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。     

地铁振动荷载对下穿越盾构开挖面孔隙水压力的影响

盾构穿越饱和砂土地层中的运营地铁时,在地铁列车振动荷载的作用下开挖面前方土体中会产生超孔隙水压力,影响开挖面稳定,通过动三轴试验对不同类型砂土在地铁列车振动荷载的作用下的超孔隙水压力增长规律进行了研究。研究表明,随着地铁列车振动荷载振幅的增大,超孔隙水压力逐渐增大,当振幅不大于10 kPa时,超孔隙水压力的增加并不明显;开挖面支护力减小,会使振动荷载对超孔隙水压力的影响增强,而且这种影响对土体竖向应力卸荷比土体水平应力卸荷更为敏感;在饱和松散细砂地层中,地铁列车振动荷载对超孔隙水压力的影响最为显著;地铁列车振动荷载引起的开挖面超孔隙水压力绝对数值不大,但能使泥水盾构泥膜承受的压力差至少减小约33%。     

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%。     

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。     

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。     

地铁行车荷载作用下淤泥质黏土累积特性的试验研究

中国上海地区地铁隧道一般位于第④层淤泥质黏土层中,在地铁行车荷载作用下隧道周围土体变形引起隧道轴线沉降,有些区段隧道轴线沉降量已超过20cm,引起了一系列环境地质问题.本文以上海第④层原状淤泥质黏土为研究对象,通过室内循环三轴试验,模拟地铁运营过程中产生的振动荷载,研究荷载作用下上海淤泥质黏土的累积应变、孔隙水压力及再...     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

地铁振动荷载下隧道周边土体孔压响应特征研究

本文依托上海地铁9号线开展地铁振动荷载下隧道周边土体孔隙水压力长期监测。监测结果表明:列车振动荷载施加后,超孔隙水压力迅速产生并急剧上升;隧道拱腰深度的超孔压约为1.2kPa;最后一班地铁列车通过后,孔隙水压力逐渐消散;停运5min时,超孔压消散80%左右。由于盾构施工产生的超孔压远比振动产生的超孔压大,现场测试主要表现为施工产生的超孔压消散。超孔压分布规律为:隧道拱腰以上,超孔压随深度有增大趋势,拱腰以下,超孔压随深度有减小趋势;拱腰周边,超孔压较大,超孔压等值线较密集。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

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。     

地铁荷载下不同固结度软黏土的孔压试验模型

地铁运营前下卧层土体存在不同程度固结,这会影响到运营期隧道周围土体中孔压的变化,进而产生不均匀沉降。通过GDS循环三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了固结度、固结应力、循环应力比对孔压发展的影响。在现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结程度的孔压模型。研究表明：循环荷载下饱和软黏土的孔压发展形态比应变发展形态更具规律性,固结程度愈高的土体孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定。预测地铁长期荷载下土体的孔压和沉降时考虑孔压测试时的滞后现象会达到更好的效果,所得的孔压模型能够较好地模拟地铁运营荷载下孔压的发展。     

地震动力作用下土-地铁隧道模型分析

针对地铁建设中典型的马蹄形断面隧道建立比例尺为1∶20的分析模型,并采用数值分析方法研究马蹄形隧道处于单一土层及工程所处区域典型的成层土体中时的动力响应。分析结果表明,在单一土层中由于土体的约束作用,结构产生的位移以整体沉降为主,在成层土体中除产生一定的整体变形外还伴随一定的扭转变形。在两种地层情况下马蹄形地铁隧道在地震动力作用下的动力加速度响应、竖向位移均在拱顶处产生最大值,其中在单一土层中的加速度响应最大值为结构中部加速度的2.29倍。结构在顶部和侧板处所产生的动应力响应值也较大。研究表明,地震动力荷载作用下顶板、侧板均为受力较大部位,在设计和施工中应予以充分重视。     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。     

地铁循环荷载作用下交叉隧道沉降分析

采用FLAC3D软件建立了交叉隧道的三维有限差分模型,以人工数定激励力模拟列车荷载,计算列车动荷载作用下土体的变形和应力。采用修正动偏应力长期沉降计算模型,结合分层总和法计算软土的沉降,预测交叉隧道的长期沉降规律。分析3种不同行车工况下地基长期沉降,工况1为一辆列车单独通过1#隧道,工况2为一辆列车单独通过2#隧道,工况3为两辆列车同时通过1#和2#隧道。对比不同的列车行驶速度、隧道衬砌刚度及厚度对隧道地基的长期影响。结果表明,由列车荷载引起的地基沉降主要集中在距隧道中心轴20 m范围内;在工况3下土体沉降大于工况1、2沉降之和;车速越快,沉降越小;衬砌刚度和厚度越小,沉降越大,且衬砌厚度对沉降的影响较大,衬砌刚度影响较小。     

列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降

通过2.5维有限元结合薄层单元方法,建立了列车运行荷载作用下轨道和地基动力相互作用的3维分析模型,求解不同运行速度列车荷载作用下路堤下卧层地基中动偏应力的分布,结合软黏土在循环荷载作用下的累积塑性应变理论,建立了路堤下卧层地基在列车运行荷载作用下长期动力附加沉降的计算方法。在此基础上采用瑞典X2000高速列车的实际轨道和地基情况进行了计算,分析了长期沉降随时间的发展过程及其在地基中的分布规律,特别是考虑了列车运行速度对路基沉降的影响。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。     

重载铁路隧道基底围岩水土压力动力研究

以太行山重载铁路隧道为工程背景,对重载列车作用下基底围岩的水、土压力变化规律进行深入分析,得出各测点水、土压力动力变化及长期效应。研究结果表明,轴重27 t、80 km/h车速的重载列车对隧道基底围岩水、土压力的动力影响主要集中在拱底及轨道下方,该位置的动力响应剧烈,随着与线路中心位置距离的增加,这种动力影响随之减弱,同时动水、土压力存在相互影响。基底围岩的水、土压力长期动力效应主要由列车引起的动力平均值决定,此外水压力还受到季节影响综合作用,而土压力随水压力变化而发生一定程度的浮动;重载列车荷载会加剧拱底和轨道下方水、土压力的长期效应,从而使该位置测点的稳定时间和增量相对较大,基底围岩土压力长期效应主要受到重载列车影响,水压力长期效应受列车作用和季节变化交叉影响。