交通荷载下叠合式公轨隧道的力学性状研究

为模拟交通荷载,引入并改进三车道元胞自动机得到汽车荷载作用位置的随机动态变化,同时利用汽车动力模型、列车-钢轨-隧道耦合动力学模型得到交通荷载量值随时间的动态变化。首先建立叠合式公轨隧道有限元静力模型并进行分析,随后将交通荷载导入公轨隧道有限元模型中,对公路隧道衬砌的动力响应进行分析,获得衬砌的水平应力时程曲线、最大应力响应值和振动加速度,并获得不同隧道布置形式下最大加速度分布曲线、最大应力分布曲线。为减小公路隧道底板拉应力,对2种隧道之间的垫层布置形式进行了措施优化,最后对垫层与动力响应的关系进行研究。研究结果表明:静力条件时铁路隧道造成公路隧道下部刚度差异,不同铁路隧道布置形式会分别加剧或减小公路隧道底板拉应力;动力条件时动力响应值在2种交通荷载共同作用时达到最大值,其中最大拉应力为2.77 MPa,与静力分析相比增加了7.36%,且公路隧道最大振动加速度由列车荷载控制;不同的铁路隧道布置形式下公路隧道的最大振动加速度和拉应力大小及发生位置有所不同,铁路隧道分开、合并布置时,最大振动加速度分别出现在两侧隧洞跨中和公路隧道中墙处,前者最大拉应力值约为后者的1.5倍,且其最大拉应力出现位置更靠近侧墙。通过在公路隧道下方铺设垫层,可以有效控制其底板拉应力,垫层宜优先设置在中墙和2个侧墙位置处。

公轨合建盾构隧道振动荷载的动力响应特性

为了探究汽车-列车振动荷载对公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体的动力响应特性,采用有限元软件ABAQUS对某公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体进行数值模拟,通过ABAQUS软件的Dload子程序对汽车、列车振动荷载进行耦合,分别将单一振动荷载及汽车-列车振动荷载作用引入公轨合建盾构隧道,分析公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体在不同工况时加速度、位移、应力、应变的变化。结果表明:汽车、列车振动荷载频率不同,共同作用后产生拍频现象,导致相同方向合成荷载的振幅可能小于分荷载的振幅,当频率相同时所合成荷载的振幅最大;管片上方的土体以及非封闭弧形内衬外侧土体发生较大的应变,最大塑性应变发生于拱顶偏右侧,达到7.032×10^(-6);公轨合建盾构隧道内部结构中的预制箱涵牛腿柱、顶板处出现较大拉、压应变,在长期运营期间需要对预制箱涵牛腿柱、顶板位置进行定期检查和必要支护。

循环荷载作用下公轨合建盾构隧道的损伤特性

为了研究循环荷载作用下公轨合建盾构隧道的损伤分布特征和损伤演化规律,利用有限元软件ABAQUS和混凝土塑性损伤模型,建立盾构隧道及内部结构数值模型,分析循环荷载幅值为50、100、150 kN和不同循环次数时隧道内部结构的损伤特性。结果表明:当循环荷载作用于中间车道时,隧道内部结构的拉致损伤主要位于边跨面层和预制箱涵中部,并且拉致损伤范围随循环次数的增大而逐渐增大;压致损伤主要集中在中跨面层和预制箱涵支座处路面,扩散趋势不明显;内部结构的拉、压致损伤随循环荷载幅值的增大而增大,并且循环荷载幅值对内部结构损伤的影响远大于循环次数的影响;内部结构的塑性应变分布趋势与拉致损伤分布趋势相似,混凝土的材料特性使得塑性应变在初始阶段明显增加,随着循环次数的增加,塑性应变趋于缓慢增长。

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明:公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。

公轨合建隧道轨道层疏散门对地铁疏散的影响

为降低和消除公轨合建隧道轨道层地铁火灾的危害,运用Pathfinder建立了轨道层B型地铁疏散模型,并利用实验数据修正了模型中乘客在疏散平台上的速度。针对地铁中部起火且正对疏散门的最不利火灾场景,模拟分析了疏散门设置间距和宽度对人员疏散的影响。结果表明车厢侧门的流量分布主要与疏散门间距有关,侧门的开启方式会影响乘客整体疏散时间;当疏散门间距小于地铁车身长度一半时,疏散时间同时受疏散门间距和宽度的影响;当疏散门间距大于地铁车身长度一半时,疏散时间主要受疏散门间距的影响。研究可为公轨合建隧道轨道层疏散门的设计提供技术参考依据。

公轨合建盾构隧道管片-内部结构复合体系横向抗震性能研究——以济南黄河隧道为例

为探明有无内部结构、内部结构不同施作方式(全预制、预制+现浇)对盾构隧道整体结构横向抗震性能的影响,以济南黄河隧道为依托,建立地层-管片-内部结构三维精细化模型,采用显式动力时程方法进行抗震性能研究。研究结果表明:1)内部结构对隧道变形的约束作用呈阶段性变化。在弹性工作阶段,增大内部结构与管片接触面连接刚度能有效降低隧道变形,隧道径向收敛最大降低86.87%;在塑性工作阶段,由于内部结构惯性力和重力的作用,会加剧隧道变形。2)考虑内部结构会明显降低其施作区域内的管片峰值应力与损伤,小主应力最大降低50.75%,刚度折减系数最大降低0.0606。3)考虑内部结构后,隧道局部轴力与弯矩会降低,内部结构采用预制+现浇方式时弯矩最大降低769 kN·m,轴力最大降低1798 kN。4)内部结构与管片接触面连接刚度越大,两者协调变形能力越好,但内部结构薄弱区域需要同步补强,防止结构过早进入塑性工作状态。

公轨合建大直径盾构隧道车辆振动响应数值分析

对于大直径水下盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性及地基稳定性具有重大意义。以三阳路公铁合建长江隧道工程为背景,采用2.5维数值计算程序对三阳路长江隧道段典型断面处进行计算分析,研究地铁振动荷载和汽车振动荷载耦合作用对隧道结构及隧道下覆粉细砂层稳定性的影响。计算结果表明:(1)在地铁振动荷载与汽车振动荷载联合作用下,隧道衬砌结构的位移振动响应量值及受力情况均较小,振动荷载不会对衬砌结构自身产生不利影响;(2)列车和汽车车队耦合荷载引起隧道下覆饱和粉细砂层超静孔隙水压力在隧道正下方衰减较为缓慢;(3)隧道下覆饱和粉细砂地层由正常的地铁振动荷载及汽车荷载激发的超静孔隙水压力不会超过1 kPa,在正常地铁荷载及正常汽车荷载单独作用或联合作用下,该饱和粉细砂地层能够保持稳定,不会发生液化失稳。

考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能研究

盾构隧道朝着超大断面发展,其内部结构形式愈加复杂多样化,内部结构对盾构隧道纵向力学性能的影响值得探讨。为研究考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能,以济南黄河隧道为工程背景,建立31环考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道三维有限元实体模型,以集中力的形式作用在第16环管片环进行加载。结果表明:盾构隧道考虑内部结构后,通缝拼装隧道和错缝拼装隧道纵向刚度有效率分别提高21.4%~61.9%和14.3%~35.3%,说明内部结构能够有效提高盾构隧道的纵向刚度;通缝拼装隧道和错缝拼装隧道加载环最大Mises应力分别减小61.3%和69.2%,说明内部结构能够起到承载作用;隧道管片与内部结构会发生应力集中现象;错缝拼装形式有利于减小内部结构在纵向上的位移变形,同时内部结构的侧墙在施工时应尽可能保证混凝土的密实。

大直径公轨两用越江隧道消防设计技术创新

武汉三阳路长江隧道是世界上首座城市道路与地铁合建的盾构隧道,隧道的消防设计是保证工程运营安全的重点和难点。针对公轨两用越江隧道的工程特点,消防设计采用了消火栓系统、泡沫-水喷雾灭火系统、灭火器系统联用的方式,并配备自动灭火系统和气体灭火系统。对消防系统的设计原则、系统布置、关键技术参数、设备选型以及技术创新等进行重点阐述。

内部结构施作方式对公轨合建盾构隧道内爆炸动力响应的影响研究

为探明不同内部结构施作方案对盾构隧道管片及内部结构的抗爆性能的影响,以公轨合建盾构隧道为工程背景,建立半装配式内部结构和现浇式内部结构的三维精细化数值计算模型,采用显式动力时程法对爆炸荷载作用下管片及内部结构的动力响应及损伤特征进行计算分析。研究结果表明:与现浇式内部结构相比,半装配式内部结构的连接位置在爆炸荷载作用下的加速度响应更剧烈,纵向加速度峰值衰减速率更快,但是其内部结构损伤程度更低。此外,管片接头处的加速度峰值会出现突变现象,而且当炸药在行车空间中部爆炸时,半装配式内部结构管片接头处的加速度峰值比现浇式内部结构管片接头处的加速度峰值低20%~49%。

列车振动荷载作用下公轨合建隧道及周围土体动力响应特性研究

为了研究列车振动荷载作用下公轨合建隧道及周围土体的动力响应特性,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,基于时频分析研究隧道管片和内部结构的动力响应特性以及振动波在地层中的衰减特性。研究结果表明:列车荷载作用下全频域范围内,隧道管片结构动力响应随着频率的增大而增大,而内部结构上部车道动力响应表现为随频率的增大先增大(0~140 Hz)后减小(140~200 Hz)。就不同位置动力响应衰减幅度而言,上部车道最大,其响应平均衰减幅度为20.05 dB,相应地时域上峰值加速度的衰减幅度为72.6%。此外,考虑列车振动荷载的移动效应会使隧道结构的动力响应增大,移动荷载作用下道床处峰值加速度增加了约105%,内部结构侧壁处增大了41.9%,侧壁与上部车道连接处增大了47.3%,上部车道中心处增大了22.3%。单次列车振动荷载作用过程中隧道结构的最大位移发生于拱底,其峰值为3.85 mm。

轨道交通动力荷载对公轨合建沉管隧道基础垫层的影响

主要对轨道交通动力荷载对公轨合建沉管隧道基础垫层的影响规律进行了研究分析。首先对公轨合建隧道的发展及其现状进行了分析,以及列车荷载作用下对基础影响规律及其研究方法进行了简要介绍和分析;接着以公轨合建沉管隧道为对象研究了列车荷载作用下沉管隧道基础垫层的应力响应分布规律,分别重点研究了列车荷载速度、加载车道数,以及列车荷载作用下垫层横向分布规律,最后对弹性计算结果与弹塑性结果进行了对比。研究表明,列车速度、加载车道数对基础垫层内的压应力有较大地影响;列车荷载作用下基础垫层内的压应力分布不均匀;将土体视为弹性材料进行研究,虽具有一定的误差,但在初期研究阶段对其一般分布规律的研究也具有较好的效果。