小净距上下重叠地铁隧道地基土车致动力响应特征研究_有智慧.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金资助项目中央高校基本科研 业务费专项资金资助项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 有智慧 男硕士高级工程师 年生 通信作者 马龙祥 男博士讲师 年生 小净距上下重叠地铁隧道地基土车致动力响应特征研究 有智慧 马龙祥 农兴中 张超 广州地铁设计研究院股份有限公司广州 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都 摘要小净距上下重叠地铁隧道的地基土在列车的长期运营振动作用下相较于一般地铁隧道的地基土更易出 现长期变形在此背景下采用 维数值方法对成都地铁号线某小净距上下重叠隧道区段地基土在上下侧隧道单 独行车及上下侧隧道同时行车情况下的动力响应进行了计算及分析明确了该区段地基土在不同列车荷载作用下的动力 响应特征分析结果表明 在近隧道位置地铁列车运行引发的垂向正应力往往比其他应力分量更大但列车引发的沿 线路纵向的切应力也具有较大的量值 上侧隧道行车会造成下侧隧道地基土产生相当量值的主压应力 相比于单一 列车到达上下侧隧道中列车同时到达会显著增大地基土的动应力量值 对考虑的小净距上下重叠地铁隧道地基土在 运营期间的长期变形及稳定性应给予足够的重视 关键词上下重叠隧道地基土列车荷载振动响应 维方法 中图分类号 文献标志码 近些年地铁在我国各大城市得到了迅猛发展不 仅许多城市的地铁网络已初具规模而且还有大量 的 地铁线路正在或计划建设建设好的地铁线路虽然极 大地方便了市民的出行然而其长期运营也会给隧道 结构的安全性带来一定的影响大量现场监测及研究 表明在一定的地层条件下地铁列车长期往复运营产 生的振动会导致隧道结构出现一定程度的沉降进而 危及隧道结构安全隧道结构在运营过程中的长期 沉降与运行列车引发地基土的长期变形直接相关而 地基土的长期变形与其在运行列车作用下的动应力水 平呈幂指数正相关的关系 因此对地铁列车运 行引发地基土的动应力水平进行研究具有十分重要的 意义 目前已有部分学者对运行列车诱发线路地基土 的动应力响应特征做了一些研究边学成等 采用 维有限元结合薄层单元方法建立了线弹性动力分 析模型对列车荷载作用下线路地基中的动应力进行 了计算进而详细分析了列车诱发地基土动偏应力的 分布规律及地基土单元体的应力路径曾二贤采用 同样的方法分别针对高速铁路线路地铁线路及公路 线路分析了列车运行速度路堤高度路堤刚度衬砌 厚度衬砌刚度汽车运行速度路面结构特征等因素 对地基动应力分布规律的影响张曦及赵丹分 别建立三维弹塑性数值模型对列车荷载作用下隧道 周围地基土的动应力进行了计算得到了特定地层条 件下列车荷载引发地基土动应力的量值水平然而 目前关于列车诱发线路地基土动应力的相关研究绝 大部分针对的是单条线路或处于同一水平位置的两条 平行线路鲜有专门针对空间位置关系复杂的双线线 路的研究 由于城市既有地下空间的限制及线路布置的需 求一些城市在地铁网络中设置了部分小净距上下重 叠的隧道区段相较于一般的地铁隧道区段在列车 的长期运营振动作用下这些小净距上下重叠地铁隧 道区段的地基土更易出现长期变形因此对此类区段 地基土在列车荷载作用下的动力响应特征进行研究 具有重要的意义本文将以在建的成都地铁号线某 区段小净距上下重叠地铁隧道为工程依托对其周围 地基土在上下侧地铁隧道中列车单独作用及共同作 用下的动力响应特征进行深入分析从而明确列车引 发小净距上下重叠地铁隧道地基土动应力的量值水平 及分布规律本文的研究成果可为进一步研究该小净 距上下重叠地铁隧道区段地基土的长期变形奠定基 础也可为类似工程地基土动应力及隧道长期沉降的 预测提供一定参考 上下重叠地铁隧道概况 成都地铁号线在建的某区段设计为小净距上下 重叠地铁隧道型式其中上侧隧道拱顶埋深 运 行上行列车下侧隧道拱顶埋深 运行下行列 车两隧道净距仅为 两隧道均采用盾构法进行 修建盾构管片外径均为 厚度均为 修建 时采用先修建下侧隧道再修建上侧隧道的方式进行施 工该重叠隧道结构位于砂卵石地层中其地质横剖 面图如图所示图中的阴影部分为隧道建造期为了 减少先建及后建隧道在施工期的彼此影响在盾构机 拖出管片后对隧道拱顶或拱底范围内进行注浆加 固的区域其中上下侧隧道的注浆加固深度均为 不同于成都地铁既有运营线路成都地铁号 线运营拟采用型辆编组车辆其设计最高运行速 度为 该区段的轨道为 扣件轨道该扣 件的刚度为 阻尼为 由于轨枕 与隧道基底浇筑为一体 扣件轨道可考虑为钢轨 通过扣件直接与隧道基底进行连接 图上下重叠隧道地层系统横断面图 由于砂卵石在振动荷载作用下有振密变形的趋 势加之该区段隧道为小净距上下重叠隧道且采用 节编组型车进行运营隧道地基土会产生比一般情 况更大的振动响应因此需要对该区段地基土在地铁 列车荷载作用下的振动响应特征进行专门研究以为 该区段隧道地基土的长期动力稳定性分析奠定基础 轨 隧 地动力响应求解的 维数值 模型 本文着重分析地铁列车荷载作用下轨道隧道 地层系统的动应力响应并兼顾其动位移响应因此列 车荷载仅考虑准静态轴重荷载即地铁列车荷载考虑 为由相应编组列车的各轮轴质量组成以上侧隧道行 车方向列车上行方向为系统纵向方向正方向 则作用于上下侧两隧道左右两轨的列车荷载可分别 表示为 式中 为 函数为列车的总轮轴数 为列车 第轴的半轴重为列车第轴与第轴之间的距离 由列车编组车长定距及轴距共同决定 和 分别为作用于上侧隧道左轨和右轨的列车荷 载 和 分别为作用于下侧隧道左轨 和右轨的列车荷载 和 分别为上下侧隧道中 振 动 与 冲 击年第卷 列车的运行速度在本研究中均取最大设计速度 和 分别为上下侧隧道中列车第一轴 初始时刻的纵向坐标由于上下侧隧道中列车运行方 向相反故式与式具有不同的形式又由于地 铁型车拖车与动车具有相同的车长定距及轴 距见图且他们的轴质量在本研究中均取 因此本文不对地铁型车拖车与动车的编组型式进行 特别区分 图列车轮轴空间分布 在此基础上将轨道隧道地层系统视为沿线 路纵向不变的一致性系统扣件的刚度及阻尼按均布 方式进行考虑并将相应参数进行等效转换采用 维方法对系统在列车荷载作用下的动力响应进行研 究具体地钢轨采用 维解析方法进行模拟隧道 与土体介质采用节点 维有限单元法进行模拟 相关 计 算 原 理 可 参 见 维 方 法 的 相 关 文 献 该地铁区段的地层及隧道结构采用黏弹性 本构模型进行描述其物理力学参数见表图给出 了应用自主开发程序建立的关注区段的 维数值模 型仅给出隧道地层有限元模型其中隧道地 层系统的计算范围在宽度方向上取 隧道中线距 左右侧边界距离各取 在深度方向上取 同 时为了避免振动波在计算边界产生过大反射以影响 计算范围内动力响应计算的精度在计算边界设置 维一致黏弹性人工边界其刚度及阻尼按下式进行 设置 式中 和分别为黏弹性边界法向及切向的修正系 数在本研究中他们的值分别取其建议值 和 和分别为边界位置相应土体的剪切 模量密度波波速和波波速为激励源到边界 的距离在本研究中近似取为上下两重叠隧道形心连 线的中点到相应边界的垂直距离 为了对上下重叠隧道在移动列车荷载作用下的动 力响应特征进行全面分析本文对单一上行或下行列 车通过及上下行列车同时通过引发系统的振动响应情 况进行详细分析在所有工况的计算分析中振动关 注断面取为 横断面列车的运行速度统一取最 高设计速度 上下侧隧道中列车初始时刻第一 轴位置分别设为 和 表地层及隧道结构物理力学参数 地层 层厚 弹性模量 泊松比阻尼比 密度 杂填土 细砂 松散砂卵石 稍密砂卵石 中密砂卵石 密实砂卵石 强风化泥岩 管片混凝土 底板混凝土 砂卵石注 浆加固体 图分析建立的 维数值模型 上下重叠隧道地基土的动力响应 图为上行列车单独通过研究断面引发紧邻上侧 隧道拱底正中部位地基点的垂向位移响应时程 图上行列车通过情况下地基土典型位移响应 从图中不仅可以清晰辨识出列车轮轴依次通过 研究断面的过程还可得到如下结论当地铁列车未到 第期有智慧等小净距上下重叠地铁隧道地基土车致动力响应特征研究 达研究断面时地基就已开始出现较为明显的动位移 且该动位移随着列车的行进在总体上先逐步增大直 至列车中部轮轴到达研究断面时刻达到最大值而后 又开始逐步减小运行列车引起地基土的动位移响应 量值较小就关注点而言在上行地铁列车作用下其最 大位移响应仅约为 图给出了研究横断面上紧邻上侧隧道拱底正中 部位地基点在上下行列车单独通过及同时通过情况下 的动应力响应时程由于在该关注点处 及 的量 值均为故图中不再进行讨论 图运行列车作用下地基土的典型动应力响应 从图可知列车各轮轴对关注点应力响应有重 要影响关注点处的应力时程波形会明显出现与各轮 轴达到时刻相对应的峰值在近隧道位置地铁列车 通过引发的垂向正应力 往往比其他应力分量更 大但列车引发的沿线路纵向的切应力 也具有较 大的量值在分析土体在列车荷载作用下的长期变形 时不宜忽略上行列车单独通过时关注点处于三向 受压状态其中最小主应力 最大压应力量值最 大可达 下行列车单独通过时关注点的应 力状态则较为复杂在列车刚到达拾振断面及即将驶 出拾振断面附近时刻其最大和中主应力 和 为拉应力而最小主应力 为压应力但在列车中 部一定范围通过拾振断面的时间段关注点又处于三 向受拉状态由于关注点距离下行隧道较上行隧道 更远上下行列车同时通过时关注点的应力状态同上 行列车单独通过时相类似两种情况仅在应力量值上 有轻微的不同 为了更为全面地研究列车运行对上下重叠隧道地 基土动力响应的影响对关注横断面上地基土的动应 力分布进行研究图 图分别给出了上行列车单 独通过下行列车单独通过及上下行列车同时通过引 发关注横断面在列车中部到达时刻的最大及最小主应 力分布云图 从图 图可知无论是上行列车单独通过还是 下行列车单独通过地基土中的最大主应力往往在紧 邻隧道拱腰至拱肩的地基土范围出现最大值而最小 主应力往往在紧邻隧道拱底正下方的地基土范围出现 最大值从总体来看运行列车引发地基土的动应力 量值随距隧道距离的增大呈逐步衰减趋势由于上下 重叠隧道间距较近且彼此之间存有注浆加固区域上 侧隧道行车不仅会对其周围地层动应力产生较大影 响还会对下侧隧道拱肩拱脚及拱底附近的地基土动 应力产生较大影响特别会造成下侧隧道地基土产生 相当量值的主压应力且这样的影响要比下侧隧道行 车对上侧隧道地基土动应力的影响更大相比于上行 或下行列车单独到达上下行列车同时到达会增大上 侧隧道拱腰至拱肩邻接地基土的最大主应力及下侧隧 道拱底正下方地基土的最小主应力其中前者的最大 量值会从 增大至约 量值增大约为 而后者的最大量值会从 增大至约 量值增大约 由于上侧隧道行车会引 发下侧隧道地基土产生较大量值的动应力且上下行列 振 动 与 冲 击年第卷 车同时到达会显著增大地基土的动应力响应水平因 此应对小净距上下重叠地铁隧道地基土尤其是下侧 隧道地基土在运营期的长期变形及稳定性给予足够 的重视 图上行列车通过引发地 基土横断面在列车中部到达 时刻的应力分布 图下行列车通过引发地 基土横断面在列车中部到达 时刻的应力分布 图上下行列车同时通过引发地基土 横断面在列车中部到达时刻的应力分布 结论 本文采用 维数值方法对成都地铁号线某小 净距上下重叠隧道区段地基土在上下行列车单独通过 及上下行列车同时通过时的动力响应特征进行了分 析得到了如下结论 在近隧道位置地铁列车通过引发的垂向正应 力往往比其他应力分量更大但列车引发的沿线路纵 向的切应力也具有较大的量值 地铁列车运行引起地基土中的最大主应力往 往在紧邻隧道拱腰至拱肩的地基土范围出现最大值 而最小主应力往往在紧邻隧道拱底正下方的地基土范 围出现最大值 小净距上下重叠隧道的上侧隧道行车对下侧 隧道地基土动应力的影响比下侧隧道行车对上侧隧道 地基土动应力的影响更大且上侧隧道行车会造成下 侧隧道地基土产生相当量值的主压应力 相比于上下行列车单独通过上下行列车同时 通过会显著增大上侧隧道拱腰至拱肩邻近地基土的最 大主应力及下侧隧道拱底正下方地基土的最小主应 力且增大量均大于 工程实践中应对小净距上下重叠地铁隧道地 基土在运营期的长期变形及稳定性给予足够的重视 参 考 文 献 魏星王刚余志灵交通荷载下软土地基长期沉降的有 限元法 岩土力学 庄海洋陈磊沈礼伟等列车振动荷载作用下南京细砂 振动累积变形特性试验研究 工程地质学报 黄茂松姚兆明循环荷载下饱和软黏土的累积变形显式 模型 岩土工程学报 下转第页 第期有智慧等小净距上下重叠地铁隧道地基土车致动力响应特征研究 周涛袁宝慧梁争锋聚能射流引爆屏蔽 的试验研 究 火炸药学报 薛超阳智小琦王帅等某引信及其等效构件的慢速 烤燃研究 兵工学报 顾红军刘宏伟聚能射流及防护北京国防工业出 版社 刘科种徐更光辛春亮等近水面水下爆炸对结构冲 击的数 值 模 拟 兵 工 学 报 增 刊 赵春龙王志军崔斌等钛射流冲击带壳装药的仿真 研究 兵工学报 增刊