地铁振动荷载作用下隧道土体变形数值模拟

上海地区地铁隧道主要埋设于第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粘土层中,根据长期监测资料的分析,地铁列车的振动对隧道周围土体强度和变形有较大的影响.利用室内动三轴试验结果确定土体的动弹性模量,采用数值模拟的方法计算饱和软粘土地区地铁振动荷载作用下隧道周围土体的变形,由此进一步计算出地铁振动荷载作用下引起的地面沉降量.通过计算的地面沉降量与实测值比较,其结果与工程实际相吻合.因此可以利用此方法对地铁运营后的沉降量进行评价和预测,为地铁工程的设计、安全运营以及对周围建筑物的影响提供有价值的参考.     

软土层埋深对于地铁振动特性及传播影响规律研究

依据实测南京软土的物理特性,建立了车辆-轨道耦合振动数值模型以及道床-衬砌-软土层有限元计算模型,分析了在地铁运营过程中隧道衬砌和周围土体中的振动能量分布以及能量从隧道拱顶到表层土体的衰减规律,量化研究了地铁隧道埋深对于能量传播衰减的影响以及埋深对于隧道总体沉降的影响规律,为地铁选线及结构设计提供依据。     

衬砌局部渗流对软土隧道地表长期沉降的影响研究

软土隧道地表长期沉降特性与隧道的渗透性以及周围土体的时效特性密切相关。在综合考虑隧道的局部渗透性以及土体时效特性的条件下,采用数值模拟的方法,对隧道长期性态发展过程中衬砌局部渗流对地表沉降、沉降槽及地层损失的影响进行了分析,在此基础上对上海地铁2号线某区间隧道长期沉降的发展进行了预测和比较。     

软土区地铁不同类型轨道振动测试分析

软土区地铁隧道结构在列车荷载作用下,工后沉降问题已引起广泛关注,而考虑不均匀沉降下的轨道动力特性实测研究却未见报道。以浙江省某地铁隧道为研究对象,对该隧道两个轨道断面进行了隧道沉降变形观测和钢轨竖向振动测试。基于监测结果,分析了两断面沉降变形和振动实测结果的差异,并对软土区地铁轨道型式进行优选分析。研究结果表明:理论模型计算与振动实测结果量值相当,但理论计算模型未考虑不均匀沉降及轨道弯曲效应,较实测值小;钢弹簧浮置板轨道钢轨振级比普通整体式轨道小10 d B;钢弹簧浮置板轨道固有频率较普通整体式轨道低,列车经过时,较早达到振动峰值,列车经过后,较晚恢复平息;整体式轨道振动对周围土体的扰动大于钢弹簧浮置板轨道,因前者沉降值大于后者,沉降值变大又会进一步加大振动影响。为确保良好的运营条件,建议软土区不均匀沉降工况下采用钢弹簧浮置板等减振轨道型式。     

震动荷载作用下地铁隧道长期沉降机制试验研究

通过循环三轴试验,对地铁行车振动荷载作用下武汉地区盾构隧道周围软粘土及砂土的变形特性作出分析,并对隧道运营期的沉降进行了预测。试验结果表明:在长期循环荷载作用下,粘土试样累积塑性变形及其孔隙水压的变化均经历了快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段;砂土在循环荷载下跟粘土类似,同样经历快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段,只是砂土的应变量较粘土相比要小很多。地铁荷载作用下引起的长期沉降分为不排水循环荷载作用下土体中的累积变形引起的沉降和土体中由于动荷载引起的孔压消散产生的固结沉降两部分;通过室内试验得到的拟合模型和分层总和法计算结果,发现地铁列车运行期间的振动荷载对于运营期内土层的沉降影响主要集中在运营初期3年左右,此后沉降值基本趋于稳定。     

运营期铁路列车荷载与地铁列车荷载的相互作用分析

地铁列车在运营过程中,在振动荷载的影响下,会导致地铁周围的孔隙水的压力变大,降低地基的承载能力,并导致隧道四周的土体出现变形的情况。如果任其发展,会进一步对上部铁路的运行造成影响,增加铁路运营的安全隐患。基于此,本文通过实际案例对运营期铁路列车荷载与地铁列车荷载的相互作用进行分析。     

土体耦合蠕变渗流模型在隧道沉降数值模拟中的应用

地铁隧道不均匀沉降不仅影响隧道本身结构安全,也会对其中运营地铁带来威胁。在隧道的开挖、静置、运营阶段,都会有沉降的产生,不同阶段隧道沉降的主因不同,但总的来说主要来自于周围土体塑性变形、蠕变、渗流固结等方面。基于Drucker-Prager塑性模型,考虑蠕变和渗流耦合作用,通过数值分析发现软土地区浅埋隧道开挖期的隧道底部隆起主要由周围土体塑性变形引起且变形较小,静置期的沉降主要由周围土体排水固结引起且变形较大。     

快速地铁列车荷载下软土地基沉降数值模拟研究

地铁列车荷载作用下软土地基会产生沉降,如工后沉降和不均匀沉降等,影响其使用性能和使用寿命。为研究不同速度地铁列车荷载作用下软土地基的沉降特性,采用有限元软件ABAQUS建立三维动力有限元模型,对比分析了常规时速(80 km/h)和较快时速(120 km/h)下土体的沉降规律,并结合理论经验修改公式预测地铁运营工后沉降量。研究结果表明:列车运行速度越大,隧道下卧土体的波动越大,沉降曲线轮轨分布现象越明显,地表沉降槽的横向影响范围也越大,约为隧道轴线两侧各4.5倍隧道直径,但其工后沉降随地铁行车速度的增大而减小;在快速地铁列车荷载作用下土体竖向沉降的影响范围为3倍隧道直径;线路运营后一年沉降量约为57mm,占累积沉降量的30%,20年后的累计沉降量约为190 mm。     

基于小半径曲线段地铁运营对黄河冲积平原粉细砂土层孔隙水压力的影响分析

粉细砂层对于地铁小曲线运营中循环荷载的响应较为敏感，特别是列车行驶时对轨道产生离心力等问题尤为严重，而郑州大部分地区属于黄河冲积粉细砂层，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，给列车运行带来较大隐患。本文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，研究了土体在地铁列车长期循环荷载作用下造成不均匀沉降的原因，以此为基础阐述隧道底部土层的变形发展规律。发现了孔隙水压力和超孔隙水压力在列车运行过程中的变化规律以及隧道周围土层振动响应规律，表明隧道下方土体发生液化的可能性很低；孔压和超孔压在列车运行初期较大，后期逐渐稳定。     

地铁振动荷载作用下隧道土体变形数值模拟

上海地区地铁隧道主要埋设于第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粘土层中,根据长期监测资料的分析,地铁列车的振动对隧道周围土体强度和变形有较大的影响。利用室内动三轴试验结果确定土体的动弹性模量,采用数值模拟的方法计算饱和软粘土地区地铁振动荷栽作用下隧道周围土体的变形,由此进一步计算出地铁振动荷栽作用下引起的地面沉降量。通过计算的地面沉降量与实测值比较,其结果与工程实际相吻合。因此可以利用此方法对地铁运营后的沉降量进行评价和预测,为地铁工程的设计、安全运营以及对周围建筑物的影响提供有价值的参考。     

盾构施工对地下管线影响数值模拟研究

城市地铁隧道盾构施工过程中,由于地层损失引起周围土体变形,从而造成既有近接管线中产生附加应力。过大的附加应力会导致管线破坏,对城市运行造成较大影响。本文采用ABAQUS有限元计算平台,针对隧道与既有近接管线垂直工况,对盾构施工过程中隧道周围土体变形以及近接既有管线的变形和受力特性进行了分析。结果表明隧道正上方的土体随着埋深的增大沉降逐渐增大且各个沉降槽曲线均呈高斯分布;管线变形曲线与土体开挖面所在平面的沉降槽曲线相似,也服从高斯分布;并且隧道周围既有管线对周围土体沉降具有抑制作用。     

可液化砂土地铁列车振动作用下沉降特性分析

地层的不均匀以及一些特殊地层的存在,对列车振动荷载作用下的长期差异沉降具有较为显著的影响,直接影响到地铁列车营运期的长期安全问题。以佛山地铁2号线为例,通过数值模拟的方法对加固前与加固后可液化砂土层中的结构受力与地层沉降进行了具体分析,研究结果表明列车振动荷载对结构和地层整体影响较小,产生的位移较小。在列车长期循环振动荷载作用下,隧道会产生长期的沉降,沉降量初期发展较快、后期发展缓慢。对可液化地层进行注浆加固可以显著减少隧道沉降量。     

地铁隧道建设与运营对地面房屋的沉降影响与对策

结合上海某地铁隧道穿越地面既有严重倾斜危房的工程实例,计算分析盾构穿越引起的施工期沉降、后期固结沉降及其对房屋的影响.基于地铁运营期间列车循环振动对隧道周边土性及孔隙水压的影响测试规律,提出地铁运营期列车长期振动下沉降的实用估算方法,预测分析地铁运营期列车振动引起的长期沉降.在此基础上制定相应的建设期施工对策,并提出地铁运营期四阶段维护控制设想,对当前形势下的软土地区地铁建设与运营具有现实指导意义.计算结果同时表明,地铁振动导致的长期沉降中约80%发生在隧道建设后10 a内,因此这10 a是采取措施的关键时期.     

地铁循环荷载下隧道下卧土体动力特性研究

随着我国城市地铁交通建设和运营里程的持续增加,列车荷载作用下隧道下卧土体的动力稳定问题备受关注。以粉质黏土地层中单线圆形地铁隧道为工程背景,采用室内模型试验和数值计算方法,分析了地铁循环荷载作用下隧道下卧土体中加速度峰值、沉降变形等的变化规律。结果表明,相较于循环荷载幅值,隧道下卧土体中加速度峰值衰减特性受循环荷载频率影响更为明显。单线圆形隧道周围约2倍直径范围为循环荷载作用影响区域,其中以0.5倍直径范围内影响最为显著。单线圆形隧道下卧土体的动力响应还受隧道埋深、隧道直径等因素影响,隧道埋深越深,隧道直径越大,下卧土体动力响应值越小,对隧道的安全有利。     

列车振动荷载作用下隧道周边软黏土长期沉降分析

 以上海地铁9号线三期工程为背景,对隧道周边1.5倍隧道外径范围内土体长期沉降进行现场监测。为分析上海软黏土在列车长期循环动荷载下的变形特征,通过引进考虑长期循环荷载作用效应的控制参数对现有动力循环加载弹塑性本构模型进行改进;采用改进的本构模型分析列车振动、工后固结2种工况下软黏土沉降发展规律。结果表明：通车850 d后,隧道拱底相对于地面的沉降实测值为4.7 mm,计算值为4.6 mm,其中由列车振动引起的沉降为3.1 mm,误差为2.0%,表明改进后的本构模型能够较好地模拟软黏土在列车振动荷载下的累积变形特征;振动荷载下隧道长期沉降符合指数型增长规律;在隧道埋深13.2 m情况下,列车振动引起的隧道拱底相对于地面的沉降经过约8 a趋于稳定,稳定后相对沉降量为4.2 mm。     

地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究

以上海地铁二号线静安寺站-江苏路站区间隧道周围饱和软黏土为研究对象,通过对隧道周围不同位置、不同深度土体中预埋土压力盒和孔压计,进行现场连续动态监测,对地铁振动荷载作用下饱和软黏土的响应频率、土体响应应力幅值随距离地铁隧道远近以及土体响应应力幅值随深度的变化规律进行研究,并提出了土体动力响应衰减计算公式,利用该式可以计算出地铁列车经过时的影响范围及其动力响应值的大小,可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况,为地铁设计、施工以及安全运营提供有价值的参考。     

粘弹性软土中盾构隧道的长期沉降

本文将列车荷载等效为矩形循环荷载,采用Merchant三元件模型模拟土体粘弹性,得到相应的粘弹性本构模型,并采用迭代递推方法考虑固结过程中土体渗透性的变化,得出了列车荷载作用下局部渗漏隧道的超孔压解析解,进而获得长期地表沉降解析解。通过预测地表沉降值与非线性固结解析解预测值和上海地铁实测沉降数据的对比,验证了上述解析解的合理性。分析结果表明:在长期沉降分析中,土体的粘弹性表现十分显著,同时列车荷载加剧了隧道的地表长期沉降;隧道衬砌渗漏程度与地表沉降增加量呈正相关。     

基于MIDAS GTS分析地铁运行振动对地铁车站沉降影响

为探明地铁运行振动对地层的影响,以北京的地铁站为例,建立地铁站的结构三维模型及其所在地层的地质三维模型,在此基础上利用有限元分析软件在时域内对地铁区间隧道及其周围土体这一结构复合系统进行动力分析,得出各个控制点由地铁振动引起的位移分量值等。以此来研究地铁在运行过程中可能产生的安全问题,比如地铁长期运行产生的振动会不会引起地层沉降及开裂等问题。此方法模拟了列车的振动效应,探究了地铁振动对地层的影响及其响应,为保证地铁在后期使用的安全性的控制问题,保证地铁长期安全运行提供了一定的理论支撑,有重要的工程意义和社会意义。     

软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究

地铁通车运行后,会因多种原因产生盾构隧道纵向不均匀沉降,诸如列车振动、渗漏、土体不均匀性等。隧道纵向过大,不均匀沉降会严重影响地铁的运行安全。基于某地铁隧道的纵向沉降实测数据,分析了纵向沉降对隧道结构安全性的影响。首先用抛物线分段模拟了隧道的纵向变形,得出了隧道纵向变形曲率;然后以等效轴向刚度模型为基础,建立了隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。通过对计算结果的分析,可较全面地了解整个隧道的纵向沉降以及隧道管片环缝张开量的现状,从而为软土隧道的运营阶段维护、改善结构和防水设计、施工方法等提供依据。     

拱顶空洞对盾构隧道与周围土体动力响应特性影响

为探究盾构隧道管片后拱顶空洞对隧道结构及周围软土地层的动力响应的影响,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,以加速度响应峰值和频率响应函数作为评价指标,研究单点振动荷载作用下管片后拱顶有、无空洞2种工况下隧道结构与周围土体的动力响应特性。并在此基础上,考虑列车振动荷载的移动效应,通过三维数值计算,研究移动荷载作用下空洞对管片衬砌和周围土体的动力响应的影响规律。研究结果表明:管片后拱顶空洞会使隧道结构及周围土体的加速度响应出现放大效应。根据频域分析结果发现空洞对隧道结构的影响主要在90Hz以上的频域内,2种工况下动力响应最大差值可达到10dB;在0～90和150～190Hz频率范围拱顶空洞对周围土体的动力响应影响较小,而在90～150和190 Hz以上的频域范围拱顶空洞会导致土体的动力响应明显增大。移动列车荷载作用下拱顶空洞对隧道结构与周围土体的动力响应产生的影响与单点荷载作用下的规律类似;移动荷载下隧道拱顶、底部以及隧道上方附近土体的动力响应均有增大。拱顶空洞对管片内力的影响较小,范围也局限于空洞存在的局部区域;管片轴力在空洞位置处波动变化,整体比无空洞工况更大。