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。     

列车动载作用下交叠隧道动力响应数值模拟

采用上海地铁某区间隧道现场实测振动加速度数据，对南浦大桥近距离交叠隧道在列车振动荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟。模拟结果表明：上下重叠隧道在动载作用下相互影响显著；随着隧道间净距的增加，相互影响逐渐减弱；对隧道结构而言，土压静载是结构设计的控制荷载，列车振动引起的附加内力增幅较小。     

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。      

列车激震荷载下地铁双圆隧道的动力响应研究

以上海地铁杨浦线(M8)黄兴绿地站到翔殷路站区间隧道双圆盾构工程为背景,研究了列车激震荷载作用下软土地铁双圆隧道的动力响应规律。通过对地铁盾构隧道-地层体系进行模态分析,得到地铁双圆隧道-围岩体系的振型和频率,以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。采用车辆-轮轨模型,计算列车振动荷载,然后确定软土双圆隧道初始地应力,最后运用时程分析方法分别研究在单、双列列车动载两种情况下,软土地铁双圆隧道的随机动力响应及其薄弱部位和相应的位移场和应力场,从而为软土地铁双圆隧道的抗震设计提供借鉴。     

地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究

以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。     

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。     

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。     

地裂缝场地地铁隧道地震动力响应的振动台试验研究

以西安轨道交通3号线地铁隧道近距离通过地裂缝场地为工程背景,采用几何比1:30的大型振动台模型试验,研究不同地震波作用下通过地裂缝带上盘场地地铁隧道的地震动力响应。试验结果表明:地裂缝场地上盘加速度响应表现出明显的放大效应;浅埋地铁隧道对地震波在土层中的传播具有一定阻碍作用,而隧道两侧拱腰位置围岩土层加速度放大效应最强;隧道特征部位PGA放大系数拱腰最大,拱底次之,拱顶最小,其中靠近地裂缝侧拱腰的PGA放大系数大于远离一侧;地裂缝附近动土压力增量明显增加,而靠近隧道附近,动土压力增量明显降低;地震作用下隧道通过地裂缝场地上下盘出现差异沉降,地表出现多条与地裂缝近似平行和正交的裂缝;隧道环向受剪切作用在靠近地裂缝一侧的拱肩部位环向应变最大,而隧道轴向受挤压作用在左右拱腰处应变出现最大值。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道结构抗震设计与防灾减灾提供重要科学参考与借鉴。      

地震作用下平行地裂缝场地隧道动力响应分析

以西安地铁3号线小寨区间近距离平行地裂缝的特殊工程场地为工程研究背景,基于有限差分原理的FLAC3D数值模拟方法,研究地震和地裂缝场地沉降耦合荷载作用时地铁隧道地震动力响应问题。结果表明：地表峰值加速度在地裂缝附近取得最大值,且PGA放大系数由地裂缝向两侧逐渐衰减;地裂缝隧道场地水平地震土压力增量随着输入地震波峰值加速度PGA的增大而增大;上盘的水平土压力增量明显大于下盘,且曲线在地铁隧道处存在一个峰值;隧道结构中,左拱腰处水平土压力相比右拱腰及拱顶处水平土压力较大,且拱底与左拱腰处水平土压力一致;隧道拱顶处水平土压力增幅量明显,且隧道处水平土压力增量随输入地震波PGA的增大而增大,左拱腰处的水平土压力地震响应大于右拱腰,但增幅小于右拱腰。     

盾构地铁隧道区间在地震作用下的三维动力时程响应分析

地铁已成为城市地下空间结构和轨道交通网络的重要组成部分。为预估和降低地震灾害的影响,以西安盾构地铁区间隧道为例,建立了地铁隧道区间三维计算模型,进行三维抗震时程响应分析。采用粘弹性局部人工边界模拟地基结构的半无限性,利用不同超越概率水平下的地震动参数作为参考,考虑相位随机性影响,拟合地震动时程样本,建立了地基与结构相互作用的三维有限元模型。计算结果表明,地震发生时,顶部、底面、侧面、以及联络通道处虽产生变形影响,但均在规范规定范围内;位移时程曲线、位移分布云图、拉压应力云图清楚显示区间结构在地震持续时的抗震情况,数据表明结构最不利位置在联络通道处,而内力和变形均满足规范安全要求。     

Multiscale method for long tunnels subjected to seismic loading

A multiscale method for the dynamic analysis of underground structures is proposed, which involves the concurrent discretization of the entire domain with both coarse‐scale and fine‐scale finite element meshes. The coarse‐scale mesh is employed to capture seismic response characteristics of the integral system, whereas the fine‐scale mesh describes in detail the dynamic response in positions of potential damage or interest. For both the coarse‐scale and fine‐scale meshes to overlap, a bridging scale term is introduced so that compatibility of dynamic behavior between the coarse‐ and fine‐scale models is enforced. Both material and contact nonlinearities are considered in the multiscale model. As an application, the model is used for large‐scale seismic response of a newly built long‐distance shield tunnel. Results show that this multiscale method does not have spurious wave reflections at the fine/coarse interface and does not need filtering procedures, which is an advantage compared with the displacement coupling method. Stress and deformation response in lining segments and their connecting bolts are investigated and analyzed within the fine‐scale model, and the capacity of critical structural components, such as bolts and joints is evaluated. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

软土矩形地铁隧道地震反应特性分析

为研究在不同类型的软土地层条件下地铁隧道的地震反应特性,本文选用El-Centro波作为隧道基岩处水平输入的地震波,利用大型有限元软件ANSYS分析上海矩形地铁隧道在三种典型场地中的地震反应特性,获得了矩形隧道在三种场地中的地震反应规律,结果表明:处于软土地层中的矩形地铁隧道,应力的抗震薄弱位置在衬砌形状突变处,水平位移的抗震薄弱位置在隧道顶部,水平加速度的抗震薄弱位置在隧道底部,设计时应加强薄弱部位的抗震设防,这为矩形地铁隧道抗震设计提供了参考依据。     

广州地铁二号线海-公区间隧道施工防灾监测

城市地铁，特别是区间隧道暗挖施工，由于从地面建筑物及地下管线下面穿过，施工中的土体变形、水位下降和施工崩塌将会对其上的市政设施和建筑物造成不利甚至严重的影响。施工中进行防灾监控量测可及时发现这些不利影响，确保施工及周围环境的安全，减少对城市生活的影响。因此施工防灾监测工怍是城市地铁建设中必不可少的重要环节。广州地铁二号线海珠广场站至公园前站区间隧道，埋深16～25m，其上建筑物密集，部分十分陈旧，隧道采用矿山法暗挖通过。文章从监测的规划、项目设置、观测手段、方式方法、资料处理及成果分析等几方面进行全面详细叙述，观测项目齐全，数据连续、完整、详实、很有规律性，值得作进一步的深层分析。系统而全面的防灾监测工作，有效地保证了地铁施工的顺利完成。防灾监测工作非常成功。监测工作经验值得类似工程监测借鉴。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

动载荷作用下岩石破坏过程的数值试验研究

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载荷作用下应力波延续时间、应力波峰值和围压对岩石试样破坏的影响进行了数值研究,结果表明,应力波延续时间较短,则尾随应力波波前的高应力区范围较窄,应力波衰减较快;相反,应力波延续时间较长,则紧跟应力波波前的高应力区范围较大,岩石处于破坏状态的时间延长,岩石的破碎程度加大。此外,存在一个合适的应力波延续时间,过分地加大应力波延续时间,反而不利于岩石裂隙的发育。动载荷的峰值越大,试样的破坏程度越大,当峰值达到一定值时,试样顶部呈现粉碎状,试样从上到下破坏程度逐渐减弱。在冲击载荷作用下的岩石随着围压的增加更难破碎,但当围压增大到一定程度时,岩石会突然失稳破坏。     

软土地铁车站结构及隧道的三维地震响应分析

建立了软土地铁车站结构及相邻隧道的三维计算模型,研究了其三维地震响应规律,确定了结构的薄弱部位及地震荷载引起结构内力的增幅,分析了隧道对车站结构内力的影响。研究表明：①在距离车站结构端墙1.5倍车站结构横向宽度的横截面,可按平面应变问题分析;②车站结构受力较大的部位有：上柱上端与板结合处、底板跨边与侧墙结合处、底板中跨跨中及车站结构的前端墙;③地震荷载对柱端弯矩的影响最大;④区间隧道的存在削弱了车站结构前后端墙的整体抗震性能。研究成果可为地铁车站结构及隧道的抗震设计提供参考。     

超小净距隧道爆破振动现场监测及动力响应分析研究

以南京地铁超小净距隧道为工程背景,结合国内外现有研究成果和规范,研究确保小净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工控制技术。以现代信息化施工理论为依据,充分运用现场监控量测,对先行隧道爆破质点振动速度进行监测分析和施工中爆破采用减振和隔振两方面控制技术;最终现场监测结果表明,优化后的循环进尺、段最大装药量与分段爆破差等爆破参数设计合理,该爆破设计在施工中未对先行隧道安全产生较大影响;同时,通过三维数值模拟计算,得到先行隧道壁面的质点振动速度随时间的变化规律,所得最大振速符合规范要求,也再次验证了优化后的爆破设计是合理的。通过数据分析得出隧道边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大,爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌,临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动。该研究成果为本工程施工提供了科学依据与技术指导,也可为类似隧道工程的爆破掘进工程在理论和施工方法上提供参考借鉴。