地铁列车振动作用下近距离平行隧道的弹塑性动力响应

利用有限元数值方法,对地铁列车振动荷载作用下近距离平行隧道结构的二维弹塑性动力响应进行模拟,分析了单列列车荷载以及双列列车荷载作用下土体-隧道结构体系的加速度和内力响应时程曲线。研究表明,列车动力荷载作用下的内力值要比无列车荷载作用下的内力值有较大程度的增加;在单列列车荷载作用下,另一相邻平行隧道的加速度响应、弯矩、轴力峰值要比列车运行所在隧道相应点处的响应值要小;在双列列车荷载作用下隧道结构体系动力响应值要比单列列车荷载作用下的动力响应值有显著增加。     

地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析

地铁行车荷载经轨道-道床-隧道结构传至地基,在土体内部产生循环动应力以及超孔隙水压力是引起盾构隧道沉降的重要原因。通过车-轨-隧道-地基竖向耦合动力模型分析隧道差异沉降对列车运行荷载的影响,以上海地铁一号线体育馆站附近区间隧道为工程背景建立三维数值模型,结合塑性累积应变及累积孔压经验公式进行计算,对比分析软土盾构隧道下卧土层有、无纵向差异沉降两种情况下,地铁行车速度对隧道运营沉降的影响。结果表明：列车运行速度越快,下卧土体波动越大,但衰减越快。地基差异沉降对其长期运营存在明显不利影响,随着列车速度增大,这种影响也愈加明显。当地基差异沉降小,轨道平顺条件好时,隧道长期沉降随地铁行车速度的增大而减小;当地基差异沉降突出,轨道存在明显不平顺时,隧道运营沉降随行车速度增大而显著增加。     

盾构隧道与周围土体在列车振动荷载作用下的动力响应特性

为研究列车振动荷载作用下盾构隧道结构及周围土体的动力响应特性,采用模型试验方法,通过布置在盾构隧道底部的激振器施加扫频激振荷载和列车振动荷载,采用频率响应函数FRF与最大加速度分析了盾构隧道衬砌结构与周围土体不同位置处的动力响应及其衰减规律。研究结果表明：FRF是隧道衬砌结构和周围土体自身的动力响应特性的体现,与激振力的大小、扫频方向及扫频时间无关;在隧道管片衬砌结构的底部和顶部均体现出高频响应大于低频响应的特性,隧道顶部加速度响应沿隧道纵向衰减幅度明显小于隧道底部;隧道周围土体的动力响应沿深度有明显变化,但均表现出沿隧道轴向衰减的规律。隧道结构上部第1层测点土体的动力响应在全频域内随频率的增加逐渐增大。但在第2层和地表的第3层测点,土体的动力响应在30～90 Hz区段线性增长,在90～300 Hz区段出现波动变化,并无明显增大趋势;与扫频激振荷载引起的动力响应规律一致,由列车运行振动荷载引起的隧道管片衬砌结构和周围土体的振动沿隧道轴向逐渐衰减,隧道底部的加速度响应大于顶部,随着列车车速的增大,在隧道内部引起的加速度响应将显著增大。同时,在列车振动荷载作用下发现地表存在加速度放大效应,地表第3层测点的加速度响应均大于隧道结构上部第1层测点。     

小半径曲线隧道下地铁运行对粉砂土层引起的振动响应规律

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患.进行了长期孔隙水监测,并利用MIDAS有限元计算平台建立地铁道床-衬砌-土体耦合动力模型进行相互验证,研究了单列列车运行与双向会车、不同隧道埋深时对隧道周围土层的振动响应规律.结果表明,孔隙水压力在列车运营初期较大,后期逐渐减小并稳定,其中受到上下班高峰期、季节性气候,以及地下水位的影响,孔压可能造成小幅度上升,但总体趋势是下降.由于荷载叠加效应,双向列车同时经过会使孔隙水压力增幅大于单向列车运行的情况,在隧道下方的最大沉降发生在隧道左端,离隧道越远沉降量越小;在地下水位一定时,隧道埋深与孔隙水压力大小成正比,与隧道周围土体沉降成反比.     

高速列车振动荷载作用下马蹄形断面隧道动力响应特性分析

为了研究马蹄形隧道在高速列车振动荷载作用下的动力响应特性,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,以时域、频域分析为基础,采用频率响应函数和峰值振动加速度作为评价指标,分析了列车时速分别为300 km/h和350 km/h的单点振动荷载作用下的隧道结构动力响应规律。通过FLAC^3D计算软件建立三维数值模型,研究了高速列车移动荷载作用下隧道结构的动力响应特性。研究结果表明:在列车振动全频域扫频荷载作用下,隧道结构内部的动力响应不是沿隧道环向逐渐衰减,而是仰拱到拱脚处的响应出现一定的衰减,但拱腰到拱顶处却呈现出增大趋势;在40~200Hz频率范围内,圆形断面隧道结构的动力响应小于马蹄形断面隧道结构的动力响应,平均差值约为3.8 dB,表明隧道的断面形状对其结构的动力响应影响较大,在设计时应予以考虑;在列车移动荷载作用下,各监测点的加速度响应表现出明显的周期效应,列车经过时动力响应显著增大;移动荷载作用下隧道结构的峰值振动加速度较单点振动荷载作用下均有不同程度的增加,因此在研究列车振动荷载诱发的动力响应特性时应考虑列车的移动效应。     

地铁列车振动作用下交叠隧道的三维动力响应

通过数值计算方法研究了地铁列车振动荷载作用下,由左右平行隧道过渡到上下平行隧道情形下的三维弹性动力响应。建议了三维情形下列车动力荷载的施加方式,对隧道结构变形特征以及振动加速度响应特征进行研究。计算表明,在拱底中央位置处,模型中部断面的位移峰值比起始段的位移峰值有一定减小,而其加速度峰值则变化不大;双列列车交会动载作用下的位移峰值比单行动载作用下的位移峰值要大,而相应的峰值加速度则出现得要早。     

双圆盾构隧道施工对平行既有隧道的影响分析

对双圆（DOT）盾构隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理上,推导土体损失引起的附加应力计算公式,研究双圆盾构正面附加推力、双圆盾构机与土体之间的摩擦力以及土体损失在平行既有隧道上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明,附加荷载的变化规律与双圆盾构机和邻近平行隧道的相对位置密切相关,是一个三维问题;随着双圆盾构机开挖面通过前后,附加荷载由压力变为拉力;土体损失是引起相邻隧道上附加荷载的主要因素,其次分别是盾壳摩擦力和正面附加推力;已建隧道受到的附加荷载变化规律与其和双圆盾构机的净距 S 密切相关,随着 S 的减 小,附加荷载急剧增大;随着平行既有隧道轴线埋深的变化,在轴线位置处,双圆盾构机对平行既有隧道的附加荷载影响最大。     

粉细砂地层对地铁列车荷载的动力响应及长期变形研究

为探明地铁列车荷载作用下粉细砂地层的动力响应特征及长期累积变形发展规律,首先基于南京地铁2号线沉降监测数据,分析了位于粉细砂地层中某区段隧道结构的沉降发展规律;然后采用2.5维数值方法,模拟分析了地铁列车荷载作用下粉细砂地层的振动响应特征;最后,基于振动荷载作用下粉细砂的累积变形经验公式,采用分层总和法研究了粉细砂地层由列车荷载诱发长期累积变形的发展规律。研究结果表明:(1)列车运行引发地铁隧道地基粉细砂地层的动偏应力随着深度的增加呈先增大后减小的变化趋势,其最大值通常出现在隧道底部以下1 m处,最大值约为3.5 kPa;(2)列车振动荷载诱发粉细砂地层的长期变形在运营初期发展较快,并在运营1年左右达到稳定,随后缓慢增长,其稳定后的地基总变形量约为15.1 mm;(3)由列车振动荷载长期作用诱发的隧道粉细砂地基沉降量约占运营7年后总沉降量值的26%。     

双圆盾构施工引起邻近桩基附加荷载的分析

应用“源汇法”理论,推导了双圆盾构隧道土体损失产生的三维附加应力计算公式。研究了双圆盾构机正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力以及土体损失在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明：在双圆盾构开挖面前方地下桩基受到挤压力作用,在开挖面后方负值附加荷载逐渐增大产生拉力,同时双圆盾构机轴线深度附近的桩基部位处产生较大的拉应力和压应力;双圆盾构机与土体之间的摩擦力在附加荷载中特别是y方向的附加荷载起主导作用;垂直于管片方向的附加荷载值较推进方向大,但影响范围小;竖直方向的附加荷载较小,靠近隧道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈“弓”形分布。经与数值模拟、离心试验、现场实测结果对比分析,验证了应用解析解研究双圆盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。     

地震荷载作用下地铁盾构隧道动力响应分析

动力荷载作用下的土与地下结构的相互作用是工程研究的一个热点。基于动力学基本方程,运用有限单元法和振型迭加法,对位于黄土地区的盾构地铁隧道在El Centro地震波动力荷载作用下的动力反应进行弹塑性数值分析。从计算结果分析得出在El Centro地震波作为动力激励时地铁盾构隧道的动力反应特征。分析得出盾构隧道在地震波作用下拱底所产生的加速度最大,且这一部位的动应力最大。同时隧道结构内侧的累积变形大于其外侧所对应各点的累积变形,且最大变形出现在隧道结构的侧墙部位。     

饱和软土层地铁列车运行引起的环境振动研究

我国沿海地区大量的地铁隧道都修建在饱和软土地层,饱和软土地层中地铁列车运行引起的环境振动逐渐成为社会关注的问题。以上海2号线某地铁区间隧道为研究对象,采用循环运动模型本构模型和水土耦合动力分析方法,分析了饱和软土中地铁列车运行引起的地表振动加速度以及振动位移响应规律,采用加速度振级对地表的振动强度进行了评价,分析了单次列车通过时引起的隧道下卧土层超孔隙水压力（EPWP）响应规律。计算结果表明,饱和土的振动响应比干土要小得多,地表水平向与竖向的振动规律明显的不同,超孔隙水压力沿隧道下方沿向是不断减少的,在距离隧道中心的纵断面上是先增加后减少。分析饱和土中地铁运行引起的环境响应规律,可为地铁沿线建筑物减隔振设计及沉降控制提供一定依据。     

Grey correlation-hierarchical analysis for metro-caused settlement

Monitoring Shanghai metro tunnels and their surroundings indicates that the maximum settlement caused by metro operation for years has been more than 25 cm in soft soil of tunnel bottom, which has seriously affected the normal operation of subway, and even caused some old house cracking around subway lines. To investigate main influence factors on metro-caused settlement so as to provide the basis for the control of metro-caused settlement, the analytical hierarchy process was adopted to make their weight arrangement. With the experience analogy and grey correlation theory, the grey correlation-hierarchical analysis method was proposed to evaluate the possibility of metro-caused settlement in soft soil of tunnel bottom. The correlation of metro-caused settlement and its influence factors (such as dynamic load conditions of metro, soil conditions, burial conditions of soil prone to dynamic settlement, and hydrogeology conditions) was probed. Taking Shanghai Yangtze River Tunnel project in China (it is now the largest shield tunnel in the world) as an example, the division estimation and the comprehensive evaluation of possibility and severity for metro-caused settlement were also done. The results were observed as follows: (1) the severity of settlements caused by dynamic load of metro in soft soil of tunnel bottom at the same position increases as the speed of subway trains increases; (2) On comparison between the foundations of silty clay and clayey silt, the former is generally more prone to the metro-caused settlement under the same conditions as dynamic load conditions of metro, void ratio of soil, natural water content of soil, burial conditions, and hydrogeology conditions; (3) the grey correlation-hierarchical analysis method is more applicable than grey correlation method for the possibility estimation of metro-caused settlement in the soft soil of tunnel bottom; (4) it may provide the reference for the possibility evaluation of metro-caused settlement in other similar projects.     

盾构隧道-土体接触耦合机制的模态特征分析

盾构隧道动力特征受隧道衬砌结构及壁后土体相互耦合作用影响,为了分析隧道-土体接触耦合机制,以上海地铁某区间盾构隧道为研究背景,采用Bucket搜索法通过分析节点接触和弹性地基接触两种不同类型接触耦合下隧道结构的模态特征,并将分析结果与地铁隧道现场动力实测提取的模态特征进行比较。结果表明：隧道结构受土体耦合约束作用,呈现低频特性,前10阶模态频率在0～100 Hz范围内,模态振型幅值在10?4 m的数量级上。弹性地基接触与实测提取模态特征误差较小,可用于隧道结构动力分析模型简化和理论研究,为隧道结构动力损伤识别提供依据。     

地裂缝与斜交地铁隧道动力响应数值分析

采用ABAQUS有限元软件建立马蹄形地铁隧道与地裂缝呈60°斜交的计算模型研究地铁运行引起的地裂缝附近地层的振动响应。计算结果表明:隧道附近的土体振动较强烈,距离隧道越远,土体的加速度幅值越小;振动响应较强烈的区域,沿隧道纵向约为120 m,沿竖直方向为隧道下方15 m,与隧道纵向垂直的水平方向上为隧道左右20 m范围;振动在与隧道纵向垂直的水平方向传播时,无地裂缝地带在隧道两侧均匀衰减,地裂缝地带在有地裂缝的一侧振动衰减较快,说明地裂缝对地铁振动在地层中的传播有较强的阻隔作用;地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈,传至地表的振动加速度基本衰减为零。      

地铁列车进出站时土层空间振动特性分析

地铁列车进、出站引起的土层振动是一种振源特性丰富且复杂的特殊振动。为了研究地铁进、出站时引起土层振动差异性和空间振动特性,首先将地铁进、出站过程中变速移动的振源简化成振动频率、车离站相对位置及行驶位置不断变化的柱面振源。基于波动原理,采用波函数展开法建立空间振源在土层内的波动场表达式;利用反射定律推导不同波型反射波的传播方向,再根据Graf加法公式以及贝塞尔函数的变换特性将波场表达式转换到统一坐标系下,利用大圆弧地表的边界条件求解不同振源位置下的待定波场系数;最后根据频域内振动叠加原理,确立在整个列车进、出站过程中变速移动振源的总波动场。通过比较计算得到的列车进、出站时地表振动频谱和实测地表频谱特性,验证柱面振源的有效性,发现进、出站引起的地表振动低频特性更明显。参数分析表明,启动最大加速度和制动初速度的增加都将使地表竖向振动响应增大。     

武广高速铁路路基振动现场测试与分析

为研究武广高速铁路无砟轨道路基的振动特性,对武昌－咸宁综合试验段路基进行了现场实车测试。获得了各测点在不同列车荷载作用下的竖向振动加速度和动应力幅值,总结了试验段路基动力响应的分布规律,获得了试验段路基的固有频率,并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析。结果表明,车速的提升加剧了基床表层顶面路基的振动,在260～320 km/h车速段尤为明显。经过2.7 m高路堤的衰减,路基的动力响应幅值和振动能量已基本不受车速影响。级配碎石层能有效抑制振动沿路基深度的传递。随着车速的提升,转向架固定轴距作用率、轨道不平顺成为引起路基振动的主要原因。轴重对动力响应幅值和振动能量的影响较车速更为显著,轴重的增加使得振动能量在频域内更为集中。     

地裂缝与斜交地铁隧道动力相互作用试验研究

通过进行地裂缝与斜交地铁隧道的物理模型试验,研究地铁列车荷载作用下地裂缝与斜交马蹄形地铁隧道的动力相互作用特性。试验结果表明:地铁行驶产生的振动在土层中各个方向传播时会有不同程度的衰减,地裂缝对地铁振动具有阻隔作用;地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈;地铁隧道的拱底部位相比拱腰和拱顶部位振动响应更强烈。地裂缝未活动时,隧道底部与土体的接触附加压力较大;地裂缝上盘下降时,位于地裂缝附近的下盘隧道底部和上盘隧道顶部与土体的接触附加压力较大。地裂缝未活动时,激振作用产生的隧道顶部和底部的附加应变均较小;地裂缝上盘下降后,位于上盘的隧道顶部和位于下盘的隧道底部产生负的附加应变,位于下盘的隧道顶部和位于上盘的隧道底部产生正的附加应变,且随上盘下降量的增大,附加应变逐渐变大。