管道下穿对既有铁路的影响及加固对策研究

<正>交下穿管道施工对上跨铁路道床扰动较大,采用常规管道施工技术难以保证既有铁路的运营安全。为研究下穿管道对既有铁路道床变形的影响,探索合理的下穿管道施工方案,文中以潍坊高新区浞钢中水管道工程为背景,采用FLAC~(3D)有限差分软件建立正交下穿既有铁路线的管道三维数值模型,对注浆加固、管棚支护及强化管片3种加固方案进行研究,重点对道床变形、管片内力和管道变形进行对比分析。结果表明,管道施工将导致铁路道床产生较大不均匀沉降,道床沉降以管道轴线为中心线对称分布,管道与道床轴线交点位置沉降最大;既有铁路荷载对下穿管线管片应力和变形的影响显著,道床下方的管片应力和变形最大;地层注浆加固、管棚支护及强化管片都能减小管道施工对道床的扰动,其中地层注浆加固方案效果最显著。     

局部失效盾构隧道管片承载特性及破坏机理

局部失效(混凝土或钢筋缺失)会显著影响盾构管片的承载性能，甚至会诱发隧道整体结构的破坏。为明确局部失效对管片承载特性的影响，分别开展了标准管片和跨中及侧部开孔管片承载特性的足尺试验，并对管片的位移、裂缝扩展及混凝土应变进行了监测。试验结果表明：管片破坏过程分为4个典型阶段，并将各个阶段的临界荷载定义为管片的3个特征荷载。根据各特征荷载值对管片的承载特性进行了对比分析，明确了开孔管片的承载能力低于标准管片，且开孔位置对管片的承载特性具有较强影响。为进一步明确局部失效盾构管片试验结果的准确性，采用混凝土弹塑性损伤本构建立了与试验对应的三维精细化数值模型，并通过与模拟的对比验证了试验结果的合理性。随后，依据标准管片各承载特性，定量分析了管片开孔直径及开孔位置等因素对管片抗弯承载特性的影响规律，并初步提出了局部失效盾构管片抗弯承载特性的理论计算模型。研究结果可为极端条件下地铁盾构隧道的安全性评估及加固设计提供理论基础。     

软土地区盾构隧道管片开裂特性实测分析及影响因素研究

基于某软土地区城市地铁1号线的实测数据，统计分析该地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点，结果表明: 管片裂缝的分布密度与隧道收敛位移具有明显关联性，区间隧道病害以密布于隧道拱顶的纵向裂缝为主，且分布规律与管环旋转角度相关。在此基础上，为探明软弱地层条件对盾构隧道带来的不利影响，基于断裂力学的非线性数值分析方法建立地层结构法有限元模型，模型中管片采用弥散开裂本构并嵌入简化的钢筋网单元，纵向接头通过考虑张开的间隙接触模型模拟。计算结果阐明了管片开裂的特性与影响因素，结果表明： 1)随着地层土体弹性模量和侧压力系数的减小，在地应力条件下隧道损伤区域明显增加； 2)随着埋深增加，当前主要开裂区与预测开裂区深度在原有基础上进一步扩展，从而引起隧道整体开裂率的上升； 3)参数分析探明了实测拱顶裂纹分布规律的成因为封顶块位置的差异。     

基于减隔振措施的曲线段变速地铁列车振动影响研究

为探究运行变速的地铁列车通过减振段引起的环境振动影响，选取成都地铁4号线宽窄巷子—中医大省医院区间钢弹簧浮置板减振段，建立“列车-轨道板-地层”三维有限元模型，并现场测试地铁运行时区间隧道及地表的竖向振动与水平振动，研究减振措施下曲线段变速地铁列车振动特征。结果表明:变速运行列车引起的道床及边墙振动时程曲线呈现出前期增长慢，后期衰减快的特点；列车变速运行下的道床及边墙的振动加速度波形不具备半周期对称性；在曲线段隧道结构的水平振动不可忽略；振动由道床传递至边墙过程中呈跳跃式衰减，钢弹簧浮置板具有良好的减隔振效果；道床和边墙处振动加速度的主要频率范围为60~100 Hz，振动由隧道内传递至地表过程中高频段衰减较快，地表处振动加速度的主要频率范围为5~30 Hz。     

基于“界面脱黏”的桥梁连续式伸缩缝力学分析

针对"界面脱黏"这种桥梁连续式伸缩缝最常见的一种病害,采用有限元方法,对双轮垂直荷载作用下的伸缩缝铺装层应力响应进行分析,并对不同荷载作用位置、界面接触状态、伸缩缝铺装与桥面铺装材料的模量比、伸缩缝铺装厚度及宽度变化下的界面法向拉应力进行探讨分析。结果表明,当荷载作用在伸缩缝铺装的一侧且轮迹边缘位于界面上时应力作用最大,通过选择柔性更大、变形协调更好的伸缩缝材料,并选择较厚的伸缩缝铺装、宽度选择45~50cm,并且将界面进行粗糙化处理才能有效地改善应力状态以减缓甚至避免"界面脱黏"病害。在此基础上,得出了连续式伸缩缝铺装参数设计方法,为实体工程的设计和施工提供了思路。     

宜万线五爪观隧道无砟道床病害成因分析及整治措施

针对宜万线五爪观隧道上行线K1161+406段整体道床伸缩缝两端道床板出现宽约0.3 mm裂缝,整体道床伸缩缝处出现翻浆冒泥、两轨间伸缩缝已被淘空等病害。在分析其成因的基础上,结合宜万线行车特点,采用特殊施工组织方式,采取有针对性的技术措施进行治理。施工后,通过检测证实,治理效果明显,道床已经稳定。     

盾构法地铁隧道管片拼装质量控制

结合广州地铁三号线某区间盾构法隧道施工中出现的管片拼装质量问题,总结了有关经验,就管片的进场验收、下井前保护和检查、运输过程中的保护、管片选型的原则、拼装过程中的技术要求和拼装过程中的常见问题以及管片脱出盾尾后的保护问题进行了初步探讨.     

地铁列车振动荷载引起的隧道动力响应分析

已开通运营地铁工程长期承受地铁列车振动荷载的影响,会造成地表不均匀沉降,管片结构附加应力增大,地表振动频率过大易出现城市环境振动污染,影响居民正常生活。以某运营城际铁路为工程依托,采用人工数定激振力函数模拟地铁列车振动荷载,建立了地铁列车振动荷载下隧道动力响应分析模型,对隧道管片结构弯矩及上部地层竖向位移进行监测分析,将地表竖向位移振动加速度换算为等效声级,结合城市环境振动标准,可知列车行驶过程中,地表振动环境污染符合城市环境振动标准规定的限值。     

堆土导致的地铁盾构隧道病害及处治对策分析

针对地铁隧道地表堆土的现象,开展洞内监测及病害调查工作,探明堆土影响下结构变形过程,并对管片结构裂缝、错台、渗漏水、道床脱空等病害特征进行分析、评价。基于结构病害现状,明确不同区段的损伤程度,制定相适应的修复方案及补强措施。针对粘钢加固措施,在确定施工工序的前提下,建立二维仿真计算模型,分析加固后结构受力分布特征及承载性能。研究表明:加固前偶数环最大正弯矩位置承载性能下降66%,最大负弯矩位置承载能力下降73%,加固后承载性能满足规范要求;加固前奇数环最大正弯矩承载性能下降34%,最大负弯矩位置承载性能下降25%,加固后承载性能均满足规范要求,加固方案合理,加固效果明显。     

关于城市地铁盾构管片结构设计的思考

随着盾构法施工在城市地铁建设中越来越多的应用,盾构区间的管片结构设计也越来越成熟。文中在对以往盾构区间结构设计总结的基础上,对盾构区间结构设计的发展提出了一些看法,以供今后的城市地铁盾构区间结构设计参考。     

城市轨道交通地下线整体道床设计相关问题探讨

根据广州地铁设计与运营的情况,建立了地下线整体道床有限元分析模型,探讨了整体道床钢筋网设置方式、非盾构地段隧道结构与整体道床连接设计、轨枕、排水方式等的合理方案。分析结果表明:在列车活载作用下,道床板的上下表面在纵横向都有受拉或受压的可能,道床板宜双层配筋;轨枕的长度对道床板应力影响很小,而道床板应力随着轨枕宽度的增加而增大,地下线整体道床在保证施工方便及扣件锚固需要的尺寸外,建议采用尺寸较小的钢筋混凝土长轨枕。为预防结构底板变形缝处渗水病害,在道床设计时,应加强道床与基础的连接,考虑疏水、导水     

弹性支承块式无砟轨道支承块破损原因分析

针对在隧道内弹性支承块式无砟轨道运营初期容易出现支承块边角开裂、掉块等问题,运用有限元软件建立弹性支承块局部受力模型,分析了道床顶面混凝土高于橡胶套靴帽时,支承块在列车荷载作用下与道床板顶面碰撞的应力分布.计算结果表明:当道床顶面与支承块靴帽边缘空隙不足时,支承块所受拉应力为2.55 MPa,容易出现受剪开裂等破损现象...     

Experimental and numerical investigation of the effect of rail corrugation on the behaviour of rail fastenings

This paper presents the results of a detailed investigation of the effects of rail corrugation on the dynamic behaviour of metro rail fastenings, obtained from extensive experiments conducted on site and from simulations of train–track dynamics. The results of tests conducted with a metro train operating on corrugated tracks are presented and discussed first. A three-dimensional (3D) model of the metro train and a slab track was developed using multi-body dynamics modelling and the finite element method to simulate the effect of rail corrugation on the dynamic behaviour of rail fastenings. In the model, the metro train is modelled as a multi-rigid body system, and the slab track is modelled as a discrete elastic support system consisting of two Timoshenko beams for the rails, a 3D solid finite element (FE) model for the slabs, periodic discrete viscoelastic elements for the rail fastenings that connect the rails to the slabs, and uniformly viscoelastic elements for the subgrade beneath the slabs. The proposed train–track model was used to investigate the effects of rail corrugation on the dynamic behaviour of the metro track system and fastenings. An FE model for the rail fastenings was also developed and was used to calculate the stresses in the clips, some of which rupture under the excitation of rail corrugation. The results of the field experiments and dynamics simulations provide an insight into the root causes of the fracture of the clips, and several remedies are suggested for mitigating strong vibrations and failure of metro rail fastening systems.     

地铁列车荷载作用下地铁车辆段桩承式复合地基动力响应数值分析

为探讨软土地基经桩体加固后，地铁列车荷载作用下地铁车辆段轨道下部结构的复合地基动力特性及分布规律，采用有限元显式动力学方法，分析比较了广州地铁某车辆段轨道下部软基区域经桩体加固前后以及桩体模量对土体动力特性的影响。数值分析结果表明:(1)经桩体加固后，土体的振动加速度比无桩体加固时衰减更快，土体的动应力幅值有所减小，且土体动应力随桩体模量的增大而减小；(2)土体动应力随横向距离和深度方向变化过程中，局部区域呈现先增大再减小的趋势，说明桩顶和桩底附近出现了应力集中现象；(3)软黏土的动应力幅值和振动加速度幅值沿深度方向先快速衰减，后衰减趋于稳定，说明计算动力附加沉降时主要考虑软土浅层区域。     

城市轨道交通高架桥的选型

根据上海地铁二号线东西延伸段、莘闵轻轨交通线，西安地铁等工程，探讨了城市轨道交通高架桥在选型上应考虑的因素，并结合具体工程项目，给出了选型的参考性方案。     

An investigation into the mechanism of the polygonal wear of metro train wheels and its effect on the dynamic behaviour of a wheel/rail system

This paper presents a detailed investigation conducted into the mechanism of the polygonal wear of metro train wheels through extensive experiments conducted at the sites. The purpose of the experimental investigation is to determine from where the resonant frequency that causes the polygonal wear of the metro train wheels originates. The experiments include the model tests of a vehicle and its parts and the tracks, the dynamic behaviour test of the vehicle in operation and the observation test of the polygonal wear development of the wheels. The tracks tested include the viaducts and the tunnel tracks. The structure model tests show that the average passing frequency of a polygonal wheel is approximately close to the first bending resonant frequency of the wheelset that is found by the wheelset model test and verified by the finite element analysis of the wheelset. Also, the dynamic behaviour test of the vehicle in operation indicates the main frequencies of the vertical acceleration vibration of the axle boxes, which are dominant in the vertical acceleration vibration of the axle boxes and close to the passing frequency of a polygonal wheel, which shows that the first bending resonant frequency of the wheelset is very exciting in the wheelset operation. The observation test of the polygonal wear development of the wheels indicates an increase in the rate of the polygonal wear of the wheels after their re-profiling. This paper also describes the dynamic models used for the metro vehicle coupled with the ballasted track and the slab track to analyse the effect of the polygonal wear of the wheels on the wheel/rail normal forces.     

基于隧道轴线控制的通用型管片主要构造参数设定研究

为适应复杂条件下盾构隧道管片构造设计要求，首先介绍一种通用环管片错缝拼装的预排版计算方法，然后详细分析管片构造的主要几何参数与隧道最小拼装曲线半径的关系，提出满足线路曲线半径拼装要求的管片主要几何参数组合，并基于某地铁区间的设计线路，比较不同管片楔形量对拼装误差的影响，得出管片楔形量过大会导致直线段或者较缓的曲线段拼装误差过大的结果，继而算出基于线路的最大、最小楔形量，提出管片楔形量建议值计算方法，并与3条地铁线路的管片选型进行对比验证。研究成果可为实际工程的管片选型及构造设计提供合理建议。     

列车荷载作用下路基结构动力响应分析

针对秦沈客运专线场地条件,采用有限元-无限元相结合的手段,建立列车荷载作用下路基结构动力反应的有限元数值模型,分析了列车荷载作用下,路基动力响应的分布规律,并探讨了列车速度对路基振动反应的影响规律。结果表明:路基土中竖向动应力幅值随深度增加而迅速衰减;随着列车速度的增加,路基顶面的动应力幅值呈增加趋势;列车荷载对轨道路基的影响主要体现在基床部位,因此对于高速铁路需要对其进行加强。所得结论,为铁路路基设计和加固提供了理论依据。