重载铁路隧道铺底结构动力响应分析

通过现场实测和数值计算分析了30 t轴重列车荷载作用下,不同铺底厚度和基底不同吊空程度时红岭重载铁路隧道铺底结构的动力响应特征。结果表明:铺底结构能较好地吸收列车振动荷载,并且随着铺底厚度增大,铺底结构的竖向动应力和竖向加速度均减小,因此设计和施工过程中须保证铺底结构具有足够厚度;随着基底吊空程度增大,铺底结构的动力响应逐渐加剧,并且铺底结构底面的竖向位移和竖向加速度变化比顶面更加显著。     

高速铁路隧道列车振动响应影响因素分析

运用有限差分法,建立了隧道-围岩相互作用的动力计算模型,分析围岩条件、列车运行速度、隧道底部结构设计参数以及基底状况对列车振动荷载作用下隧道结构动力响应的影响.结果表明:隧道衬砌结构动力响应随着围岩级别的提高、行车速度的增加和基底软弱层厚度的增加而增大,随着仰拱厚度、填充层厚度和仰拱矢跨比的减小而增大.隧道底部结构厚度...     

重载铁路隧道基底脱空条件下服役状态影响研究

隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下,将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象.为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响,采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型,探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征,并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到不同脱空状态下...     

铁路隧道基底脱空条件下的动力响应分析

列车荷载作用是诱发在役隧道基底病害的主要原因。为分析隧道基底脱空条件下对列车荷载的响应问题,以某铁路隧道工程Ⅲ级围岩正常断面为对象,通过现场在隧道铺底顶面埋设压力盒,对铺底混凝土层受力进行测试;在此基础上,通过数值计算,重点分析列车荷载作用下基底不同脱空长度下的基底中心线、轨道处与轨枕端头处的应力分布规律及铺底顶面振动特性。结果表明:在铺底顶面,动压力在轨道、轨枕端头处与基底中心线处分别为80,20 k Pa和60 kPa。经计算模拟,基底存在40 cm与80 cm宽脱空区时,在轨枕端头处、轨道处及中心线处应力规律基本一致,在脱空区处应力出现先减小再增加现象,且轨道处突变最大,脱空区侧壁处存在应力集中现象,脱空区影响深度范围约2 m。80 cm宽脱空区在数值上与40 cm宽脱空区相比,基底动应力、铺底顶面加速度与振动位移的最大增幅分别为50%、30%和3%。     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

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。     

重载列车对四心圆隧道结构受力的影响研究

结合我国重载铁路隧道结构特点,利用大型有限元软件ANSYS建立围岩-隧道结构-轨道结构三维动力分析模型,采用移动荷载模拟重载列车竖向动荷载,着重分析了重载列车荷载在隧道基底的分布、传递特性以及隧道结构内力的空间分布特性。     

重载列车作用下隧道基底荷载特征及动力学响应分析

通过对朔黄铁路三家村隧道基底在重载列车作用下的现场测试,统计分析了不同围岩区段基底填充层的动应力幅值,借助于静态换算土柱法,获得了基底的冲击系数。以此为基础,建立了列车-隧道-轨道结构耦合分析模型,分析了列车振动荷载作用下隧道基底结构的动态响应及冲击系数。结果表明:不同围岩级别下钢轨下方动静比平均值分布在1.8～2.08之间,道心处动静比平均值分布在1.0～1.1之间,钢轨下方的动静比约为道心处的2倍,理论计算与实测冲击系数误差最大为7.4%。另外,采用换算荷载推演大轴重列车的荷载特征是可行的,以此确定的基底填充表面的动应力约为120 kPa。     

30t重载列车扁疤冲击荷载作用下隧道基底动力特性研究

采用加载车模拟30 t重载列车扁疤对既有重载隧道基底结构的冲击作用,分析冲击荷载对既有重载隧道基底结构的影响。同时,利用大型有限元软件ANSYS建立轨道-隧道-围岩三维动力分析模型,依据现场实车轮对扁疤实测结果,分析30 t重载列车轮对扁疤冲击荷载对隧道基底结构变形、振动及受力的影响。分析结果表明,隧道基底受到轮对扁疤冲击作用后,隧底荷载及结构振动显著增大,加剧恶化基底已开裂混凝土结构,降低其服役寿命。由于波动经过不同介质及传输距离的影响,动变形、振动加速度及动压应力对振动响应的敏感度不同,尽管采用加载车模拟轮对扁疤对轨道及隧道基底的冲击作用中个别动态参数误差较大,但其仍是有效方法之一。     

基底富水条件下隧道铺底结构疲劳寿命的试验研究

采用Cl=2的相似模型在PMS-500型疲劳试验机上进行铁路隧道铺底结构在基底富水条件下的疲劳破坏试验.重点分析铺底结构的静、动应力分布特征,裂纹出现时间,裂纹扩展情况以及结构的破坏形态,通过换算得到各铺底结构在列车荷载作用下的疲劳寿命.试验结果表明:铺底结构主要是在钢轨正下方沿线路发生纵裂破损的,铺底结构与基岩之间的砂浆流失严重,出现明显的凹槽;地下(积)水不仅明显降低铺底结构与基岩间的粘结力,而且在列车快速加载卸载下反复加压、退压,使铺底结构处于交变的拉压受力状态;在基底富水条件下,隧道铺底结构的使用寿命较无水条件下明显降低,因此在施工中采取合理的防排水措施确保基底干燥是预防或减少隧道铺底病害发生的关键.     

铁路隧道基底病害整治现场试验研究

以蜈蚣岭隧道病害整治为例,采用动力试验检测技术,对两种不同铁路隧道基底工况在列车运行荷载作用下的动、静应力以及加速度进行现场测试。试验结果表明,隧道基底结构受列车冲击振动作用明显。作用于隧道基底结构上的最大动应力值在0 3MPa以内,而在列车限速(<30km·h-1)行驶条件下基底结构上的最大峰值加速度达5 80m·s-2。在列车荷载作用下,两种不同基底结构的动力响应测试结果比较表明,采用20cm厚钢筋混凝土,且隧道基底与基岩之间加铺粘性防水层的隧道基底结构形式更优。     

复杂地质大直径盾构隧道列车振动响应分析

对于高速铁路大直径盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性具有重大意义。以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为背景,基于ANSYS有限元方法,采用列车-轨道系统确定列车荷载后,计算不同工况下高速列车振动荷载对软硬不均地层大直径盾构隧道结构的影响,选取不同计算模型对比分析往复荷载作用下隧道地基累积变形的特征。计算表明:(1)双线同时有列车荷载作用时,产生的动力响应更为显著,且与两车间隔的时间有关,当间隔时间为振动周期的倍数时,振动效应最大;(2)较之主应力,列车振动对隧道位移和加速度的影响更加明显;(3)双线列车振动发生时间的偏差会引起响应的振动时程曲线产生约等于Δt的偏移现象,且振动幅值也会偏移,结构的动力响应与地层的动力响应(位移、加速度和主应力)存在相似的变化规律;(4)随着列车运行时间的累加,隧道基底土的累积塑性变形逐渐增大,但随着时间推移后期的增长速率明显减慢;(5)针对佛莞城际铁路狮子洋隧道,近东莞侧隧道基底以砂土为主,建议采用Anand J.Puppala模型进行累积塑性沉降计算;近广州侧隧道基底以淤泥为主,建议采用DingQing Li模型进行累积塑性沉降计算。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

30t轴重条件下隧道技术标准研究

研究目的:货运重载是铁路发展的趋势之一,目前我国重载列车的轴重是25 t,近期的发展目标是轴重达到30 t.轴重增加将使轨道和轨下基础承受较大的荷载,也将增加隧道基底病害的发生几率.因此需要深入研究轴重增加对隧道基底结构的影响,研究30 t轴重下隧道的技术标准.研究结论:以客货混跑的太行山隧道为基础进行重载铁路隧道的断面设计基本上是可行的;重载铁路隧道应取消单纯的铺底结构,在Ⅲ级以上围岩设置仰拱,且仰拱的矢跨比和厚度应不低于客运专线隧道标准;由于重载列车荷载的复杂性和围岩的千差万别,在制定30 t轴重条件下隧道技术标准时需要结合目前重载线路进行大量现场测试.     

硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应北大核心

依托飞凤山隧道工程,采用数值模拟方法研究了列车动荷载作用下硅藻土地层隧道基底微型钢管桩加固前后的动力响应特性,并引用经验公式预测了隧道长期沉降。结果表明:基底加固前后,列车动荷载作用下隧道结构振动加速度响应峰值均依次为仰拱>墙脚>拱顶>拱肩>边墙,动位移响应峰值均依次为仰拱>墙脚>边墙>拱肩>拱顶;采用钢管桩加固后,隧道结构振动加速度和动位移响应程度都得到明显控制,仰拱处的振动加速度响应峰值和动位移响应峰值分别减小了14.46%和30.58%;硅藻土地层隧道车致长期沉降主要发生在运营期前两年,钢管桩加固基底可有效减少隧道长期沉降。     

不同轴重下双线重载铁路隧道基底结构动压力分布研究

以重载铁路张唐线付营子隧道为工程依托,针对Ⅳ级围岩条件下双线重载铁路隧道在25、27、30 t三种轴重下的基底结构不同结构层表面的动压力分布及竖向传递规律,开展了现场大型激振试验和实时远程监测。根据激振试验所得土压力传感器典型时程曲线,得到了各结构面动压力的横向分布及竖向传递规律,最后根据远程监测数据对27 t轴重下基底结构的动压力分布规律进行对比验证。结果表明:Ⅳ级围岩条件下,双线重载铁路隧道重载线路在重载列车荷载直接作用下,该侧的动压力均大于普通铁路,各结构面不同测点的动压力数值随着与激振点水平距离的增加而降低,列车轴重提升使线路下方作用荷载的增大,双线铁路隧道基底结构易出现失稳。动压力竖向传递规律显示,各结构面表面接触压力对列车轴重的响应由上至下逐渐减弱。远程实测数据分析结果与激振试验结果比较接近,表明试验结果可用于双线重载铁路隧道基底结构设计参考。     

重载铁路隧道轨枕吊空对隧底荷载及结构受力的影响

根据目前隧道内轨枕吊空现象,分析轨枕吊空产生的原因及其对结构产生的危害。在此基础上,建立列车-轨道-隧道耦合动力分析模型,分析研究既有重载铁路开行30 t轴重列车且轨枕在正常状态和吊空情况下基底的动力响应情况,并对出现不同吊空轨枕数量对隧道基底荷载、变形及基底结构内力的影响进行分析。结果表明:轨枕吊空后,墙脚部位的安全系数均小于3.0,尽管仰拱底面安全系数大于3.0,但是长期的轨枕吊空容易引起仰拱及墙脚的疲劳破坏。研究成果可为工务养护提供理论数据参考。     

双线重载铁路隧道基底结构受力特性现场激振试验研究

依托于张唐线双线重载铁路隧道——付营子隧道现场试验,在Ⅴ级围岩条件下利用大型激振设备不同频率和配重块组合模拟了25、27、30t轴重的重载列车作用。根据光纤光栅传感器采集时程曲线提取的静压力和瞬时动压力幅值,针对基底不同结构层表面上不同测点的接触压力横向和竖向分布规律进行研究。结果表明:双线重载铁路隧道基底结构通车前静压力分布基本对称,重载列车荷载作用下,因仅半幅受到重载荷载影响,其动力响应明显于普通客运线路使基底结构受力不平衡易发生失稳。在重载线路中心、轨道位置和客运线路轨道3条监测线上各结构层表面动压力竖向衰减规律类似,均可拟合为三次多项式用于类似工程的设计和受力预测。     

高速铁路和地铁近距离平行隧道动力响应分析

针对目前国内存在的高速铁路与地铁近距离平行隧道工程,采用拟合的列车振动荷载,通过在轮轨上施加实测振动荷载,同时对列车施加速度场的方式,分析了在高铁列车单独行驶、高铁列车和地铁列车同向行驶及相向行驶3种工况下平行隧道衬砌拱腰、拱脚及道床中心的动力响应特性及其相互关系。结果表明:在列车行驶过程中,列车距离监测点越近,其振动效应越强;在同一横截面上,高速铁路隧道道床中心的动力响应最大,拱脚次之,拱腰最小;高速铁路隧道衬砌动力响应在高铁列车单独行驶时最小,高铁列车与地铁列车同向行驶时次之,高铁列车与地铁列车相向行驶时最大。     

既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

采用地质雷达对一既有重载隧道基底混凝土厚度进行了探测,测试断面基底混凝土厚度小于设计值。利用ANSYS建立荷载—结构平面动力分析模型,依据现场取样试验结果并结合实车动态试验结果,分析了30 t轴重重载列车通过时隧道基底混凝土厚度对基底结构受力的影响。分析结果表明,基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0,有一定的安全储备。考虑到隧道结构尺寸要求,示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m,Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。因此,对于隧底出现的混凝土厚度不足情况,应酌情进行加固处理,从而保证列车安全运营。