耦合模型,分析轨下胶垫刚度、钢枕间距以及道床弹性模量等参数对钢枕轨道结构受力特性的影响规律。研究结果表明:轨下胶垫刚度对钢轨受力特性的影响最为显著,随着轨下胶垫刚度的增大,钢轨的受力与变形均随之减小,但同时钢枕、道床和路基的受力与变形有所增大;减小钢枕间距能够减小轨道结构受力与变形,但钢枕间距太小会加大对道砟捣固的作业难度,增加养护维修工作量和维修成本;增大道床弹性模量可以减小轨道结构变形,但同时增大了钢枕和道床的受力。建议对轨下胶垫刚度、钢枕间距和道床弹性模量等参数综合考虑后合理选取。     

盾构下穿掘进施工对建筑物影响分析

以合肥地铁1号线葛望区间下穿三层框架结构为工程背景,运用MIDAS/GTS软件建立数值分析模型,模拟盾构掘进对上覆建筑物的影响。结果表明:横断面最大累计沉降值发生在两隧道对称轴线上,沉降槽基本呈正太分布曲线;纵向沉降曲线所呈现的规律与上部无结构荷载影响时基本一致;上部建筑结构沉降曲线包括3个平稳和2个剧变阶段,且二次沉降规律明显;上部建筑物荷载对沉降槽宽度及反弯点的位置影响不大,最终沉降会明显增大;地表最大沉降随偏心比e₀的增大逐渐降低,当e₀=1.5时,隧道的最大沉降与上部无结构荷载影响时基本一致,但沉降槽宽度相比而言有所增大;先掘进建筑物下伏隧道、增大注浆压力有利于控制上部建筑物的沉降变形。     

土路基-刚性基础板式轨道过渡段动力特性分析

研究目的：目前，我国拟在高速铁路的土路基上铺设无砟轨道，由于高速铁路的轨道要求有更高的平顺性和舒适性，因此本文从车辆-轨道耦合大系统的角度出发，探讨土路基与刚性基础的过渡区段的动力特性，以期为过渡段的设计和施工提供理论支持和参考依据。 研究方法：基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了土路基-刚性基础过渡段模型，编制了动力学仿真计算程序，对过渡段的动力特性进行了仿真计算分析。 研究结论：在土路基-刚性基础过渡区段，轨道基础刚度差产生动力作用不是很大，但钢轨挠度变化显著；差异沉降对轮轨系统的动力作用十分剧烈，考虑30mm／10m的差异沉降，车体加速度达到1．0m／s。时，接近舒适度管理目标值0．13g；随着速度的提高，动力作用加剧，当运行速度从250km／h提高到350km／h时，最大轮轨垂向作用力从92kN提高到104kN，而最大车体加速度从1．0m／s^2提高到1．4m／s^2，此时已经超过了安全限值；过渡段的设置长度宜以车体加速度为主，最大差异沉降为30mm的过渡区段，过渡段的长度可以设置在25—30m之间。     

北京地铁16号线区间隧道下穿4号线施工变形模拟分析与控制

以北京地铁16号线下穿4号线为工程背景,通过数值计算及现场监测研究城市地铁隧道中新旧地铁间的穿越施工的相互影响,并对既有地铁变形进行了安全评估。研究结果表明:既有隧道沉降计算值与实测值吻合较好且变化规律一致;隧道穿越施工导致的既有隧道沉降最大值发生在新建隧道的正上方,既有隧道最终累计沉降曲线呈W形;既有区间隧道结构内力变化较小,满足结构承载能力要求;既有区间隧道上下行结构最大累计水平位移变化量分别为0.35,0.39 mm,水平位移均未达到预警值。根据隧道变形的安全性评价提出了相应的施工防控措施,为类似双线盾构隧道下穿既有隧道的变形影响提供借鉴。     

有轨电车岔区基础变形研究

针对有轨电车6号道岔的岔区基础变形,应用有限元软件对岔区和道岔前后边界影响区进行建模,研究岔区基础变形位置及基础变形波幅对尖轨尖端上翘值的影响,同时提出轨道板空吊对基础变形限值的要求,并结合槽型轨道岔区轮轨接触几何关系计算结果,分析尖轨尖端上翘位移限值,结论:综合尖轨尖端上翘值限值和轨道板空吊计算结果,对于槽型轨道岔区路基而言,其不均匀沉降值不应超过10 mm/20 m,尖轨尖端的上翘值限值为4 mm。