盾构隧道下穿既有地铁变形规律及对轮轨系统的动力响应研究

发布时间：2020-06-13 06:05

【摘要】：近些年,城市轨道交通网络密度不断增大,导致越来越多的轨道交通线路在空间上产生交叉。盾构法在隧道施工中得到了普遍的应用,但在施工过程中仍不可避免地会对地层产生扰动,从而影响既有隧道和既有轨道结构的变形,对列车的运行舒适性和安全性产生一定的影响。因此,本文系统地研究了盾构下穿施工对既有地铁钢轨变形的影响规律,及对运行列车轮轨系统动力响应的影响。论文主要研究工作如下:(1)以北京地区某新建地铁盾构区间下穿既有地铁隧道为背景,建立了既有隧道-土体-新建隧道三维空间耦合静力学模型,利用生死单元法模拟盾构开挖过程,并利用监测数据验证了模型可靠性;研究了盾构开挖至既有地铁不同距离的位置处,既有地铁钢轨的垂向、横向变形规律及垂向差、横向差变化过程。研究结果表明,盾构施工至既有隧道正下方时钢轨的变形速率和垂向变形差均达到最大,施工结束后,钢轨的最终垂向变形达到最大值,最终横向变形很小。(2)基于建立的有限元模型,研究新建隧道埋深、盾构施工半径、新建隧道双线水平间距三个因素对既有地铁钢轨变形的影响,研究发现:在既有隧道埋深不变的情况下,一定范围内新建隧道埋深增大导致两者之间土体厚度增大,从而使土体能够产生的变形增大,对既有地铁钢轨的垂向变形和横向变形影响也增大;新建隧道盾构半径增大,既有地铁钢轨的垂向变形、横向变形及变形差均增大,钢轨垂、横向变形最大值达到了 11.74mm、1.73mm,垂、横向变形差达到了1.11mm、0.16nmm;两新建隧道水平间距越小,右线隧道施工对先行左线隧道施工产生的扰动的叠加效应越明显,施工对既有地铁钢轨的变形影响越大。三种因素中,盾构半径的变化对既有钢轨变形的影响最大。(3)基于多体动力学理论,建立了地铁车辆空间耦合动力学模型,将静力分析中得出的最不利工况下各阶段的施工不平顺、叠加不平顺导入动力学模型,研究了盾构施工过程、钢轨变形的幅值和波长对轮轨系统动力响应的影响。研究结果表明,车辆运行安全性和平稳性在各阶段均未受到影响,盾构右线施工至既有隧道正下方时为最不利施工阶段;随着钢轨变形幅值的增大,轮轨动力响应均小幅度增加,当钢轨最大垂向变形、垂向变形差、横向变形、横向变形差分别达到91.5mm、11.12mm、17.33mm、1.62mm时,列车仍可安全运行,但舒适度较低;改变波长对列车运行安全性影响较大,波长越短轮轨动力响应越大,当波长为40m时,脱轨系数和轮重减载率均超过限值,车辆运行安全性较差。
【图文】：

曲线,纵向变形,曲线,盾构机

因素的影响机理分为使地层隆起和沉降两种［８（）］。逡逑（１）地层纵向变形逡逑传统地层纵向变形趋势如图２－１所示。沿盾构机前进方向来看，，盾构机前方逡逑地层变形呈现隆起的趋势，盾构机后方的地层呈现沉降的趋势。这是由于盾构掘逡逑进过程中盾构机提供的支护力在保证施工正常推进和安全的同时，若压力过大，逡逑土体发生挤压作用，产生了向上的位移，形成土层隆起；盾构机后方地层发生沉逡逑降，则是由于盾构尾部间隙造成地层损失、同步注浆压力以及盾构掘进过程中对逡逑周围土体的扰动。逡逑７０逦８０逦９０逦１００逡逑：丨邋二逡逑－３邋逦逦逦邋逦邋盾Ｍ进方向逡逑＝ｉ＞逡逑图２－１传统纵向变形曲线逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｃｕｒ＼ｒｅ逡逑在上述分析的基础上，考虑盾构机钢质外壳与周边土体发生摩擦作用对土体逡逑变形的影响，将引起土体纵向变形的原因归纳如表２－１所示：逡逑１６逡逑

盾构隧道下穿既有地铁变形规律及对轮轨系统的动力响应研究

图２－３地层横向变形逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｌａｔｅｒａｌ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｒａｔａ逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455.43;U231

【参考文献】